大气激光雷达探测系统中镀膜镜片的环境试验研究

石澎++张宁++王瑞生++吴姚莎++王丽荣

摘 要 对大气激光雷达探测系统的结构和工作原理进行了简单介绍，针对其使用环境，在参考《光学薄膜元件环境适应性试验方法》（GB/T26331-2010）的基础上，设计了大气激光雷达探测系统中镀膜镜片的环境可靠性试验。

【关键词】激光雷达 镀膜镜片 国家标准 环境可靠性

1 引言

随着全球工业化和城镇化进程的不断加快，人类在改造自然造福自己的同时，向大气排放了各种污染物，这些污染物不但远远超出了地球生态系统的自我净化能力，还已经严重威胁到了人类以及各种生物的健康与生存。尤其是近些年来，高浓度大气细颗粒物引发的雾霾天气，呈现出频率越来越高、强度越来越大、范围越来越广的特点，给人们生活、交通带来诸多不便的同时，也严重影响了人们的健康和生活质量。

当前大气污染的形势严峻，必须采取有效措施进行防控和治理，而高效的大气污染检测是非常关键的一个环节。大气污染的治理，离不开强有效的监测手段，只有精确、快速地检测出大气污染的来源、成分、浓度、颗粒物尺寸等信息，才能采取有效手段，进行治理。随着激光技术的发展，激光雷达探测技术开始广泛用于监测大气颗粒物。

2 大气激光雷达探测技术

自20世纪60年代世界上第一台激光器问世以来，激光以其单色性好、方向性强、能量集中等优点，在科学技术、国防军事以及民用等各个领域中得到了广泛的应用。激光雷达是通过探测远距离目标的散射光特性来获取目标相关信息的光学遥感技术[1]。激光雷达技术具有分辨率高、探测灵敏度高、抗干扰能力强、探测距离远、实时性强等优点，可以有效探测气溶胶、大气颗粒物成分、温度和湿度等方面的变化，实现对大气污染物进行有效的监测，是一种非常有前景的大气颗粒物探测技术[2]。

大气颗粒物探测激光雷达系统主要由激光器输出系统、光电探测器、信号处理系统等部分组成等组成，应用到的光学系统主要包括扩束镜、望远镜和准直镜[3]，大气颗粒物激光雷达探测系统的结构如图1所示。

大气中污染物的成分非常复杂，颗粒物直径变化范围也非常大，根据颗粒物的种类和颗粒物的大小需要采用合适的探测方法和激光波长，常用的激光波长有387nm，407nm，532nm，607nm等。大气颗粒物激光雷达探测的方法主要有：瑞利散射法、米氏散射法、共振散射法和荧光散射法、共振吸收法、多普勒频移测量法、、共振喇曼散射法等。不同的激光波长对扩束镜、望远镜和准直镜所使用的光学镜片都有不同的设计要求，可以说光学镜片就是整个探测系统的眼睛，是确保整个探测系统正常运行的关键环节。

光学镜片在经过设计和光学冷加工后，还需要进行光学镀膜处理，才能更好的发挥其作用。由于是用于大气颗粒物测量，这些光学镜片必须要经受复杂天气状况的冲击，所以为了保证大气激光雷达探测系统在使用过程中，不因镜片的损坏而导致探测系统的瘫痪，必须要对镜片就行严格的环境可靠性测试。

3 环境试验的项目选择

为了应对复杂多变的大气状况，要有针对性地设计测试项目，尽可能模拟真实的使用环境。

3.1 摩擦试验

风沙天气、安装或者使用过程中的剐蹭，会对镜片的表面造成伤害，所以要设计耐摩擦试验。对于激光准直镜，由于该系统通常在室内环境或密闭环境中使用，不直接暴露在户外，其试验严酷等级可略低，试验采用脱脂棉纱布，在4.9N垂直压力下对镀膜镜片进行固定轨迹的往复摩擦，25个来回（50次）；对于扩束系统及望远镜系统的镜片，有可能会暴露在户外大气条件中，受户外环境影响较大，所处环境也更为复杂，一般可采用严酷等级更高的实验条件，试验采用橡皮，在4.9N垂直压力下对镀膜镜片进行固定轨迹的往复摩擦，20个来回（40次）样品试验后无损伤、剥离、划痕。

3.2 恒温恒湿试验

以我国为例，南方有些地方的夏季室外温度达40℃以上，而北方冬季温度低达-30℃以下，广东更有相对湿度接近100%的潮湿天气。试验将镀膜镜片分别置于55℃保持16小时，-40℃保持16小时，从常温开始升温或者降温的速率为3℃/min，相对湿度不超过40%，特别是低温试验时注意样品表面不能有凝露产生。样品试验后无起皮、起泡、剥离、裂纹等缺陷。

3.3 浸泡和水煮试验

雨水、露水以及人员操作时的汗液也会侵蚀镜片。试验方法包括水煮、浸泡，浸泡的溶液包括蒸馏水和浓度为5%的氯化钠盐溶液（pH值在6.5-7.2之间）。试验方案为：水溶液浸泡96h，盐溶液浸泡6h，沸水煮5min。对于激光准直镜，可采用水溶液浸泡96h和盐溶液浸泡6h实验；对有可能会暴露在户外大气条件中的扩束系统及望远镜系统，其镀膜镜片可采用盐溶液浸泡6h和沸水煮5min实验。每次结束后，进行恢复处理。样品试验后无起皮、起泡、剥离、裂纹等缺陷。

3.4 温度循环试验

气温的变化也会对镜片带来冲击，不过在自然界中气温的变化的幅度和速率一般不会太大，例如在12h内，夏天可能从40℃降到20℃；冬天可能从10℃降到-30℃。本试验在-40℃-70℃之间循环5次，温度变化速率1℃/min。样品试验后无起皮、起泡、剥离、裂纹等缺陷。

3.5 盐雾试验

由于大气污染带来的酸雨、酸雾会对镜片造成腐蚀。需要专门的盐雾试验装置进行测试。本试验温度35℃、盐雾浓度为5%、ph为7，保持24h。

3.6 附着力测试

主要是考量薄膜与镜片的结合能力，可以采用胶带进行测试。采用180°的剥离强度为7N/25mm左右的透明胶带，贴在镀膜镜片上以25mm/s的速度垂直拉离。样品试验后无起皮、起泡、剥离、裂纹等缺陷。

以上为单项试验项目，光学薄膜元件环境适应性试验方法（GB/T26331-2010）中指出，相比于单项试验，综合试验能够更好地模拟实际环境，以检验镀膜镜片的环境可靠性，因此参考其推荐的顺序，本项目可以采取的顺序为见图2。且每个试验进行完后，都要进行恢复处理，以防止干扰其他项目的测试。

试验顺序这样安排的依据是：根据各试验项目对膜层以及基底（镜片）的损伤程度按照“由轻到重、由干到湿”的顺序排列。附着力作为薄膜最基础的一个指标，应该首先考虑，如果附着力不够好，进行其他试验都是没有必要的；温度试验循环试验、恒温恒湿试验、水煮和浸泡试验根据由干到湿排序；摩擦试验放于水煮和浸泡试验之后是对前面几项检验结果的再检验，盐雾试验放于最后是因为会对基底造成腐蚀，影响对薄膜的准确评估。

4 结束语

本文对大气颗粒物激光雷达探测系统中镀膜镜片的试验进行了设计，其试验项目以及试验指标都考虑了大气环境中的各种实际情况，比较有针对性。目前光学系统所使用的光学镜片基本都需要镀制各种类型的光学薄膜，为了保证光学系统的正常使用，光学薄膜镜片在使用前，都要进行相关的环境可靠性试验。不同的使用环境，对光学薄膜镜片的考验不同，例如在一些较高功率的激光系统中，还要考虑镀膜镜片的激光损伤阈值。镀膜镜片环境可靠性试验的设计，不应该片面追求过多的试验项目和过高的试验指标，而应该根据具体的使用环境有针对地进行设计，防止“过度试验”。

参考文献

[1]赵一鸣，李艳华，商雅楠，李静，于勇，李凉海. 激光雷达的应用及发展趋势[J].遥测遥控，2014（05）：4-22.

[2]陈士英，张平贵，卢俊平.激光雷达技术及其在大气环境监测中的应用[J].内蒙古科技与经济，2010（02）：85-86+91.

[3]刘波，赵一鸣，李菁文，李凉海，于勇.大气探测激光雷达望远镜设计方法研究[J].遥测遥控，2014（02）：37-42.

[4]阴晓俊，费书国，王瑞生等.光学薄膜元件环境适应性试验方法（GB/T26331-2010），2011（06）.

作者简介

石澎（1983-），男，山东省兰陵县人。现为中山火炬职业技术学院讲师/在读博士。主要研究方向为光学薄膜技术。

作者单位

1.中山火炬职业技术学院光电工程系 广东省中山市 528436

2.沈阳仪表科学研究院有限公司 辽宁省沈阳市 110043