程光华，刘 佳，张 轩

(1.西北工业大学 光电与智能研究院，西安 710072；2.中国空间技术研究院西安分院，西安 710000；3.西安尚泰光电科技有限责任公司，西安 710065)

0 引言

微波探测技术已经渗透到国民经济、国防建设和日常生活的方方面面，随着探测精度需求的提升，微波频率已经从早期的MHz波段发展到GHz波段，波长从米、分米、厘米发展到毫米甚至亚毫米。毫米波通常指波长位于1～10 mm范围内的电磁波，频率范围为30～300 GHz。毫米波位于传统微波与远红外光波的中间区域，兼顾微波和远红外光波的特点，同时也具有带宽大、波束窄、分辨率高等优点，在目标探测、遥感、制导、无线通信等领域具有广泛的应用前景[1-4]。通常大气层中水汽、氧气会对电磁波有吸收作用，目前绝大多数毫米波应用研究集中在几个“大气窗口”频率和三个“衰减峰”频率上。所谓的“大气窗口”是指电磁波通过大气层较少被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段。毫米波传播受到衰减较小的“大气窗口”主要集中在35、45、94、140、220 GHz频段附近。而“衰减峰”在54、118、183 GHz频段附近衰减出现极大值，衰减峰频段在微波遥感领域具有重要的应用价值。其中54 GHz和118 GHz为氧分子吸收窗口，用来测量地球表面大气温度分布；183 GHz和325 GHz通道对应H2O的吸收窗口，用于测量地球表面大气湿度分布[5-7]。

随着多频率、多极化和集成化的需求，多通道的准光学馈电系统是毫米波遥感雷达的核心技术。自1931年Karplus首次定义准光波概念起，国内外对准光理论及技术的研究开展了很多工作。从对高斯波束理论的分析逐渐发展到研制完整的准光系统，目前准光学器件与技术已大量应用在射电天文系统和微波辐射计领域[8-10]。准光学馈电网络主要包括频率选择表面(frequency selective surface,FSS)、极化分离器、曲面反射镜等器件。其中FSS主要实现分离不同频段电磁辐射信号的功能，是准光学馈电网络的关键器件[11]。FSS中结构单元的周期排布形式、厚度等参数都会直接影响到FSS的传输性能。针对FSS的网格结构与传输性能之间的相互联系，国内外进行了大量的研究，相较于传统波导结构，准光学技术具有损耗低、频宽大、结构易实现、设计灵活等优点，且能够实现对毫米波的兼容，但常见的多层结构受限于精密加工工艺，目前只局限于仿真研究。通过尝试新型的加工工艺，对比不同网格结构的优缺点，才能更好地降低传输损耗，提升FSS的传输性能，降低加工工艺成本[12-15]。

本文主要针对54 GHz和183 GHz双波段大气遥感的需求，设计了具有工程应用前景的圆柱孔阵列钛合金准光频率选择面，圆柱孔阵列参数为：小孔直径1.12 mm，小孔间距1.34 mm，基片厚度1.1 mm，小孔数量9 836。采用飞秒激光微加工技术制作了有效口径150 mm的钛合金准光频率选择面，利用桌面式空间波束传输测试系统测试了频率选择面的传输与反射特性，并在准光学馈电系统样机上进行了演示验证。

1 频率选择面的设计与分析

准光频率选择面(quasi-optical frequency selective surface，QO-FSS)物理机制来源于表面等离子体共振导致效应，开创性的工作属于Pendry[16]和Ebbesen[17]，前者在理论上阐明了金属介观结构产生极低频率表面等离子体的机制，后者实验上首次证实了基于表面等离子体共振的电磁波异常增透效应，为QO-FSS的设计制造带来了新思路。QO-FSS多是二维或三维方向周期排列的金属贴片阵列或金属片上的微小结构阵列，微小结构形式很多，有各种形状的金属孔径、线栅结构、C型开口谐振环及其变种、电谐振电感电容等[18]。考虑到实际工程应用，采用了圆孔阵列金属孔径的方法，一是该结构便于加工，其次是耐冲击和震动，具备星载使用条件。

FSS是馈电网络中实现频率分离的核心部件，由大量相同周期单元排列组成的平面结构，不同结构单元形式可以分别实现高通、低通、带通等频率滤波特性[9]。根据馈电网络中的频率分离方案，需要将54 GHz和183 GHz频率信号有效分离，设计中采取高通滤波器的结构形式，为了进一步减小插入损耗，FSS选取圆形穿孔单层平板结构形式，单元周期采用六边形排列方式[19-22]。FSS的HFSS仿真模型如图1所示，结构参数如表1所列。几个核心参数为：圆柱形孔间距为1.34 mm、圆柱形孔直径为1.12 mm、金属基板TC10厚度1.1 mm、有效孔径150 mm。其中 54 GHz 频率通道为典型氧分子吸收窗口，用来作为测量地球表面大气温度分布，183 GHz 频率通道用于测量地球表面大气湿度分布。图2为FSS器件传输与反射特性的仿真曲线，设计损耗小于0.3 dB。

(a)周期排布

表1 FSS结构要求

(a)FSS的传输特性

对相同群孔尺寸、不同厚度和不同材料的FSS进行结构力学分析，同时开展了状态热变形和冲击分析，模拟验证了所有的结构都具有足够的安全裕度。采用有限元方法，分析铝合金和钛合金的应力相变，如图3所示。结果显示：材料为铝合金时，最大变形位置在模型中间位置，对应的最大变形量0.012 mm；材料为钛合金TC10，最大变形量0.008 2 mm；可以看出钛合金的最大变形量比铝合金降低了46%。热应力和热变形分析须验证结构可以接受预估的温度和梯度，并能在设定温度范围内正常工作。当决定结构的强度时，热应力的影响要与装配预应力的影响一起考虑。必须进行部件在最恶劣热环境和接口条件下的热变形分析。

(a)铝合金基材分析结果

2 超快激光微孔加工技术

金属材料的群孔加工方式主要有传统机械钻孔、电化学加工、电子束和激光束加工。机械钻头和电火花电极均有损耗，因此加工群孔的前后一致性较差，机械加工的应力形变也是无法接受的。高能电子束和激光束均属于无接触、无应力的加工方式，适合薄壁件的加工；而激光束加工无需真空环境，操作方便。设计的QO-FSS有小孔9 836个，加工成本也是一个重要因素，最终选择了飞秒激光加工技术。

2.1 超快激光加工机理

飞秒激光与金属、半导体、电介质均展现出强烈的非线性吸收特性，经典的实验是麻省理工学院于1984年报道的飞秒激光导致的光电效应，实验用光子能量2 eV的飞秒激光在逸出功4.3 eV的金属钨上激发了光电流[23]。短脉冲激光加工过程中电子能量的非平衡传输过程，由于电子热容远远小于格子热容，在飞秒尺度会出现电子温度与格子温度不同的双温现象，理论和实验均证实了电子温度在飞秒量级迅速升高，在皮秒量级下降至格子的温度[24]。飞秒激光金属材料去除的三种物理机制按照时间先后顺序依次是高温电子动力学压力、相位爆、热力学机制。电子动力学压力p=2CeTe/3，其中Ce是电子热容，Te是电子温度，激光加工过程中的峰值功率密度达到1014W/cm2，电子产生的压力可达200 GPa，足以破坏晶格，去除材料[25]。随着电子的能量不断传递到晶格，晶格温度也会迅速升高，这个时间尺寸在皮秒量级，金属很快发生非临界融化和升华，发生相位爆，部分元素挥发，在激光场作用下部分元素发生电离，表面喷发原子团或者离子团，通过时间飞行质谱仪能够观测到这一过程[26]。表面材料的溅射、消融坑的形成是一个瞬态的热力学过程，最终在微秒量级终止[27]。激光的部分能量通过等离子体辐射、相位爆等方式消耗掉，残余热量按照傅里叶热传输模式传递到块体材料或环境中；在空气环境下，由于激光电场作用和热力学作用，金属会发生氧化或氮化等化学反应，消融坑底部和边缘氧化物含量明显升高。

与纳秒、微秒长脉冲激光相比，飞秒激光与物质相互作用过程中的非线性效应能够实现极小的纳米尺度加工。在石英玻璃上实验证实，聚焦光斑2 μm左右的超短脉冲激光能够制造直径小于300 nm、深径比超过10 000∶1的纳米孔[28]。其次，飞秒激光加工只有很少部分能量最终转换成热，激光切割横截面发生热熔、再凝固的区域很小，加工镍基高温合计气膜孔的测试发现，通常重铸层小于1 μm。再次，飞秒激光拥有的极高峰值功率，能够诱导材料发生多光子电离或者隧道电离，无论是金属、半导体、电介质飞秒激光都具备可加工性。材料去除机理与材料的硬度没有关系，因此可以加工金刚石、蓝宝石、碳化硅、钇铝石榴石等超硬材料，飞秒激光加工技术是微纳加工一种重要方式[29-32]。

2.2 孔形控制技术

常用于精密加工的激光器，输出的光束为高斯光束，空间强度分布遵从高斯函数外形，中心强度高、边沿强度低，导致被加工样品焦点中心区域激光强度高、等离子体浓度高、材料去除速度快，而在边沿区域激光强度低，材料去除速度慢，切割横截面呈现V形或者倒梯形[33]，如图4(a)所示。要实现柱型孔或者倒锥孔的加工，需要对光束进行特殊的控制，原理如图4(b)(c)所示，聚焦的光束一侧需要与待加工微孔的孔壁平行[34-36]。此时，光束的中心与聚焦镜光学主轴的中心不重合，且有一定夹角；夹角的大小取决于待加工孔的参数和聚焦镜的参数。图4(b)是用一对光楔实现的，进入第一个光楔和从第二个光楔输出的光线平行，这对光楔仅仅起到光束横向移动的作用，故称之为横向移动模块。对于圆柱形孔的加工需要横向位移模块旋转，通常用同步带或者空心力矩电机实现。为了实现不同孔径的圆柱孔加工，再采用一对小角度的光楔实现，如图4(d)所示，通过控制伺服电机的速度，设置两个小角度光楔的相对角度差，即可实现不同直接圆环的扫描。由此看出，圆柱孔的加工主要是控制聚焦光束的偏摆和指向，通过两对光楔可以实现。

(a)V形 (b)倒锥形 (c)柱形 (d)梯形

加工频率选择面的装置中，第一个光楔的夹角为10°，间距10～100 mm可调，能够提供最大6.8 mm的横向位移，对于直接8 mm的激光束，已经完全偏离了聚焦镜的中心。为了减小非旁轴入射导致的彗差，就需要用非球面聚焦镜。第二对光楔采用角度1.0°的光楔，针对焦距100 mm的聚焦镜，能够加工200～1 550 μm的圆孔。然而锥度的控制与z轴的进给速度有关，不同的材料去除速率不同，需要针对性的优化[37]。另外飞秒激光加工钛合金、铝合金、镍基合金的效率略有不同，针对不同的材料需要优化z轴的进给速度。图5是用515 nm飞秒激光加工2 mm厚钛合金小孔的入口和出口扫描电子显微镜的图片；图6是用515 nm飞秒激光加工2 mm厚钛合金小孔的入口和出口样品倾斜45°的扫描电镜图片，便于看清小孔内部形貌。入口小孔直径589 μm，出口直径595 μm，出口略大于入口，为负锥度。入口的边沿有少量碎屑，小孔内壁有条纹状区域，可能与加工过程中表面残留的碎屑有关。出口端边沿清晰、无碎屑，孔内部光滑。从上面的柱形孔加工原理可知，孔径越小、孔深越深锥度控制就越难；在加工频率选择面群孔阵列的参数与加工0.6 mm柱形孔的光束螺旋扫描的参数相同。

(a)入口照片

(a)入口照片

由于群孔数量多、加工周期长，群孔加工的一致性是该领域的一个技术难题。高阻尼、高稳定的大理石支撑结构、高可靠性的运动控制系统、可24小时工作的高稳定飞秒激光光源是QO-FSS加工质量的保证。飞秒激光加工系统采用美国Aerotech公司的ALS50060、ALS50030、ATS20020直线电机精密运动平台和A3200数控系统，单轴定位精度±1.0 μm、重复定位精度±0.4 μm，x，y轴组合后精度在±5 μm以内，能够保证圆孔间距、圆孔位置偏差在10 μm之内。激光器采用Yb:KGW飞秒激光再生放大器，1 030 nm波段输出平均功率15 W，515 nm倍频光输出功率7.5 W，24小时功率稳定性优于RMS 1%，能够保证加工质量优良的重复性和一致性。

3 频率选择特性测试与分析

加工频率选择面的激光波长515 nm的飞秒光源，脉冲宽度约300 fs、重复频率100 kHz；聚焦镜焦距100 mm，修正聚焦光束直径后的圆孔直径为1.12 mm。孔径测量和孔间距测量采用光学显微镜测量法，随机测量了10个孔径和孔间距，具体数值如表2所列，正面孔径精度误差+0.057～+0.064，反面孔径精度误差为+0.006～+0.015。正面孔位置偏差为-0.003～+0.008，反面孔位置偏差为-0.005～+0.009。

表2 中心处孔径及其位置测量结果

测试FSS产品及桌面式测试系统如图7所示，其中测试系统主要由扩频模块、发射/接收天线、矢量网络分析仪以及安装校准支架组成。通过对加工试件进行传输性能测试，测试曲线如图8所示，可以看出与仿真曲线形状基本一致，损耗相差约0.15 dB，主要是由于加工误差和测试误差引起的。

(a)FSS产品实物

图8 FSS传输系数测试结果@175～191 GHz

4 结论

针对毫米波、亚毫米波探测多频段多极化的需求，提出和设计了圆柱孔阵列毫米波辐射计天线前端QO-FSS，并利用飞秒激光微加工技术制作了有效口径150 mm、阵列间距1.34 mm、孔径1.12 mm的金属圆柱孔阵列QO-FSS。测试分析表明设计和加工的QO-FSS能够实现54 GHz 和 183 GHz双波段、H/V 双极化的同步接收。通过对准光学馈电系统样机的传输特性和散射特性的实验测试，显示了飞秒激光加工群孔优良的一致性，验证了飞秒激光加工大尺寸频率选择面的有效性和可行性。