星载激光雷达系统污染增强损伤效应及防护试验研究

焦子龙，姜利祥，孙继鹏，黄建国，朱云飞



星载激光雷达系统污染增强损伤效应及防护试验研究

焦子龙1, 2，姜利祥1, 2，孙继鹏1, 2，黄建国1, 2，朱云飞1, 2

（1. 北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程技术重点实验室；2. 北京卫星环境工程研究所：北京 100094）

真空污染环境会加剧激光诱导损伤，严重影响激光雷达系统的性能。文章对已有研究进行了分析总结，详细介绍了星载激光雷达系统污染增强损伤效应及防护试验平台的设计、试验方法及结果，归纳提出了星载激光雷达系统污染防护措施，对我国相关研究的开展提出了建议。

星载激光雷达系统;污染;激光损伤阈值;污染防护

0 引言

自20世纪90年代起，星载激光雷达系统由于具有更高的垂直和水平分辨率、不受光照条件限制、探测灵敏度高、识别能力强等特点在高分辨率地理信息获取、大气探测、深空科学探测、空间交会对接等任务中获得广泛应用。星载激光系统会经受空间高真空、极端温度变化、粒子辐射、太阳电磁辐射等复杂环境的影响，且不可在轨维护，因此相比地面应用系统需要具有更高的可靠性和寿命[1]。

星用非金属材料在空间真空、热环境下放气产生的分子污染物会沉积在光学表面或形成局部的气体环境[2-3]。这种环境与激光协同作用，将导致光学元件的激光诱导损伤阈值降低。20世纪90年代初，Hovis等人针对调Q的Nd:YAG激光器受到甲苯污染而进行的试验发现：洁净环境下光学表面在106次激光脉冲作用下表现良好，但在被污染的情况下，8000次激光脉冲即可发生激光诱导损伤[4-6]。NASA多个星载激光雷达系统，如空间激光雷达技术试验（LIDAR In-Space Technology Experiment, LITE）、火星轨道器激光高度计2号（Mars Orbiter Laser Altimeter, MOLA 2）和地球科学激光高度计（Geoscience Laser Altimeter System, GLAS）都出现过因污染问题造成的性能退化甚至失效，空间污染环境使得激光系统光学元件的损伤阈值明显降低，严重影响激光系统的可靠性与寿命[7-9]。

目前我国正在开展星载激光系统相关技术研究，因此有必要对污染环境效应给予足够的重视。本文详细阐述了污染环境下激光诱导损伤效应研究的试验设备、方法、主要结果以及防护措施，最后对国内相关研究提出了建议。

1 试验系统设计

1.1 典型试验系统组成

德国航天研究中心（DLR）研制了污染增强激光诱导损伤试验系统，如图1所示[9]。该系统由真空室及抽气系统、污染施加装置、激光器系统和损伤检测系统组成。为避免污染，采用无油真空抽气系统。被测光学元件作为窗口镜安装，即光学元件两表面分别处于大气和真空环境中。这种方式便于在线探测表面损伤。试验中典型污染增强激光诱导损伤形貌如图2所示。

图1 DLR激光系统污染研究装置

图2 典型污染增强激光诱导损伤形貌

1.2 污染物样品施加

甲苯是高分子有机材料制备的常用溶剂，且毒性较低，因此常被用来作为典型碳氢污染物进行污染测试试验。试验中，通过针阀将污染气体引入装置内，待其分压达到设定值后，关闭真空抽气系统阀门，保持该分压进行试验。

当研究特定材料放气污染的影响时，也可以采用如图3所示的蒸发室。蒸发室本体为不锈钢材质，两端安装光学元件样品1。蒸发室本体外缠绕加热带2，被测材料3放置于蒸发室内。但污染物量级在试验中难以控制。

图3 蒸发室示意图

1.3 损伤检测方法

Normaski微分相衬显微镜、He-Ne激光器散射检测是标准的损伤检测方法。为了在线检测光学元件样品表面污染情况，需要增加其他检测手段，主要采用的是原位激光诱导荧光（in-situ laser-induced fluorescence）。

沉积污染物在紫外激发下产生荧光，荧光的强度与沉积物厚度（在小于100nm范围内）成正比。因此通过电子倍增CCD检测沉积污染的动态变化，其沉积物厚度测量精度可达1nm。测量结果与白光干涉显微镜测量结果对比如图4所示。

图4 污染沉积的荧光图像与干涉图像对比

2 试验方案

星载激光系统的特点为高脉冲能量、高重频，因此激光损伤阈值测试一般采用ISO 11254-2-2001规定的S-on-1测试方法[10]。

测试试验前，真空容器、样品等应做好清洁，避免自身污染影响试验结果的准确性。例如，光学样品用丙酮擦拭，然后进行4h、150℃真空烘烤。对真空容器进行100℃真空烘烤[11]。

3 试验结果分析

3.1 分子污染累积形貌

图5给出了355nm脉冲激光辐照作用下的污染物形貌变化过程[12]。从图中可以看出，起初污染稳定增长，形成了饼状结构。随着污染膜增厚，吸收率增大，吸收的激光辐照增多，污染沉积处温度升高，污染开始脱附，在沉积污染中心处，脱附速率大于沉积速率，因此逐渐形成环形结构。试验还证明，环形中间孔随着激光能量密度的增大而增大。同时，若激光能量密度较小，则不会形成环形结构，污染物厚度随着时间延长呈线性增长。

图5 355nm脉冲激光辐照下污染物形貌及其变化

3.2 污染对激光损伤阈值的影响

德国航天研究中心的Riede等人针对355nm激光开展了污染增强激光诱导损伤的试验研究[11]。激光波长为355nm，采用的典型污染物为萘和蒽，分压为10-1～10-2Pa。光学元件样品为未镀膜、镀增透膜和高反膜的融熔石英。试验发现，污染物存在时，光学元件的激光损伤阈值降低了1个数量级。

NASA戈达德航天飞行中心的Chen等人对1064nm的激光系统污染进行了试验研究[13]。试验采用Nd:YAG激光器，波长为1064nm，平均功率2W，脉冲重复频率20Hz，光斑直径8mm。激光由光路系统辐照至真空室的窗口镜。真空室内有放气污染源，以及一套温控石英晶体微量天平监测放气量。作为放气源的试验材料为胶粘剂、导热硅脂、灌封胶等5种。试验过程中材料被加热至45、60、80℃，模拟其典型使用温度。真空室初始绝对压力为2×10-4Pa。激光脉冲能量为90.9mJ，光斑直径4mm。总脉冲数大于106次。试验发现5种材料产生的污染物均使窗口镜的激光诱导损伤阈值大大降低（无污染时为30J/cm2，有污染时为1J/cm2）。试验还发现，材料加热温度越高，污染越严重，窗口镜损伤越严重。

3.3 损伤机理

通过上述研究可发现，各种波长的激光系统在痕量污染存在的情况下都有可能产生污染增强激光诱导损伤。损伤程度与污染物成分、光学材料性质、激光特性参数等有密切关系。目前认为，由于污染物吸附于光学表面，在激光辐照的作用下发生了光催化过程，进而导致光学表面发生损伤。但由于损伤过程涉及多种复杂的物理现象，损伤的机理仍有待从理论和试验方面进行研究[12]。

4 污染防护措施

不同的激光波长、能量密度、污染物成分会产生不同的影响，因此需要仔细评估材料放气产物及其效应。但目前并不能建立洁净度、材料放气特性与污染增强激光诱导损伤的关系，因此无法定量地建立污染控制要求，使得现有的控制防护措施过于严格、苛刻。此外，由于真空热环境下材料放气无法避免，所以只能采取措施减缓污染及其环境效应，这可以从污染源控制、污染传输途径控制和光学表面防护等途径入手。

污染源分析控制的主要措施包括严格的材料筛选，硅酮类材料、聚氨酯类材料等应尽量避免使用，例如，月球轨道器激光高度计（Lunar Orbiter Laser Altimeter, LOLA）上的污染控制要求不能使用硅酮类物质[13]。若有必要，应进行材料/设备的真空烘烤，但真空烘烤只能减少污染，不能清除污染。

污染传输控制包括增加污染吸附装置等。为避免污染从源传输至敏感光学表面，可使用冷阱或者吸附剂等。为使放气产物从腔体中排出，LOLA上设计了专门的排气孔，内加过滤器[13]。在40Pa的纯氮气环境下，利用沸石作为分子吸附器，也可以有效清除污染。但是地面试验环境下受重力作用的影响，在轨时该方法的有效性还需要验证[14]。

光学表面污染防护控制包括涂覆污染防护涂层、表面精清洗等措施，以尽可能减少光学表面污染量，从而提高激光损伤阈值。Aerospace Corp.的Weiller等人针对熔融石英玻璃开发了低表面能氟化涂层，用于降低污染物黏附，试验发现带有涂层的熔融石英玻璃的激光损伤阈值增大了50倍以上[15]。而Jitsuno等人发现通过酒精清洗光学表面，激光损伤阈值可提高至2～3倍[16]。Wernham等人试验发现，通过向试验容器充入压力大于20Pa的纯氧可产生污染清除效应，有效对光学表面进行有效防护[14]，其机理有待进一步研究。

5 研究建议

星载激光系统的应用越来越广泛。NASA在激光系统风险减缓计划（laser risk reduction program, LRRP）项目开始策划时即指出，污染是激光系统的主要危险因素之一。我国正在开展星载激光雷达等相关技术的研究，因此极有必要有针对性地开展星载激光系统的常见污染物分析、污染造成的激光损伤阈值（工作寿命）测量、污染防护措施等方面的研究。而且，相关研究成果也有助于提高激光聚变装置中的污染防护水平[16]。

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（编辑：冯露漪）

Tests for contamination enhanced and laser-induced damage in spaceborne lidar system and its prevention

JIAO Zilong1, 2, JIANG Lixiang1, 2, SUN Jipeng1, 2, HUANG Jianguo1, 2, ZHU Yunfei1, 2

(1. Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory, Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering; 2. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering: Beijing 100094, China)

The contaminating environment induced by the space thermal vacuum environment aggravates the laser-induced damage of the optics, and severely degrades the performance of the spaceborne lidar system. This paper firstly reviews the related researches, then expounds on the design and the setup of the contamination enhanced and laser-induced damage effect and protection test platform, the procedure of the test and the test results. Measures for controlling the contamination of spaceborne lidar systems are summarized. Some directions for related domestic research are proposed.

spaceborne lidar system; contamination; laser damage threshold; contamination prevention

V430

A

1673-1379(2017)04-0419-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.014

焦子龙（1979—），男，博士学位，高级工程师，从事空间特殊环境及效应的实验和评价技术研究。E-mail: novanova2009@163.com。

2017-03-03；

2017-07-18