姜玉剛，劉華松*，王利栓，陳 丹，李士達，季一勤

(1.天津津航技術物理研究所，天津市薄膜光學重點實驗室，天津 300308；2.光電材料智能表面織構技術聯(lián)合實驗室，天津 300308 )

1 引 言

隨著高能激光武器的快速發(fā)展，激光武器迅速成為一種具有直接殺傷力的新式武器。當前反衛(wèi)星激光武器的發(fā)展，迫切需要研究和發(fā)展衛(wèi)星的激光防護技術，尤其是對衛(wèi)星的光學遙感系統(tǒng)(特別是光電探測器)進行抗激光致盲或損傷的加固和防護，以增強衛(wèi)星在空間的生存與防護能力。

目前，高功率激光武器主要有1.315 μm的氧化碘(COIL)激光器、2.7 μm的氟化氫(HF)激光器以及3.8 μm的氟化氘(DF)激光器[1-6]3種。對衛(wèi)星而言，常用的可見光/近紅外CCD相機的工作波段為0.5～0.8 μm，激光通信工作波長為1.55 μm[7-9]。因此，迫切需要研制在衛(wèi)星工作波段有高透過率和激光武器波長處有較低透過率的激光防護窗口，實現(xiàn)衛(wèi)星反激光武器的防護。

對于衛(wèi)星激光防護膜，國內外已進行過相關研究。美陸軍納蒂克研究中心[10]研制一種組合式層狀結構防護鏡，其利用多層介質膜可對特定波長激光的反射衰減達到激光防護效果。據報道可防護532、694和1 064 nm 3種激光，光密度為4，可見光透過率達73%，其主要缺點是玻璃箔易損。蘭州物理研究所[11]選取TiO2和SiO2作為高低折射率鍍膜材料，在K9玻璃設計和制備了可以對氧碘激光進行防護的薄膜，在遙感儀器的工作波段500～900 nm內，平均透射率達到95.2%，在以1 315 nm為中心的一定波段范圍內，反射率超過99.3%，可有效防護星載遙感儀器，大幅度提高遙感儀器的生存能力。長春理工大學[12-15]在可見光/近紅外波段開展了大量的激光防護薄膜研究，針對軍用光電儀器對激光致盲武器的防護要求,采用Si和YbF3,ZnS和YbF3兩種高低折射率組合材料研制了激光防護減反射膜。在多光譜ZnS 基底上，采用電子束及離子輔助沉積技術，制備了能夠對532 nm和1 064 nm激光進行有效防護, 同時對3～5 μm的波段具有高透射率的薄膜。

本文針對0.5～0.8 μm可見光/近紅外CCD相機、1.55 μm的激光通信波段以及1.315、2.7、3.8 μm的激光武器工作波段，設計和制備了線性激光防護薄膜，實現(xiàn)工作波段的高透過和激光武器波段的低透過，對于衛(wèi)星平臺防護激光武器具有重要的作用。

2 薄膜光學常數計算

圖1 Ta2O5薄膜和SiO2薄膜的可見光-近紅外透過率曲線 Fig.1 Transmittance curves of Ta2O5 and SiO2 films in the range from visible to near infrared wave band

本文采用Lambda900分光光度計對熔融石英基底上Ta2O5和SiO2薄膜的可見光-近紅外透射光譜進行了測量，測量結果如圖1所示。采用BRUKER公司的VERTEX70型紅外傅立葉變換光譜儀對Si基底上Ta2O5和SiO2薄膜的近紅外-中紅外透射光譜進行了測量，如圖2所示。

圖2 Ta2O5薄膜和SiO2薄膜的近紅外-中紅外透射率曲線 Fig.2 Transmittance curves of Ta2O5 film and SiO2 film in the range from near infrared to middle infrared wave band

圖3 單層膜結構示意圖 Fig.3 Schematic diagram of single-layer film structure

圖4 離子束濺射Ta2O5和SiO2薄膜的折射率曲線 Fig.4 Refractive index curves of Ta2O5 and SiO2 films prepared by IBS

本文采用WVASE32軟件對測量的透射光譜數據進行了擬合，在計算單層膜特性擬合過程中，選擇的折射率模型包括基底、有效介質近似層(包括50%的基底和50%的單層膜)、柯西模型層和表面粗糙度層(包括50%的空氣和50%單層膜)，如圖3所示。獲得的Ta2O5薄膜和SiO2薄膜的物理厚度分別為591.1和870.9 nm，折射率曲線如圖4所示。

3 線性激光防護窗口的設計

以可見光0.5～0.8 μm和激光通信1.55 μm波段的透過和1.315、2.7和3.8 μm強激光的防護為背景進行設計，其線性激光薄膜防護窗口結構示意圖如圖5所示，選擇10 mm厚的k9玻璃為窗口基底，Ta2O5和SiO2分別為高低折射率薄膜材料。

圖5 線性激光防護窗口示意圖 Fig.5 Schematic diagram of linear laser protection window

在k9基底一面設計工作角度為0°的三波段分光薄膜，實現(xiàn)1.315 μm波長的反射和0.5～0.8 μm、1.55 μm波段的增透，基本膜系結構為Sub/(0.5L H 0.5L)^14/Air，參考波長為1.315 μm，優(yōu)化前6層和后7層后，最終膜系結構為：Sub/0.98L 0.93H 0.95L 0.99H 1.01L 0.99H(L H)^8 1.01L 0.92H 0.88L 0.87H 0.98L 1.05H 0.51L /Air，理論設計透過率曲線如圖6所示。

圖6 雙波段減反射薄膜和三波段分光薄膜的理論設計透過率曲線 Fig.6 Theoretical design transmittance curve of two-band antireflective film and three band spectroscopic thin film

在k9基底另一面設計工作角度為0°的雙波段減反射薄膜，實現(xiàn)0.5～0.8 μm和1.55 μm波段的增透，基本膜系結構為Sub/(LH)^5 L/Air，參考波長為0.65 μm，對所有膜層全優(yōu)化后獲得最終膜系結構為：Sub/0.97L 0.15H 0.50L 1.86H 1.67L 1.67H 1.02L 0.17H 0.48L 0.97H 0.94L /Air，理論設計透過率曲線也如圖6所示。

通過三波段分光膜和雙波段減反射薄膜共同作用即可獲得多譜段線性激光防護薄膜窗口，其理論設計透過率曲線如圖7所示?？梢缘玫剑簩τ?.5～0.8 μm和1.55 μm波段，能分別實現(xiàn)大于95%和98%的透過；對于1.315、2.7、3.8 μm波段能分別實現(xiàn)小于0.1%、20%和0.5%的透過。綜合分析，設計的線性激光防護薄膜窗口能實現(xiàn)可見光0.5～0.8 μm和激光通信1.55 μm波段的透過和1.315、2.7和3.8 μm強激光的低透過，既滿足了衛(wèi)星工作波段的高透過，又能防護強激光武器的攻擊。

圖7 線性激光防護窗口的理論設計透過率曲線 Fig.7 Theoretical design transmittance curve of linear laser protection window

4 線性激光防護窗口的制備和分析

采用雙離子束濺射沉積技術，根據第2節(jié)結果，選擇Ta2O5和SiO2分別作為高低折射率薄膜材料，在K9基底上制備了線性激光防護窗口薄膜。采用Lambda900分光光度計對雙面鍍膜的線性激光防護窗口薄膜的可見光-近紅外透射曲線進行測試，測試結果如圖8所示，采用BRUKER公司的VERTEX70型紅外傅立葉變換光譜儀對其近紅外-中紅外波段的透射光譜進行了測試，測試結果如圖9所示。

圖8 線性激光防護窗口薄膜的可見光-近紅外透射曲線 Fig.8 Measured visible-near infrared transmission curve of linear laser protective window

圖9 線性激光防護窗口薄膜的近紅外-中紅外透射曲線 Fig.9 Measured near infrared-middle infrared transmission curve of linear laser protective window

由圖8和圖9的測試曲線與圖7的理論設計曲線對比可知，線性激光防護窗口的測試曲線與理論設計曲線基本吻合，在0.5～0.8 μm的平均透過率大于96%，1.55 μm的透過率大于98%，1.315 μm的透過率小于0.1%，在2.7 μm的透過率為30%，在3.8 μm的透過率為1.1%。

線性激光防護窗口的測試結果表明，采用離子束濺射沉積技術，在k9玻璃一面鍍制三波段分光膜，另一面鍍制雙波段減反射膜，可以實現(xiàn)0.5～0.8 μm可見光/近紅外CCD相機和1.55 μm的激光通信波段的高透過率，1.315、2.7和3.8 μm波段的低透過率。實驗結果表明，在不影響可見光/近紅外CCD相機和激光通信的正常工作條件下，實現(xiàn)了對工作波長為1.315、2.7和3.8 μm的高功率激光的防護，防護效率分別達到30、5和20 dB，對于衛(wèi)星平臺防護激光武器具有重要的意義。

5 結 論

本文針對0.5～0.8 μm可見光/近紅外CCD相機、1.55 μm的激光通信波段，在K9玻璃基底上一面設計和制備了三波段分光膜，實現(xiàn)1.315 μm波長的反射和0.5～0.8 μm、1.55 μm波段的增透，然后在k9玻璃基板另一面設計和制備了雙波段減反射膜，實現(xiàn)0.5～0.8 μm和1.55 μm波段的增透。研制的防護窗口在0.5～0.8 μm的平均透過率大于96%，1.55 μm的透過率大于98%，1.315 μm的透過率小于0.1%，在2.7 μm的透過率為30%，在3.8 μm的透過率為1.1%，實現(xiàn)了對高功率激光的防護。實驗結果表明，該方法實現(xiàn)了可見光-近紅外-中紅外波段激光防護窗口的制備，對于衛(wèi)星平臺防護激光武器具有重要的作用。