李 林，赵印中，许 旻，田 海

(1.兰州空间技术物理研究所，表面工程技术重点实验室，甘肃兰州730000;2.兰州空间技术物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，甘肃兰州730000)

1 引言

角反射器又称角锥棱镜，是具有空间定向反射特性的光学元件。广泛应用于激光测距、激光通信等领域。在用于卫星激光测距时，星上角反射器和地面激光测距站合作，共同完成地面与卫星之间的精密测距工作，所以角反射器也被称为激光测距的合作目标。有效反射面积是角反射器的一项重要参数，其大小决定了反射回地面测距站的激光信号的强弱［1］。本文涉及的镀膜角反射器是指在反射面镀制了高反射膜的角反射器。镀膜的作用是增大角反射器的工作角度范围，从而增加有效反射面积，延长地面测距站对在轨卫星的跟踪弧段。目前，镀膜角反射器在国外已广泛地应用于卫星激光测距领域，ADEOS地球观测卫星采用了镀制高反射银膜的角反射器，GPS全球定位系统卫星采用了镀制高反射铝膜的角反射器［2］。另外，由于中低轨卫星上角反射器的使用角度范围大，光束入射条件分布范围广，使用镀膜角反射器已成为发展的必然趋势。

为了适应镀膜角反射器未来空间应用的发展方向，开展了对镀膜角反射器的辐照试验，以验证其空间应用的可行性和空间辐照环境下的性能稳定性。

2 试验过程

2.1 镀膜角反射器结构与反射率测试

角反射器由宇航级的熔石英玻璃加工而成，是由3个相互垂直的直角面(反射面)和底面(入射面)构成的四面体锥状棱镜，靠近底面部分通常采用底面内切圆切割。在理想情况下，激光束从角反射器的底面入射，相继经过3个直角面的反射后，从底面出射，出射光与入射光平行但方向相反，如图1所示。

图1 镀膜角反射器结构示意图

采用磁控溅射法在角反射器的3个反射面镀制了金属反射膜。镀膜设备为KJLC3000型磁控溅射镀膜机。镀制的反射膜厚度均匀，附着力良好。通过测试角反射器的激光反射率评价反射膜的膜层质量和光学品质。

由于角反射器特有的“回射”功能特点，无法用一般的光学检测仪器对其反射率进行直接测量，搭建了如图2所示的角反射器反射率测试平台，其中激光源为He－Ne激光器，激光波长为632.8 nm，监测功率计用于实时检测激光器的发射功率P1，出射光功率计用于检测镀膜角反射器出射光的功率P2。

图2 镀膜角反射器激光反射率测试原理图

角反射器对特定波长激光的反射率称为激光反射率，文中激光反射率特指激光波长为632.8 nm的反射率。在测试激光反射率时，激光器发射的激光束，经分光镜的反射和透射后，一部分入射至监测功率计内，另一部分入射至角反射器的表面，再由角反射器和分光镜的反射，入射至出射光功率计内。根据监测功率计和出射光功率计分别测得功率值P1和P2并结合光学反射率的定义，可以得到激光反射率的计算公式

式中 $为分光镜的透过率;γ1和γ2分别为监测功率计和出射光功率计的修正系数。利用式(1)对测得的2个功率值P1和P2进行处理得出激光反射率数值。

对于波长为632.8nm的激光，制备的镀膜角反射器样品实测反射率均达到0.80以上。

2.2 辐照试验

激光测距的功能特点决定角反射器安装于星体外壳，处于空间辐照环境下。带电粒子辐照以及紫外辐照是必须要考虑的空间辐照环境因素。带电粒子辐照试验和紫外辐照试验分别在兰州空间技术物理研究所的空间综合辐照环境模拟器和紫外辐照设备上进行。同时对3件镀膜角反射器试样进行了试验。先进行电子辐照试验，然后进行质子辐照试验，最后进行紫外辐照试验。

卫星上使用的角反射器是以若干个角反射器组成阵列的形式出现的，每个角反射器安装在金属套筒中并固定于一定形状的基座上。实际应用时反射面镀制的高反射膜处于石英结构和金属套筒的保护之下。

熔石英玻璃制作的角反射器，早已成功应用于卫星的激光测距任务，说明熔石英玻璃具备优良的抗辐照性能。考虑到实际应用时石英结构和金属套筒对带电粒子一定的屏蔽作用，而本试验重点考察的是反射膜，所以带电粒子辐照以镀膜角反射器的反射面为辐照面，直接验证反射膜的抗辐照性能。对于带电粒子的能量选择，目前各国辐照环境试验参数都有一定差异，表面薄膜材料的试验评价以中低能带电粒子的辐照为共性趋势。因为带电粒子辐照试验时，在光学吸收层以外的能量传递不会对材料的光学性能产生大的影响，如果粒子能量过高，粒子的射程将超过光学吸收层厚度，因此选择能量较低的粒子进行试验［3～5］。

紫外辐照以镀膜角反射器的入射面为辐照面。对于紫外辐照参数的确定，根据国外研究经验表明，从紫外退化角度看，5 000 ESH(等效太阳小时)足以反映空间太阳紫外环境对材料的退化作用［6］。因此，5 000 ESH紫外辐照总量能够完全满足空间太阳紫外环境对材料性能退化影响的试验研究。

综上所述，结合试样特点与设备条件，确定了辐照试验条件，电子、质子辐照试验条件见表1所列，紫外辐照试验条件见表2所列。其中，表1所列的电子、质子辐照总注量较小，是因为考虑了角反射器的结构特点，模拟作用于角反射器反射膜的实际辐照量，相当于低地球轨道在轨3年的辐照剂量。

表1 镀膜角反射器带电粒子辐照试验条件

表2 镀膜角反射器紫外辐照试验条件

3 结果与分析

与镀膜角反射器空间环境适应性紧密相关的因素主要有两方面。一方面是熔石英玻璃的质量，另一方面是金属反射膜的质量。带电粒子辐照过程中，穿透金属膜的带电粒子会作用于熔石英玻璃，虽然有良好的抗辐照性能，但由于熔石英玻璃杂质缺陷与结构缺陷的存在也会产生辐照衰退效应，缺陷在经过辐照后会产生相应的色心，从而对特定谱段的光产生吸收。常用激光波长对应的吸收主要有Al杂质心(550 nm)、NBOHC(620 nm)等。带电粒子以及紫外辐照对金属膜本身的影响不大，但镀膜工艺需要解决好膜层的附着力、致密性及均匀性，如果解决不好，辐照后可能会出现膜层颗粒散射增大导致的反射率下降，甚至出现气泡以及膜层的脱落。

试样经电子辐照和质子辐照后，反射膜膜层外观完好，说明磁控溅射法镀制的金属膜质量良好，同时也验证了金属膜在辐照环境下的稳定性。从镀膜角反射器入射面观察，熔石英玻璃也没有产生变色的现象。

表3是带电粒子辐照前后激光反射率的测试结果，对波长为632.8 nm的激光束，3件试样在电子辐照后、质子辐照后反射率均无明显变化，说明熔石英玻璃在该谱段没有产生辐致色心的吸收，同样也说明材料中相应的杂质元素含量极低，一般认为宇航级的熔石英玻璃杂质元素含量低于1×10－6［7］。对于其他波段的反射率，辐照可能存在一定影响，由相关文献的研究结果表明［8，9］，在经过带电粒子辐照后，石英玻璃中的固有缺陷会产生E’色心等色心，会对近紫外波段光波产生一定吸收，但这种辐照效应不会影响可见及红外波段。总之，测试结果说明了低能带电粒子辐照对镀膜角反射器激光反射率的影响很小。

对经过带电粒子辐照的3件试样进行了5 000 ESH的紫外辐照。经紫外辐照后，镀膜角反射器反射膜膜层外观完好，熔石英玻璃也没有产生变色的现象。

表3 带电粒子辐照前后镀膜角反射器的激光反射率(λ=632.8 nm)

为了跟踪紫外辐照过程中镀膜角反射器激光反射率的变化规律，对紫外辐照过程中不同辐照剂量下角反射器的激光反射率进行了测试，具体结果见图3所示。在整个辐照过程中，对波长为632.8 nm的激光束，3件试样反射率均没有明显变化。高质量的熔石英玻璃本身具备良好的抗紫外辐照性能，在近紫外辐照条件下，可以认为辐照对材料的影响可以忽略，也就是说熔石英玻璃对反射率产生的影响可以忽略。紫外辐照对金属反射膜本身的影响也可以忽略。重点在于膜层与石英玻璃界面的性状有没有受到紫外辐照的影响，试验结果显示没有明显影响。

另外，由图3可以看出，在试验后半程(辐照剂量超过2 200 ESH后)，反射率曲线趋于平稳并出现略微增大的趋势。这可以解释为长时间的紫外辐照改善了反射膜界面的散射情况从而提高了反射率。总之，近紫外辐照对镀膜角反射器激光反射率的影响也很小。

图3 紫外辐照剂量与镀膜角反射器激光反射率对应关系

4 结论

对采用磁控溅射法镀制金属反射膜的角反射器进行了能量为100 keV、总注量为1.9×1014e/cm2的电子辐照试验和能量为100 keV、总注量为3.0×1014p/cm2的质子辐照试验以及5 000 ESH的近紫外辐照试验，对于波长为632.8 nm的激光，在辐照试验整个过程中，反射率没有明显变化，说明试验对应的低能带电粒子辐照以及近紫外辐照对镀膜角反射器光学性能影响很小，验证了镀膜角反射器良好的空间辐照环境稳定性。

另外，熔石英玻璃良好的抗辐照性能是镀膜角反射器抗辐照性能的基础。磁控溅射法镀制的金属反射膜可以满足镀膜角反射器未来空间应用的要求。可以说，高质量的熔石英玻璃、高精度的玻璃加工工艺以及良好的反射膜膜层质量在解决了镀膜角反射器高反射率的同时，也决定了镀膜角反射器良好的空间辐照环境稳定性。

在进一步的研究工作中，需改进角反射器反射率测试方法，考察一定波长范围内的激光反射率的变化情况，实现波长为350 nm至2 000 nm激光的反射率测试。

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