光电设备激光防护技术研究进展

张玉发，孙晓泉

(脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽合肥230037)

1 引言

随着现代激光技术的迅速发展，激光的应用已经渗透到军事装备中各个方面，从而造成了激光威胁。现有的光电设备中的光学镜头、内部光学元件、传感器等往往因为具有高累计光学增益而容易遭受强光辐射攻击，造成材料无法复原而失去功能。因此，对光电设备进行必要的防护是提高其战场生存能力的重要措施［1－2］。

由于光电设备结构和元器件材料的多样性，能够用于激光防护的方法也具有多样性。目前的理论和实验研究涉及基于线性光学、非线性光学和光学相变原理等，其形式包括薄膜型减反、高反结构，光子晶体带隙结构，化学聚合物结构，物理数码微镜结构等。每种结构都有其各自的特点。

本文着眼于光电设备的激光防护，从激光破坏阈值，衰减能力和有效工作波段入手，分析了各类材料和技术的作用机理、防护机制、性能指标和最新研究成果，总结各自的优势、特性、局限性以及进一步研究方向。

2 薄膜结构

光学薄膜是光学系统的重要组成部分，光学薄膜最初的应用主要是减反作用，随着薄膜理论及薄膜镀制工艺的发展，光学薄膜衍生出分光膜、高反膜、偏振膜以及各个波段的窄带、带通滤光膜等种类，广泛地应用于光电显示、光通讯等领域［3］。

在激光防护膜破坏阈值方面，熊玉卿等［4］以TiO2和SiO2作为高低折射率材料在K9玻璃上镀膜实现了对氧碘激光的防护，实测光谱如图1所示。在不影响遥感仪器正常工作的条件下，可将遥感仪器的激光损伤或致盲阈值提高80倍。在500～900 nm范围内，平均透射率达到95．2%，在以1315 nm为中心的一定波段范围内，反射率超过99．3%。防护薄膜对于1315 nm连续激光的损伤阈值在1 MW/cm2量级，提高了卫星光学遥感仪器的生存能力。

图1 激光防护薄膜典型实测光谱

在激光防护膜对能量的衰减效果方面，石澎等［5］选取 Si和 YbF3，ZnS和 YbF3两种高低折射率组合形式研制了激光防护减反膜，透射率曲线如图2所示。在多光谱ZnS基底上，制备的双波段激光防护红外减反膜经过测试在532nm处的光学密度OD值为5，1064 nm处的OD值为4，对两个波段的激光具有很好的防护作用;并且在3～5μm波段有效光的平均透射率为96%。该薄膜集探测用减反器件和防护器件于一体，可以使星载、机载等光电仪器的结构得到简化;光谱分析和环境测试的结果表明，各项指标满足使用要求。

为满足多波段防护的要求，G．A．Muranova等［6］设计并制作了多层光学薄膜，波段在320～1600 nm，能同时对 355 nm，532 nm，694 nm，1064 nm，1315 nm和1540 nm激光具有防护作用，OD值大于3，而在可见光区的透光率在45%～55%，激光透过率曲线如图3所示。

图2 透射率曲线

图3 激光透过率曲线

近年来发展起来的相变防护材料，对激光防护技术的发展具有重要价值。

目前研究最多的相变材料是VO2薄膜。VO2从低温半导体态相变到高温金属态后，其中电阻率的变化幅值可以高达104量级，光谱特性由高透陡变为高反，而且其相变快速、可逆。Jin P．A等［7］利用VO2热变色薄膜和TiO2防辐射涂层制备的多功能智能窗口，具有较高的可见光透过率和防高能激光辐射等功能，传输特性如图4所示。对3～5μm，8～12μm波段红外光透过率在70%以上，当遭到敌方中长波红外激光器试图探测或致盲时，可以在纳秒级的时间内实现对红外波段光几乎不透明(透过率小于5%)。Mikhail A．Kats等［8］利用蓝宝石为基底制作的厚度为180 nm的VO2薄膜在70℃附近实现了对11．6μm红外辐射的强烈吸收(吸收率为99．75%)，反射率曲线如图5所示。

图4 传输特性

M．Soltani［9］等采用掺杂质量分数为 1．6% 钨的钒靶材，得到钨掺杂的VO2薄膜相变温度为36℃，是目前沉积VO2膜得到的比较低的相变温度。

目前光学薄膜对特定波段激光的衰减效果均能达到大幅度提高防护阈值的要求，但防护效果与光电系统成像效果是相互矛盾的。基于对特定波段激光的阻挡，目前能实现同时对6个波段的激光进行防护，但是多层膜结构降低了可见光透过率，使得通过多层膜结构来实现全波段防护会受到限制，未来激光防护膜在满足防护阈值的条件下，需要在提高可见光透过率、提高膜系破坏阈值和扩展阻光波段方面进行深入研究。

图5 反射率曲线

3 光子晶体结构

光子晶体是一种介质在另一种介质中周期排列所形成的人造结构。激光防护方面运用最多的是在膜结构的基础上，重复沉积多层周期结构膜，构成光子晶体结构。该结构具有很好的光学防护特性。

为提高周期结构对激光的衰减效果，黄强等［10－11］设计了 33 层激光反射膜，在 532 nm 和1064 nm波长处的理论透过率都达到了0．01%，可见光波段透过率较高，实际透过率曲线如图6所示。以ZrO2和SiO2为高低折射率材料，镀在聚碳酸酯镜片上，样品在532 nm处的透过率为0．72%，在1064 nm 处的透过率为 3．82%。Ji－ long Tang［12］等设计并制作了48层膜结构，在532 nm和1064 nm波长上实现了0．0064%和0．0041%的透过率，以及在可见光范围达到高于73%的透过率，透过率曲线如图7所示。

图6 实际透过率曲线

图7 透过率曲线

Ming Chen［13］等利用27个周期光子晶体结构，如图8所示，设计并制作的激光防护镜能够降低1．06μm的YAG激光损伤，在折射率为1．498的磷酸盐玻璃基底的配合吸收下，该一维光子晶体可将防护镜(入射角 ＜65°)的透过能量降低到10－9，而可见光的透过率超过70%。

图8 光子晶体结构

为实现宽波段阻光的要求，关春颖［14］等按照一维光子晶体的设计思想，利用MgF2/ZnS2两种材料组成的λ/4结构全反射器光学膜系来研究特定波长范围内的全角度反射膜，实现了467～495 nm波段全反射带，反射率曲线如图9所示。

图9 反射率曲线

此外，当光子晶体结构中某一层在厚度、折射率、材料等一个或多个参数出现突变时，其周期结构会被破坏，这种结构称为光子晶体缺陷结构。这种缺陷结构也可以用来设计多波段阻光激光防护材料。Xuanke Zhao等［15］采用 PbTe和 Na3AlF6作为高低折射率材料，制作的一维光子晶体结构在远、近、中红外有高的光谱反射系数，相当于布拉格反射器，在1～5μm，8～14μm波段有99%的反射率，在1．06μm和10．6μm上有96%的透过率，如图10所示。此外，通过调整光子晶体缺陷结构，可以获取来袭激光频段上的高反或吸收特性。

图10 一维光子晶体缺陷结构

由于光子晶体结构的理论基础较成熟，使光子晶体结构激光防护膜易于设计和周期控制。目前能实现较短波段激光防护的全覆盖，衰减阈值满足防护要求，可见光透过率较高。但该型结构的破坏阈值研究较少，需要进一步探索;并且严格的周期结构给加工造成了技术难度，极小的不平整度即可破坏周期性。因此，提高加工工艺、研究其破坏阈值将是光子晶体结构激光防护材料的重要研究方向。

4 聚合物结构

聚合物结构依靠材料本身特性来实现光限幅功能，品种众多，且阻光机制多样，包括反饱和吸收、非线性散射，以及多光子吸收、受激吸收等。目前研究可用于光电设备激光防护的聚合物材料中，以富勒烯C60和金属酞菁材料为典型代表。

富勒烯C60分子的化学性质非常活泼，表现出强的反饱和吸收和强的光限幅效应，现己作为一种基准光限幅材料［16］。酞菁芳香共轭体系的大环共轭配合物。具有良好的光、热及化学稳定性、优异的光电性质，在可见光区有较好的吸收以及分子结构的可调节性;同时酞菁环可以容纳铁、铜、铝等金属元素生成金属配合物，即金属酞菁。如酞菁铜，它是一种典型的有机小分子光电半导体材料，在可见光区不仅吸收范围宽、吸收系数大，而且具有极好的化学、热及光稳定性［17］。

在提高激光对光电设备损伤阈值的研究方面，Changquan Tang等［18］发现梯形四苯基基团具有一定的光限幅效应，透过率曲线如图11所示。在波长770 nm处对99．6 GW/cm2的激光透过率低于19．1%，在光电传感器防护方面有着潜在的应用价值。

图11 透过率曲线

聚合物体对激光能量衰减作用的响应速度快，大多在纳秒量级实现。Yinglin Song等［19］发现在10 ns，532 nm激光作用下，由于五核心原子簇MoS4Cu4Br2(py)6的受激吸收特性，使其光限幅特性优于C60，光谱吸收曲线如图12所示。

图12 光谱吸收曲线

图13 归一化透过率

S．Sreeja等［20］运用 Z扫描技术研究了靛蓝聚乙烯醇有机聚合物材料。波长为532 nm，脉宽在5 ns的激光的传输系数随着浓度的增加而急剧下降，归一化透过率如图13所示。

目前聚合物的阻光波段以少量典型的激光波长为研究目标，作为激光防护手段之一，要进一步扩展其有效工作波长或波段，并且该类材料的环境适应性、对光电系统的影响等均是深入研究的方向。

5 纳米结构

由金属、非金属、有机材料等构成的超细微颗粒，由于粒子尺寸减小到纳米量级而导致的电子运动态密度和空间减小，材料的电子特性发生巨变，表面效应非常明显，能带结构发生质的改变，材料表现出许多奇异的力学、电学和光学等物理化学特性，为激光防护材料获取提供了新途径。

在纳米结构材料对激光防护能量的衰减效果方面已有较多的研究。Jun Wang等［21－22］详细分析了碳纳米管材料的光限幅特性用于激光防护的可行性，以及饱和吸收的限光机制，该类光限幅材料中非线性散射起主要作用，样品测试结果如图14所示。

图14 样品测试结果

Gui Jiang Zhou等［23］采用 YAG调 Q激光 Z扫描的方式分析了多金属合金光限幅器，归一化传输特性如图15所示。在532 nm，10 ns高斯光束的检测下，金属粒子聚合物对激光的限幅门限低至0．07 J/cm2，且门限下的透过率为92%，限光效果排序为 Pt＞Au＞Hg＞Pd。进一步，Gui jiang Zhou等［24－25］研究了新一代光限幅材料，归一化传输特性如图16所示，有机金属的乙炔化复合物PtII，AuI和Hg，发现其光限幅特性优于富勒烯、金属卟啉和金属酞菁类材料，到目前为止超过了最好的有机材料的性能。

Ariela Donval等［26－32］于2007 年到2012 年持续对防炫目宽频激光过滤器Wideband Protection Filter(WPF)进行研究，该结构是以纳米结构为基础的被动非线性固体动态激光过滤装置，能在纳秒量级内实现光限幅作用，传输特性曲线如图17所示。针对波长为532 nm脉宽在3 ns激光的实测结果显示，门限阈值下激光透过率为53%的样品，对超过门限的激光产生32 dB的衰减。

图15 归一化传输特性曲线

图16 归一化传输特性曲线

图17 传输特性曲线

在激光有效防护波段的研究方面，V Liberman等［33］利用脉宽为 6 ns的可调谐激光，在450～650 nm范围内对银和金纳粒子的研究发现，银纳米球和金纳米簇比金纳米球的光限幅特性更好，非线性传输性特征曲线如图18所示。

此外，Stefanie Dengler等［34－35］同样发现银纳米粒子在532 nm时可以实现低阈值、高吸收的优良光限幅特性，传输曲线如图19所示。

纳米粒子结构的光限幅材料的阻光特性较为复杂，包含一种或多种非线性机制［36］，其优良的光限幅特性可以在纳秒量级实现较高的激光能量密度衰减。但纳米结构材料作为光限幅时大多以溶液为载体，易受外界环境，尤其是温度的影响，不利于制成便携器件。目前能实现的光限幅波段较少，还不能满足实际应用的需求;并且其对光电设备成像质量的影响等方面鲜有报道。

图18 非线性传输特性曲线

图19 传输曲线

纳米粒子结构作为激光防护的潜在手段之一，未来需要进一步深入探索，包括提高材料的稳定性和损伤阈值，增大非线性系数，扩展防护带宽等。

6 微镜结构

微镜结构是将光路中的激光反射镜做成数码微镜结构(digitalmicromirror device，DMD)，由传感器获取改变量来控制微机械结构环，通过改变单元结构微镜的倾角将激光滤除。Gunnar Ritt等［37－39］将空间光调制及波长多路技术与倾斜的微镜阵列相结合实现对激光的防护。微镜结构如图20所示。强光抑制性能如图21所示。当视场中某处出现高能激光时，由检测控制单元调节相应微镜单元的倾斜程度来滤除激光。在633 nm处使激光衰减量达到37 dB。在此基础上，进一步研究了微镜控制单元的工作机制，能量低的光几乎不受影响。该结构由大小为13．68μm的微镜单元组成，每个镜子能在+12°到－12°方向旋转，波长范围在420～700 nm，而且可得到入射激光的波长，激光波长检测如图22所示。

图20 微镜结构

图21 强光抑制性能

图22 激光波长检测

数码微镜结构是一种新型的防止激光致炫的装置，可以滤除激光而不改变目标区域的空间光信息;并且依靠物理机构来抑制强光，只要器件允许，较易实现对宽波段的激光滤波，所以具有重要的应用价值。但是关于该装置的现有报道没有涉及其响应时间，而且工作波段有限。由于物理机构的惯性和现有激光纳秒级响应时间，所以减小微镜结构的响应时间，提高其破坏阈值将是未来的研究方向。

7 其他防护方式

图23 镜体结构

图24 反应时间的关系

8 总结与展望

随着激光技术的进步和广泛应用，复杂环境下光电设备的生存能力受到严重威胁，因此加强对光电设备的防护越来越受到重视，目前人们已经探索出不同的激光防护措施。

作为最成熟和获得应用最为广泛的激光防护技术，薄膜结构在特定波段上实现高光学密度方面获得了很大成功，VO2等相变材料的引入使其焕发了新的生机，但随着需要防护的波段越来越多，实用化对薄膜结构提出了越来越苛刻的工艺和成本控制要求。虽然从物理结构上看，一维光子晶体与传统的多层膜结构非常相似，但光子晶体基于光子带隙进行激光防护的设计思想则有着质的飞越，二维、三维光子晶体和缺陷结构的巧妙利用，为基于该结构的激光防护技术呈现了广阔的发展前景，但是，作为激光防护的实际应用还有赖于微纳结构加工技术的进一步成熟。基于材料种类的多样性、复杂的激光作用机理和相对简单的应用结构，聚合物和纳米结构是激光防护研究领域持续关注的对象;从应用的角度看，在未来一段时间内，这两种结构的激光防护作用在系统稳定性、激光防护波段广普性和防护品质因数(FOM)进一步提高将继续成为相关技术的研究重点。微镜结构与之前的液晶光阀等，都属于采用微纳结构控制器件实现激光防护的一类结构，只是基于反射原理的微镜结构的阻光能力更强、适用波段范围更广，但同时其结构更复杂、造价更高，因此将难以在光电设备中普遍采用。

总体而言，除了成熟的薄膜结构，迄今开展的技术研究中，采用其他激光防护结构对光电设备性能产生的影响还很少涉及;对于同属动态防护或者变光学密度防护的相变材料薄膜、聚合物结构、纳米结构和微镜结构等，其在短脉冲、超短脉冲激光的防护能力还有待进一步考察或提高;随着技术的发展和研究的深入，各种激光防护结构的抗激光毁伤能力、宽波段激光防护能力、环境适应性、应用可靠性和降低应用成本等实用化研究，依然是值得持续努力的工作方向。

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