段微波，劉保劍，莊秋慧，蔣林，李大琪，余德明，秦楊，倪榕，李耀鵬，周晟，于天燕，劉定權(quán)

（1 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

（2 重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

0 引言

1957 年10 月4 日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik-1 發(fā)射入軌，標(biāo)志著人類航天時代的開始。1958年，美國將Explorer-6 衛(wèi)星發(fā)射入軌，該衛(wèi)星發(fā)回了世界上第1 張從太空拍攝的地球圖像，開啟了人類衛(wèi)星光學(xué)遙感探測的新一頁。1970 年4 月24 日，我國成功發(fā)射的東方紅一號衛(wèi)星，開創(chuàng)了中國航天史的新紀(jì)元；1975 年11 月26 日，搭載光學(xué)遙感相機(jī)的返回式衛(wèi)星0 號成功發(fā)射，獲得了地物目標(biāo)照片，由此推動了我國星載光學(xué)遙感技術(shù)的不斷突破與發(fā)展。

遙感技術(shù)作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重大成就之一，是人類認(rèn)知客觀世界的有效手段。氣象預(yù)報、資源勘探、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害評估、深空探測等領(lǐng)域的需求，推動了空間紅外遙感技術(shù)的飛速發(fā)展。在空間紅外光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)薄膜元件承擔(dān)著光學(xué)能量傳遞、光學(xué)譜段的劃分與分配、工作波段的限定與帶外抑制、系統(tǒng)偏振靈敏度的調(diào)控等功能。

經(jīng)過100 多年的變革與演化，薄膜光學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為近代光學(xué)的一個重要分支，光學(xué)薄膜的制造業(yè)已完全成為一個獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)?？臻g光學(xué)薄膜技術(shù)在理論上并無特殊之處，但薄膜元件工作的特殊環(huán)境，對其空間環(huán)境適應(yīng)性和膜層可靠性都提出了較高要求。空間環(huán)境中，溫度交變、紫外輻照、帶電粒子轟擊以及原子氧刻蝕與氧化等都會使得光學(xué)薄膜材料發(fā)生性能改變，從而影響薄膜元件的性能?？臻g飛行器離地面的距離近則數(shù)百公里，遠(yuǎn)則超過百萬公里。迄今為止，除了空間站和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡等少數(shù)空間儀器有過維修報道，絕大多數(shù)空間遙感儀器是難以維修的，因此要求薄膜元件有極高的可靠性。為了保證空間薄膜元件的性能滿足使用要求，通常要從設(shè)計、工藝、性能測試等多個方面進(jìn)行嚴(yán)格的控制，還要對其進(jìn)行嚴(yán)格的空間環(huán)境模擬試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)。

早在20 世紀(jì)50 年代，國外已有研究機(jī)構(gòu)開始從事空間紅外光學(xué)薄膜技術(shù)的研究工作，以英國雷丁大學(xué)紅外多層膜實(shí)驗(yàn)室［1-3］和美國Viavi Solutions 公司為代表的單位，為美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、歐洲航天局（European Space Agency，ESA）以及其他國家的航天局提供紅外光學(xué)薄膜解決方案，代表了國際先進(jìn)水平。我國從事空間紅外光學(xué)薄膜研究工作可追溯到20 世紀(jì)60 年代，以中國航天科工集團(tuán)津航技術(shù)物理研究所［4-5］、中國航天科技集團(tuán)蘭州空間技術(shù)物理研究所［6-7］、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所［8-9］等為代表的單位，承擔(dān)了大量空間紅外光學(xué)薄膜產(chǎn)品的研制工作，并且各具特色和技術(shù)優(yōu)勢。

本文從空間遙感系統(tǒng)對紅外光學(xué)薄膜的技術(shù)要求出發(fā)，按照薄膜元件在系統(tǒng)中發(fā)揮的作用，分類介紹其在空間光學(xué)遙感儀器中的典型應(yīng)用。結(jié)合近年來的新需求、新應(yīng)用、新進(jìn)展，對空間紅外光學(xué)薄膜技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 空間紅外光學(xué)薄膜的分類與典型應(yīng)用

空間光學(xué)遙感儀器廣泛應(yīng)用于氣象預(yù)報、地球測繪、天文觀測等領(lǐng)域，因探測距離遠(yuǎn)、口徑大、體積重量受限等原因多采用反射式光學(xué)系統(tǒng)。為獲取盡可能多的目標(biāo)信息，其光譜覆蓋范圍一般都比較寬，工作譜段跨越近紫外到長波紅外的情況也較常見。為準(zhǔn)確獲取目標(biāo)的細(xì)節(jié)特征，需要對工作波段的光譜進(jìn)行精確的限定；此外，為了提高系統(tǒng)信噪比，需要對特定波長的光譜進(jìn)行高效抑制。基于以上原因，反射鏡、分色片、分束器、濾光片、透鏡和窗口等是空間光學(xué)遙感系統(tǒng)中出現(xiàn)頻率較高的光學(xué)薄膜元件。

1.1 反射鏡

空間光學(xué)儀器的探測距離可從百公里延伸至光年，為了提升系統(tǒng)對目標(biāo)光束能量的收集能力和對目標(biāo)細(xì)節(jié)的分辨能力，需要提升光學(xué)系統(tǒng)的口徑。透射光學(xué)元件由于材料均勻性和缺陷等因素的限制，難以實(shí)現(xiàn)大尺寸；反射光學(xué)系統(tǒng)不存在色差，無二級光譜，更容易實(shí)現(xiàn)寬譜段成像；反射系統(tǒng)可利用折轉(zhuǎn)反射鏡折疊光路，減小系統(tǒng)體積；大口徑反射鏡易于進(jìn)行輕量化處理，可有效降低系統(tǒng)的重量?；谝陨显?，反射式結(jié)構(gòu)在航天遙感光學(xué)儀器設(shè)計中占據(jù)主導(dǎo)地位，反射鏡也成為系統(tǒng)中不可或缺的光學(xué)元件。

反射鏡膜層的設(shè)計，大致可以分為三種技術(shù)路線，分別為：金屬反射膜，全介質(zhì)多層反射膜，以及金屬和介質(zhì)復(fù)合的多層反射膜。對于寬譜段工作的空間光學(xué)儀器，全介質(zhì)多層膜由于反射帶窄、膜層厚、應(yīng)力大等技術(shù)特點(diǎn)而很少應(yīng)用，金屬膜以及金屬加介質(zhì)的多層復(fù)合膜是常用的技術(shù)方案。在星載光學(xué)儀器中，常用于制備金屬反射膜的材料有鋁（Al）、銀（Ag）、金（Au）等［10-12］。

鋁是一種從紫外到紅外波段都具有穩(wěn)定反射率的金屬材料，已在多個大口徑空間天文望遠(yuǎn)鏡的主鏡反射膜制備中獲得成功應(yīng)用?？臻g應(yīng)用的鋁膜反射鏡，通常需要在金屬鋁膜外層制備保護(hù)膜，根據(jù)應(yīng)用需求，保護(hù)膜的材料與工藝有所不同。如哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，其工作波段為紫外到近紅外波段，為了防止鋁膜層在空氣中氧化而造成紫外波段反射率下降，其采用MgF2薄膜作為保護(hù)膜層［13］；工作在紅外波段的赫歇爾天文望遠(yuǎn)鏡，選擇了SiOx薄膜作為Al 膜的保護(hù)膜［14］。

隨著空間遙感系統(tǒng)對大口徑反射鏡光學(xué)性能要求的不斷提升，鋁反射鏡的絕對反射率偏低的問題制約了其更廣泛的應(yīng)用，銀膜從可見光到長波紅外波段均具有高且穩(wěn)定的反射率，同時銀膜具有較小的偏振效應(yīng)。因此，近年來銀膜被廣泛應(yīng)用于大口徑空間遙感儀器主鏡的制備。

金膜對波長小于600 nm 的光有比較明顯的吸收，限制了其在工作譜段涉及可見光的空間遙感儀器中的應(yīng)用，但對于工作于紅外波段的空間遙感儀器，金是制備反射鏡膜層的很好選擇。首先，金膜層在整個紅外波段都具有較高的反射率；其次，金膜層化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，幾乎不和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而造成性能衰減，甚至不用制備保護(hù)膜層。2021 年底發(fā)射的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，JWST）就使用Au 來制備其主鏡反射膜［15］。表1 給出了4 種有代表性空間遙感儀器主光學(xué)反射鏡的詳細(xì)參數(shù)。

表1 典型空間遙感儀器光學(xué)主鏡技術(shù)指標(biāo)Table1 Technical specifications of optical primary mirrors of typical space remote sensing instruments

1.2 增透膜

空間紅外光學(xué)儀器的主光學(xué)系統(tǒng)，通常使用反射式結(jié)構(gòu)設(shè)計，而其后光路中，透鏡或光學(xué)窗口是不可或缺的光學(xué)元件。增透膜用于提高光學(xué)透鏡或窗口的光學(xué)傳遞效率，消除由于光學(xué)表面剩余反射引起的“鬼像”［17-18］。用作紅外透鏡或窗口的光學(xué)材料，其折射率跨度較大，以BaF2、MgF2為代表的低折射率材料的折射率不到1.4，而以Si、Ge 為代表的高折射率材料其折射率超過了3.4。根據(jù)菲涅爾公式可知，兩個光學(xué)界面的折射率差異越大，則在界面產(chǎn)生的剩余反射也越高，未做增透的Ge 窗口單面剩余反射達(dá)到了36%。在遙感系統(tǒng)中，光學(xué)表面越多則光學(xué)能量損失也越嚴(yán)重。因此，增透膜對于紅外透鏡和窗口具有更加重要的意義。

紅外增透膜的設(shè)計和制備，可供選擇的薄膜材料比較有限，且材料或多或少都存在一定的吸收，此外膜層的附著力也相對較差［19-22］。對于空間應(yīng)用的紅外增透膜除了要保證高的光學(xué)效率外，還要考慮膜層的可靠性和空間環(huán)境的適應(yīng)性。圖1 給出了Ge 光學(xué)窗口雙面增透光譜曲線，該增透膜系采用Ge、ZnS 和YbF3三種薄膜材料進(jìn)行設(shè)計，Ge 材料采用電子束蒸發(fā)沉積，另外兩種材料采用電阻蒸發(fā)沉積。從圖上可以看出，12 μm 以后基底和薄膜材料都出現(xiàn)了不同程度的吸收，導(dǎo)致光學(xué)窗口透過率有一定下降。

1.3 分色片

空間光學(xué)儀器的工作波長經(jīng)常覆蓋很寬的光譜范圍，沒有任何一種探測器可以實(shí)現(xiàn)紫外、可見、紅外等多個譜段的全光譜響應(yīng)。常用的技術(shù)方案是利用一級或多級分色，把不同譜段的光信號高效分離，形成各自的后光路，并被相應(yīng)譜段的探測器接收。

為提高探測器的性能，空間應(yīng)用的紅外探測器一般都工作在低溫環(huán)境，一些儀器為降低背景噪聲，甚至將整個紅外后光路均置于冷箱內(nèi)，而紫外、可見和近紅外波段的探測器則工作于室溫區(qū)附近。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計需要，第一級分色通常是將可見光近紅外波段和短波至長波紅外波段的光譜進(jìn)行分離，一級分色后的光譜其帶寬可能仍然不能被單一探測器的響應(yīng)范圍覆蓋，需要進(jìn)行二級、三級甚至是四級以上分色。圖2展示了法國第三代氣象衛(wèi)星（Meteosat Third Generation，MTG）上搭載的FCI（Flexible Combined Imager）成像光譜儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)［23］，其采用了非常復(fù)雜的四級分色將可見光、短波紅外、中波紅外和長波紅外的光譜分配到了5 個后光路中。

1.4 濾光片

濾光片是用于實(shí)現(xiàn)光學(xué)波段選擇的一類光學(xué)薄膜元件。在傳統(tǒng)的多波段空間遙感儀器中，濾光片通常與探測器芯片配合，實(shí)現(xiàn)所需工作波段的精確定位［24-25］。隨著光柵分光、棱鏡分光、干涉式分光等分光方式的成熟與發(fā)展，工作波段的細(xì)分與選擇有了更多的方式，但濾光片仍然扮演著重要的角色［26-27］。圖3 為英國雷丁大學(xué)多層膜實(shí)驗(yàn)室為歐空局EarthCARE 觀測衛(wèi)星多光譜成像儀研制的長波紅外濾光片實(shí)測光譜曲線［28］。

2 可靠性與空間環(huán)境模擬試驗(yàn)

光學(xué)薄膜元件的可靠性是指其在工作環(huán)境條件下在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率?？臻g遙感儀器的工作壽命，是其重要的考核指標(biāo)，根據(jù)其所處軌道環(huán)境、任務(wù)性質(zhì)、經(jīng)費(fèi)預(yù)算等的不同，其額定工作壽命也有差異。光學(xué)薄膜元件的在軌工作壽命必須要大于儀器的額定使用壽命，且需要一定的冗余度。在地面進(jìn)行可靠性與空間環(huán)境模擬試驗(yàn)，是光學(xué)薄膜元件滿足在軌運(yùn)行壽命的重要保證。

2.1 可靠性試驗(yàn)

對于空間紅外光學(xué)薄膜元件的可靠性試驗(yàn)，國內(nèi)外都有相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。國外以NASA 和ESA為代表的標(biāo)準(zhǔn)具有較高的權(quán)威和廣泛的參考依據(jù)［29-30］，同時國內(nèi)多個工業(yè)部門也制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和通用技術(shù)條件。由于這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的普適性，一些單位在此基礎(chǔ)上，針對產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)和需要，制定了更為詳細(xì)和針對性的試驗(yàn)條件，并在一定范圍內(nèi)得到應(yīng)用和推廣。主要的試驗(yàn)項(xiàng)目包括以下幾個方面。

2.1.1 薄膜牢固度試驗(yàn)

膜層牢固度是薄膜產(chǎn)品可靠性的重要指標(biāo)，對于此項(xiàng)性能的測試，主要采用膠帶撕拉和泡水試驗(yàn)兩種方式。

對于膠帶撕拉試驗(yàn)，不同標(biāo)準(zhǔn)對于使用的膠帶粘合力、膠帶拉起與膜面的夾角、撕拉的速度和頻率、撕拉總次數(shù)等都做了明確的要求。如QJ1687-1989 標(biāo)準(zhǔn)［31］的附著力試驗(yàn)是采用粘接力為5 000～6 000 N，寬為25 mm 的聚酯膠帶進(jìn)行。把膠帶紙的膠面牢牢地貼在膜層表面上，排出所有氣泡，拉起膠帶的一端，以垂直于膜層表面的力迅速拉開。

對于泡水試驗(yàn)，不同的標(biāo)準(zhǔn)采用的方法也不盡相同。首先是水的選擇，通常有純凈水和NaCl 溶液；其次是試驗(yàn)溫度，有常溫、45℃、沸水等；試驗(yàn)時間也根據(jù)試驗(yàn)條件有所不同，通常從數(shù)小時到24 h 不等；另外，對一些使用比較苛刻的條件，還對試驗(yàn)的壓強(qiáng)提出了要求。

2.1.2 交變濕熱試驗(yàn)

將光學(xué)薄膜元件或參比片放入一個溫度和濕度環(huán)境條件可控的試驗(yàn)設(shè)備，相對濕度保持在90%～100%，設(shè)定溫度變化區(qū)間，并保持一定的時間，構(gòu)成一個循環(huán)，根據(jù)需要可進(jìn)行多次循環(huán)試驗(yàn)。

2.1.3 耐清洗試驗(yàn)

目的在于考察光學(xué)薄膜產(chǎn)品的可清洗能力。一般做法是在去掉表面殘留污染物的情況下，將測試樣品浸泡在有機(jī)溶劑（無水酒精、丙酮、乙醚等）中10～15 min，取出后用蘸取清洗液的脫脂棉或紗布擦拭薄膜表面，待膜層表面清洗液揮發(fā)后，薄膜表面應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.4 溫度交變試驗(yàn)

目的是考察光學(xué)薄膜產(chǎn)品適應(yīng)溫度變化的能力。先將樣品放入封閉試驗(yàn)空間，使樣品按照一定的升溫速率升溫至指定溫度，并保持固定時間，然后按照一定的降溫速率，將測試樣品降溫至指定溫度，并保持固定時間，完成一個溫度循環(huán)，可根據(jù)需要進(jìn)行多個循環(huán)試驗(yàn)。

2.1.5 低溫沖擊試驗(yàn)

空間應(yīng)用的紅外光學(xué)薄膜元件，部分工作在低溫環(huán)境，工作溫度可能低至液氮甚至液氦溫度。由于制冷機(jī)多次開關(guān)機(jī)，會造成置于杜瓦內(nèi)的光學(xué)薄膜元件受到多次的低溫沖擊。因此，為了考察光學(xué)薄膜抗低溫沖擊的能力，可進(jìn)行本項(xiàng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，通常將被測樣品在室溫環(huán)境下直接放入盛有液氮的杜瓦瓶，放置一段時間后取出，自然升溫至室溫，完成一個循環(huán)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行多次試驗(yàn)。由于液氦價格昂貴，對于工作溫度更低的薄膜元件，通常將樣品置于液氦循環(huán)制冷機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 空間環(huán)境模擬試驗(yàn)

空間光學(xué)儀器工作在空間環(huán)境中，承受著輻照、空間粒子、冷黑等多種空間環(huán)境因素的作用［32-33］。為了保證在空間環(huán)境條件下系統(tǒng)的性能，開展空間環(huán)境對光學(xué)薄膜元件性能影響的研究，對提高空間光學(xué)系統(tǒng)在軌服役的可靠性和使用壽命具有十分重要的意義［34-35］。

2.2.1 質(zhì)子輻照試驗(yàn)

空間環(huán)境中的質(zhì)子對薄膜有一定的作用，試驗(yàn)用于考察質(zhì)子的影響。如果產(chǎn)品工作在儀器內(nèi)部，一般不安排此項(xiàng)試驗(yàn)。

按照產(chǎn)品實(shí)際工作軌道和設(shè)計壽命安排質(zhì)子輻照試驗(yàn)的總劑量。為縮短試驗(yàn)時間，可以放大輻照劑量率加速試驗(yàn)，加速倍率應(yīng)控制在350 倍以內(nèi)。

2.2.2 電子輻照試驗(yàn)

空間環(huán)境中的電子對薄膜有一定的作用，試驗(yàn)用于考察電子的影響。如果產(chǎn)品工作在儀器內(nèi)部，一般不安排此項(xiàng)試驗(yàn)。

按照產(chǎn)品實(shí)際工作軌道和設(shè)計壽命安排電子輻照試驗(yàn)的總劑量。為縮短試驗(yàn)時間，可以放大輻照劑量率加速試驗(yàn)，加速倍率應(yīng)控制在350 倍以內(nèi)。

2.2.3 空間粒子總劑量模擬輻照試驗(yàn)

空間環(huán)境中的各種粒子，對光學(xué)薄膜元件有一定的綜合作用，此試驗(yàn)用來考察空間粒子輻照的綜合影響。

用Co60 釋放的γ 射線模擬空間粒子輻照的綜合效應(yīng)。按照產(chǎn)品實(shí)際工作軌道和設(shè)計壽命安排此項(xiàng)輻照試驗(yàn)的總劑量。如果產(chǎn)品工作在儀器內(nèi)部，試驗(yàn)總劑量按照項(xiàng)目總體給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行安排。為縮短試驗(yàn)時間，可以放大輻照劑量率加速試驗(yàn)，加速倍率應(yīng)控制在500 倍以內(nèi)。

2.2.4 紫外輻照試驗(yàn)

紫外輻照試驗(yàn)是為了測試空間材料對真空-紫外輻照環(huán)境的適應(yīng)性，檢驗(yàn)試驗(yàn)材料在太陽紫外輻照環(huán)境下，其物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的穩(wěn)定性。在試驗(yàn)前后及試驗(yàn)過程中進(jìn)行實(shí)時外觀檢查并原位測量樣品的光譜反射率，獲取材料在紫外輻照環(huán)境下光譜反射率的衰變數(shù)據(jù)。

以風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星掃描成像輻射計為例，介紹其反射鏡進(jìn)行的紫外輻照試驗(yàn)過程與結(jié)果。按照國軍標(biāo)GJB2502.5-2006［36］規(guī)定，進(jìn)行真空紫外輻照試驗(yàn)及試樣反射光譜的測試，試驗(yàn)設(shè)備如圖4 所示。

選擇以JGS-1、Glass、SiC 和Al 為基底材料的反射鏡樣品，在不同太陽當(dāng)量小時（Equivalent Sun Hours，ESH）下進(jìn)行紫外輻照試驗(yàn)。反射鏡材料紫外輻照過程的輻照強(qiáng)度為3UVSC（近紫外太陽強(qiáng)度），7VUVSC（遠(yuǎn)紫外太陽強(qiáng)度），輻照試驗(yàn)過程中分別在0ESH、50ESH、120ESH、300ESH、450ESH、650ESH、900ESH、1200 ESH、1600 ESH、2100 ESH 和2200 ESH 對三個輻照樣品進(jìn)行反射率原位測量。得到的測試光譜如圖5 所示，原位測量的反射率值為相對反射，且光譜儀在2 μm 以后接近探測器的響應(yīng)極限，增益導(dǎo)致噪聲增大。

2.2.5 原子氧試驗(yàn)

在約200～700 km 低地球軌道（Low Earth Orbit，LEO）環(huán)境中，主要組分為原子氧（Atomic Oxygen，AO）和氮?dú)猓∟2）。AO 具有高化學(xué)活性，其氧化能力遠(yuǎn)高于分子氧。大量空間飛行實(shí)驗(yàn)及地面模擬試驗(yàn)的結(jié)果表明，原子氧對航天器表面的高溫氧化、高速撞擊會使大部分有機(jī)材料受到嚴(yán)重侵蝕，產(chǎn)生質(zhì)量損失、厚度損失，光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)及機(jī)械參數(shù)退化，造成結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度下降、功能材料性能變壞；原子氧氧化侵蝕過程還會造成航天器敏感表面的污染。以上效應(yīng)會導(dǎo)致航天器性能下降、壽命縮短、系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)失敗，對航天器壽命和可靠性帶來嚴(yán)重威脅［37-38］。

空間環(huán)境中的原子氧對薄膜有一定的作用，試驗(yàn)用于考察原子氧對薄膜的影響。如果產(chǎn)品工作在儀器內(nèi)部，或工作在高軌道（高度2 000 km 以上），一般不安排此項(xiàng)試驗(yàn)。

按照產(chǎn)品實(shí)際工作軌道和設(shè)計壽命安排原子氧試驗(yàn)的總劑量。為縮短試驗(yàn)時間，可以放大輻照劑量率加速試驗(yàn)，加速倍率應(yīng)控制在500 倍以內(nèi)。

為了驗(yàn)證原子氧對反射鏡偏振對比度的影響，工作在量子科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”上的保偏反射鏡，進(jìn)行了模擬原子氧試驗(yàn)［39］。原子氧試驗(yàn)參照GJB2502.5-2006［40］和Q/W1173-2009［41］進(jìn)行。

試驗(yàn)條件：模擬試驗(yàn)軌道高度為500 km；反射鏡與迎風(fēng)面夾角為45°；原子氧密度為1.02×1016O Atoms/cm2·S 加速試驗(yàn)，原子氧能量為5 eV；真空度為1.0×10-3Pa，充原子氧后真空度為1.0×10-1Pa。

3 空間紅外光學(xué)薄膜新進(jìn)展

從空間遙感儀器誕生起，人類對于其更大的口徑、更寬的工作譜段、更高的集成度、更輕的重量等性能指標(biāo)的追求就從未停止。系統(tǒng)的需求牽引推動了光學(xué)薄膜技術(shù)的不斷進(jìn)步，一些新型的光學(xué)薄膜元件從基礎(chǔ)研究走向了空間應(yīng)用。

3.1 寬光譜紅外分色薄膜元件

寬光譜空間遙感儀器雖然光譜覆蓋范圍很寬，工作波段排布也越來越密集，但第一級分色通常是將可見近紅外和紅外波段進(jìn)行分離，因此一級分色的寬光譜分色片需要覆蓋儀器的整個工作波段。寬光譜分色片的分色方式一般有兩種方式：可見近紅外透射/紅外反射和可見近紅外反射/紅外透射。

3.1.1 可見近紅外透射/紅外反射分色片

這種分色方式一般采用誘導(dǎo)透射的原理，采用介質(zhì)/金屬/介質(zhì)（D/M/D）的分色片結(jié)構(gòu)形式［42］。考慮到銀膜在中遠(yuǎn)紅外的反射率比較高，且在可見區(qū)最大勢透射率（相同的厚度下）也比常用的鋁膜和金膜較高，因此選取銀膜作為這一分色片的金屬膜。由于在可見光區(qū)及近紅外區(qū)，銀膜的消光系數(shù)不是很大，其最大透射率可利用介質(zhì)膜將其誘導(dǎo)出來，而紅外區(qū)域則依靠其本身的金屬特性實(shí)現(xiàn)反射。這種設(shè)計方案膜系結(jié)構(gòu)相對簡單，膜層總厚度小，應(yīng)力和可靠性容易控制，反射波段的能量傳遞效率高且穩(wěn)定，但可見近紅外波段的透過率相對比較低，且透射和反射波段的過渡區(qū)域比較平緩，處于透反射波段附近的工作波長，光學(xué)效率受影響較大。美國GOES-R 氣象衛(wèi)星ABI 成像光譜儀，中國FY-4A/B 氣象衛(wèi)星AGRI 輻射成像儀以及中國FY-3D 氣象衛(wèi)星MERSI-II 中分辨率光譜成像儀均采用了這種分色方式。圖6 給出了中科院上海技術(shù)物理研究所研制的FY-3D 氣象衛(wèi)星MERSI-II 中分辨率光譜成像儀寬光譜分色片的實(shí)測光譜曲線，該分色片以ZnS 和Ag 分別作為介質(zhì)和金屬材料，采用多重誘導(dǎo)透射結(jié)構(gòu)設(shè)計來避免透/反射波段過渡區(qū)域過于平緩而導(dǎo)致的分色效率降低問題，薄膜材料采用傳統(tǒng)的電阻蒸發(fā)方式進(jìn)行制備。從圖上可以看出，該分色片在0.4～1.0 μm 的可見近紅外波段的平均透過率達(dá)到了80%以上，同時在1.36～13.0 μm 的紅外反射波段的平均反射率在90%左右。

3.1.2 可見近紅外反射/紅外透射分色片

隨著離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，要解決這種大視場、長焦距系統(tǒng)的可見光通道的成像質(zhì)量問題，將具有高精度面形要求的反可見透紅外的分色方式用于光路系統(tǒng)中，以簡化光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保證可見和近紅外通道的成像質(zhì)量。同時這種分色片對于低光照水平下的夜間被動成像系統(tǒng)——可見紅外雙探測器共孔徑成像系統(tǒng)尤其不可或缺。這種分色方式基底材料多用Ge 和Si，主要通過全介質(zhì)膜系的長波通濾光片傾斜使用來實(shí)現(xiàn)。但是要求鍍膜材料在可見及紅外區(qū)都要有很好的透過性能。目前可用的材料在可見區(qū)都有不同程度的吸收，導(dǎo)致反射率降低。另外，由于反射區(qū)域的工作光譜范圍較寬，不得不使用多個反射堆來展寬帶寬，膜層數(shù)量和總厚度勢必會成倍增加，由于紅外材料大都存在很大的應(yīng)力，隨著層數(shù)增加，厚度增加導(dǎo)致應(yīng)力增大，可靠性降低［43］。如果要同時實(shí)現(xiàn)中長波的寬光譜透射，研制難度將進(jìn)一步加大。為了進(jìn)一步提升風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星掃描成像輻射計分色效率，并提高可見近紅外波段的成像質(zhì)量，在C 星階段采用了這種分色方式。因?yàn)楸∧げ牧弦笤谡麄€工作波段透明，Si、Ge、PbTe 等紅外波段常用的高折射率材料無法使用，該分色片選擇ZnSe 和YbF3分別作為高、低折射率材料，疊加多個中心波長不同的（0.5H L 0.5L）^x對稱周期膜堆來構(gòu)建寬光譜反射堆，并對透射波段的光譜進(jìn)行優(yōu)化和平滑。該分色片制備的工藝難點(diǎn)在于YbF3應(yīng)力控制，首先在設(shè)計時給出邊界條件嚴(yán)格控制其單層膜的厚度，但是這會對透射波段光譜的平滑程度造成一定影響；另一方面，在制備過程中，反復(fù)迭代影響其應(yīng)力特性的沉積速率、溫度場分布以及真空度等工藝參數(shù)，找到最佳的制備工藝，其光譜如圖7 所示。

3.2 寬光譜紅外中性分束薄膜元件

大氣垂直探測儀是氣象衛(wèi)星上搭載的主要紅外遙感儀器之一，它是利用大氣和地球表面的紅外輻射性質(zhì)，在空間探測大氣溫度、濕度和大氣成分的垂直分布，實(shí)現(xiàn)大范圍、快速、連續(xù)和長期的氣象觀測。不同于傳統(tǒng)的光柵、棱鏡、濾光片等，這類儀器采用了傅里葉變換和邁克爾遜干涉儀相結(jié)合的干涉式分光方式。寬光譜分束器是干涉式大氣垂直探測儀光學(xué)系統(tǒng)中不可或缺的分光元件［44］。

以美國NOAA 和歐洲METOP 為代表的氣象衛(wèi)星，均搭載了干涉式紅外大氣垂直探測儀器。我國在干涉式空間紅外高光譜探測儀的研制和應(yīng)用方面，受部分材料和關(guān)鍵技術(shù)的制約，發(fā)展相對較晚。但隨著以寬光譜紅外分束器為代表的關(guān)鍵技術(shù)突破，我國在該領(lǐng)域迅速崛起并取得了一系列應(yīng)用進(jìn)展。風(fēng)云四號干涉式大氣垂直探測儀（GIIRS）是全球首臺地球靜止軌道干涉式紅外遙感儀器。由于分束器對能量要求較高，尤其是11～15 μm 長波區(qū)域，大氣在此波段的輻射能量本身就低，如果材料在此有較大的吸收則會進(jìn)一步降低該波段的效率，因此要盡量選用長波端吸收較小的材料。此外，為了保證成像質(zhì)量，系統(tǒng)對分束器的光學(xué)面形提出了非常嚴(yán)苛的要求，對于膜層應(yīng)力的控制和匹配也要非常精確。因此需要從材料選擇、膜系設(shè)計、工藝控制等多方面進(jìn)行相關(guān)研究。分束器的設(shè)計采用正面制備中性分光膜系，圖8 和圖9 分別給出了風(fēng)云四號A 星大氣垂直探測儀用紅外分束器的實(shí)測光譜和鍍膜后的面形測試結(jié)果。

3.3 紅外雙色和多色濾光片

為了同時獲取目標(biāo)多個波長的特征光譜信息，多色探測技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注，并成功應(yīng)用于空間遙感光學(xué)系統(tǒng)中。在可見光波段，三色以上的濾光技術(shù)已有應(yīng)用的先例；而在紅外波段，雙色濾光片技術(shù)雖然在20 年前已有文獻(xiàn)報道，但空間工程應(yīng)用直到近幾年才逐漸走向成熟［45-46］。

雙波段紅外成像探測系統(tǒng)采用兩種紅外波段同時對視場內(nèi)的目標(biāo)和背景成像，充分利用不同的目標(biāo)、背景和各種復(fù)雜干擾等在兩種波段上所呈現(xiàn)的不同輻射率、輻射強(qiáng)度等特性來識別不同的目標(biāo)和背景。目前，雙色紅外探測器的研究幾乎涵蓋了短波紅外、中波紅外、長波紅外的任意組合，還出現(xiàn)了可見-紅外、紫外-紅外等多光學(xué)譜段組合的探測器。雙色成像可以獲取探測目標(biāo)在不同波段的特征信息，有效抑制復(fù)雜的背景噪聲，提升抗誘餌誘騙、反隱身的光電對抗能力，可降低虛假告警等錯誤識別目標(biāo)的概率［47-49］。圖10給出了應(yīng)用于空間紅外相機(jī)的中波紅外雙色濾光片的實(shí)測光譜。

3.4 紅外集成濾光片

隨著成像光譜儀的不斷發(fā)展，采用光學(xué)薄膜分光的技術(shù)也不斷進(jìn)步，由最初的分色片、單通道濾光片等模式已經(jīng)發(fā)展到目前的多通道集成分光模式，先后出現(xiàn)了如組合濾光片［50］、線性漸變?yōu)V光片［51-52］、光譜階躍式［53］等集成光學(xué)薄膜技術(shù)。國內(nèi)外相關(guān)報道表明，無論采用哪種集成方式，已經(jīng)成功應(yīng)用的集成光學(xué)薄膜元件，較多的還是集中在可見近紅外波段，而在中長波紅外波段的報道較少。在紅外波段，波長越長，集成光學(xué)薄膜元件的難度也越大，主要原因是：1）波長越長，膜系的總厚度也越厚，對于膜層應(yīng)力、表面缺陷以及可靠性的控制難度也越大；2）中長波紅外波段可供選擇的薄膜材料比較有限，且材料大多比較軟，膜層的結(jié)合力相對較差；3）膜層沉積方法以電子束蒸發(fā)和熱蒸發(fā)為主，為避免膜層吸收加重往往不采用離子輔助沉積手段。

系統(tǒng)集成度提升，多個波段集成在同一個光學(xué)基片的中長波紅外集成濾光片需求日益強(qiáng)烈［54-55］。廣目地球科學(xué)衛(wèi)星（CASEarth）搭載的熱紅外成像儀，三個長波紅外通道分別為8～10.5 μm、10.3～11.3 μm 和11.5～12.5 μm，采用了三通道集成的濾光片技術(shù)方案，其測試光譜如圖11 所示。

3.5 偏振態(tài)和位相調(diào)控紅外薄膜元件

偏振描述光在傳播過程中電矢量的振動方式，不同目標(biāo)表面輻射或反射光的偏振信息存在一定的差異，為空間遙感獲取信息提供了一個新的自由度。偏振在空間遙感儀器中已獲得了成功的應(yīng)用。以海洋遙感為代表的空間遙感儀器，由于其探測目標(biāo)本身帶有較強(qiáng)的偏振特性，要求光學(xué)系統(tǒng)對自身的線性偏振靈敏度進(jìn)行調(diào)控，如國外的MODIS、SeaWiFS，國內(nèi)的海洋衛(wèi)星水色儀等光學(xué)遙感儀器的系統(tǒng)線性偏振靈敏度都控制在2%以內(nèi)［56-57］。系統(tǒng)線性偏振靈敏度的控制，需要光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)中各個薄膜元件協(xié)同配合來實(shí)現(xiàn)［58］。對于光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在此不展開討論；對于系統(tǒng)中的各個薄膜元件，需要對其線性偏振靈敏度和位相差進(jìn)行精確調(diào)控，才能保證系統(tǒng)線性偏振靈敏度的實(shí)現(xiàn)。2016 年8 月16 日，我國發(fā)射了全球首顆量子科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”，成功實(shí)現(xiàn)了星地間量子密鑰分發(fā)等一系列科學(xué)試驗(yàn)。該系統(tǒng)利用光的偏振態(tài)來進(jìn)行量子編碼，為了降低偏振編碼光子的畸變引起的通信誤碼率，需要對系統(tǒng)光學(xué)薄膜元件的光譜、偏振靈敏度和位相差進(jìn)行三維一體調(diào)控。偏振態(tài)和位相調(diào)控光學(xué)薄膜元件在以上空間遙感系統(tǒng)中獲得了成功的應(yīng)用，但調(diào)控的波長主要集成在可見光和近紅外波段［59］。

光的偏振受物體表面形狀、材料等影響，附加偏振信息的紅外成像可以大大提高不同物體之間的對比度，對目標(biāo)識別有重要價值。利用薄膜元件對紅外波段偏振調(diào)控，較可見近紅外波段難度更大，對薄膜材料、制備工藝、測試表征等各個環(huán)節(jié)都提出了較大挑戰(zhàn)。圖12 給出了長波紅外波段對45°～65°入射角度（Angle of Incidence，AOI）范圍位相差進(jìn)行調(diào)控的薄膜元件的位相差測試結(jié)果。

4 展望

需求牽引推動著空間紅外光學(xué)薄膜技術(shù)不斷向前發(fā)展，更大口徑、更寬的光譜范圍、更高光學(xué)傳輸效率、更精細(xì)分光、更高集成度仍然是光學(xué)薄膜研制不懈追求的目標(biāo)。

自空間光學(xué)遙感儀器誕生起，人類對于系統(tǒng)更高光學(xué)分辨率的探索就從未停止，光學(xué)系統(tǒng)的口徑也在不斷增大。雖然國內(nèi)近幾年在大口徑光學(xué)鏡片的加工領(lǐng)域取得了一系列重要突破，但在該領(lǐng)域國內(nèi)外仍然存在一定的差距。早在21 世紀(jì)初，美國就制定了星載光學(xué)儀器主光學(xué)反射鏡的發(fā)展路線圖，如圖13 所示［11］。其技術(shù)路線分為單一輕量化鏡體、多輕量化鏡體拼接以及柔性薄膜鏡體材料等幾個階段，光學(xué)口徑也從米級跨越到200 m 以上。以詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡為代表的折疊式主光學(xué)系統(tǒng)在軌成功裝配，標(biāo)志著國外在這一技術(shù)領(lǐng)域已走向成熟。在國內(nèi)，目前已有報道的最大單體主光學(xué)鏡片為中科院長春光機(jī)所研發(fā)的4.05 m 口徑SiC 反射鏡；而在多鏡體折疊拼接技術(shù)領(lǐng)域，以中科院光電技術(shù)研究所為代表的單位，取得了一定進(jìn)展，但與國際頂級水平尚存差距。在大口徑反射膜制備技術(shù)方面，國外已具備單體8 m 以上口徑反射鏡膜層制備技術(shù)；而國內(nèi)的加工能力不超過5 m。為了滿足不斷提升的光學(xué)口徑的技術(shù)需求，發(fā)展自主可控更大口徑反射膜制備技術(shù)勢在必行。

空間光學(xué)載荷接收到的光譜蘊(yùn)含著豐富的目標(biāo)信息，光譜的利用效率與系統(tǒng)分光元件的性能直接相關(guān)。在中長波紅外波段，光柵分光、棱鏡分光、干涉式分光等分光方式都是可行的技術(shù)路線，但這些分光方式也存在一些原理性缺陷，如光譜的分辨率不可調(diào)諧，光譜色散只能沿一維方向展開，光譜無法與面陣探測器單個像元直接對應(yīng)等。集成濾光片技術(shù)的出現(xiàn)，則與以上幾種分光方式形成了很好的性能互補(bǔ)。與可見光波段的集成濾光片技術(shù)相比，紅外波段的應(yīng)用要稍顯滯后。在可見近紅外波段，直接制備在可見Si 探測器芯片上的多通道濾光微結(jié)構(gòu)已經(jīng)取得了突破，10 通道以上的星載集成濾光片已經(jīng)走向了成熟；在中長波紅外波段，多通道片上集成的濾光片技術(shù)，才剛剛獲得航天工程應(yīng)用。如圖14 所示的芯片上集成二維濾光片分光技術(shù)，是未來紅外集成濾光片努力的方向。

空間紅外光學(xué)系統(tǒng)集成度提高，薄膜元件承擔(dān)的功能也從單一化走向多元化。紅外光學(xué)薄膜除了需要在傳統(tǒng)的光學(xué)能量傳遞、光譜調(diào)控、偏振位相調(diào)制等方面進(jìn)一步提升性能和集成度，超低吸收損耗、抗強(qiáng)激光損傷、雜散光抑制等需求也對其提出了新的挑戰(zhàn)。在進(jìn)一步挖掘現(xiàn)有的薄膜設(shè)計方法和工藝手段潛力的同時，在膜層制備技術(shù)和薄膜材料的研發(fā)領(lǐng)域期望有新的突破?，F(xiàn)有的紅外薄膜制備手段，還是以電子束蒸發(fā)和電阻蒸發(fā)為主導(dǎo)，濺射和化學(xué)氣象沉積（Chemical Meteorological Deposition，CVD）等方法作為輔助和補(bǔ)充，期待有更高效、缺陷密度更低的紅外薄膜制備方法的出現(xiàn)；紅外波段可供選擇的高折射率薄膜材料有Si、Ge、PbTe 等，低折射率材料主要有硫硒化合物以及稀土氟化物，這些材料的吸收、應(yīng)力以及高低折射率材料的折射率比值等問題，制約了薄膜元件性能的進(jìn)一步提升，更高性能紅外薄膜材料的研發(fā)顯得迫切和必要。對于高精度光學(xué)膜厚的控制，光學(xué)監(jiān)控手段具有不可替代的優(yōu)勢［60］，目前主流的自動光控系統(tǒng)的監(jiān)控波長普遍未突破2.5 μm，研發(fā)監(jiān)控波長超過5 μm 的高精度自動光控系統(tǒng)，對于中長波紅外光學(xué)薄膜性能的提升具有重要的意義。

5 結(jié)論

空間遙感技術(shù)經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，取得了一系列重要成果，并在天文觀測、氣象預(yù)報、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用，反射膜、增透膜、分光膜、濾光膜等種類的高精度光學(xué)薄膜元件在空間紅外光學(xué)系統(tǒng)中發(fā)揮著光學(xué)能量傳遞、光學(xué)譜段的劃分與分配、工作波段的限定與帶外抑制、系統(tǒng)偏振調(diào)控等不可替代的重要作用。

應(yīng)用于空間遙感儀器中的紅外光學(xué)薄膜元件，由于其特殊的工作條件和不可維修性，對于其可靠性驗(yàn)證要更加嚴(yán)苛，地面空間環(huán)境模擬試驗(yàn)是驗(yàn)證其空間環(huán)境適應(yīng)性不可或缺的手段。以紅外寬光譜分色、多通道集成、位相與偏振調(diào)控等為代表的技術(shù)，從基礎(chǔ)研究走向了空間工程應(yīng)用，將紅外遙感儀器的性能推向了新的高度。不斷提升的工程應(yīng)用需求仍然是空間紅外光學(xué)薄膜技術(shù)不斷向前發(fā)展的動力。