崔 云，沈自才，邱家穩(wěn)，代 巍，趙元安，邵建達(dá)

（1. 中國科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 強(qiáng)激光材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，上海 201800；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 3. 中國空間技術(shù)研究院； 4. 中國科學(xué)院 空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心：北京 100094）

0 引言

空間用光學(xué)元件[1]廣泛用于航天器及其載荷儀器中，實(shí)現(xiàn)測距、測高、空間通信、光偵察、遙感、能量傳輸、光電對抗等功能；其尺寸跨度非常大，直徑可從幾m（如太空望遠(yuǎn)鏡主鏡）到幾十cm（如紫外成像望遠(yuǎn)鏡主鏡）再到幾mm（如激光系統(tǒng)光學(xué)元件）。與地面使用的光學(xué)元件不同，空間用光學(xué)元件尤其是元件表面的光學(xué)薄膜在軌期間會受到真空、高低溫交變、原子氧、空間輻射（包括太陽電磁輻射和帶電粒子輻射）、空間污染、空間碎片撞擊等的影響，可能導(dǎo)致?lián)p傷，造成透光率下降甚至光學(xué)元件失效。其中，空間污染被各主要航天大國視為影響航天器光學(xué)元件長壽命、高可靠的關(guān)鍵因素之一，其效應(yīng)研究備受關(guān)注。

根據(jù)國軍標(biāo)GJB 2203A—2005《衛(wèi)星產(chǎn)品潔凈度及污染控制要求》[2]，污染物定義為“任何可能對系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、部件和材料的工作、可靠性和性能造成危害和不可忽略影響的非要求外來物”。航天器材料尤其是非金屬材料在空間環(huán)境影響下，其內(nèi)部分子會通過分子流動和物質(zhì)遷移以分子形式逸出，抵達(dá)并凝結(jié)于航天器敏感表面，形成空間環(huán)境下航天器的特殊污染——分子污染[3]。分子污染沉積會造成光學(xué)元件性能退化，因此必須對其影響進(jìn)行分析和控制。美國明確給出了國際空間站對訪問航天器的分子污染釋放要求：1）貨運(yùn)飛行器材料放氣引起的污染限制在2.5 ?/任務(wù)；2）推進(jìn)器羽流引起的污染限制在2 ?/任務(wù)（用于近距離操作）；3）禁止排放/釋放可對國際空間站造成功能損傷或性能退化的活性化學(xué)物質(zhì)；4）將載人飛行器材料放氣引起的污染限制在15 ?/任務(wù)。

航天器材料在一定時間內(nèi)的總出氣量由工作環(huán)境的分壓、材料放氣溫度、材料的熱歷史、幾何結(jié)構(gòu)和出氣產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)等決定[4]；沉積在表面上的分子總量由表面吸附力、沉積表面的溫度、撞擊分子的化學(xué)性質(zhì)、放氣源和沉積目標(biāo)之間的角度等決定。即使在發(fā)射前確保所有表面都符合其分子清潔度要求，航天器本身也是污染源，因此需要對分子污染的演變過程和形態(tài)以及減緩或去除污染的技術(shù)方法進(jìn)行深入研究[5]，確?？傮w污染體量在要求范圍內(nèi)。本文綜述空間環(huán)境對光學(xué)系統(tǒng)分子污染的影響，并提出幾種不同的在軌分子污染減緩技術(shù)，旨在對我國未來長壽命高可靠在軌光學(xué)系統(tǒng)防污染提供參考。

1 空間環(huán)境下分子污染對光學(xué)系統(tǒng)影響

1.1 空間環(huán)境下分子污染的來源

分子污染主要由材料在真空環(huán)境下放氣產(chǎn)生，它是單個異物分子的累積。來自在軌航天器自身的分子污染主要有：航天器的非金屬殼體、桁架、太陽電池板、溫控涂層、導(dǎo)熱硅脂、黏結(jié)劑、電絕緣材料等物質(zhì)在熱真空狀態(tài)下的揮發(fā)；航天器發(fā)射或姿態(tài)調(diào)整時各類發(fā)動機(jī)燃燒中間產(chǎn)物、燃燒生成物以及未燒完的燃料混合形成的羽流。如歐洲航天局（ESA）和歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織（EUMETSAT）合作建造的新一代氣象和地球觀測衛(wèi)星[6]，其中的組合成像儀和紅外測深儀都包含一個涂成黑色的太陽能擋板以確保低發(fā)射率，儀器內(nèi)部也涂有黑色涂層以幫助光衰減，這些涂層都是分子污染源。

1.2 分子污染對光學(xué)系統(tǒng)的影響

空間分子污染給空間光學(xué)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重威脅。分子污染會對航天器的觀察窗口、輸出窗口、光轉(zhuǎn)換等敏感表面的性能帶來嚴(yán)重影響, 使信號強(qiáng)度減小、信噪比下降、觀察窗模糊等，尤其對在真空下較寬溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的光學(xué)器件影響較大。污染在光學(xué)元件表面凝結(jié)，導(dǎo)致光吸收降低，并減弱元件的抗激光輻照能力。分子污染會導(dǎo)致元件在0.2～20.0 μm 范圍內(nèi)的透過率降低, 使光學(xué)器件及傳感器失靈或徹底失明[6]。許多分子污染物在紫外波段的吸收率比在可見光或紅外線波段的吸收率高幾個數(shù)量級[7]，因此紫外有效載荷對分子污染更加敏感，有研究表明：波長130 nm 的紫外成像望遠(yuǎn)鏡，1 nm 厚的分子污染可以將透射/反射率降低1 個數(shù)量級[8]。

國外通過對多個在軌運(yùn)行多年的返回光學(xué)部件的分析，證實(shí)了空間分子污染對光學(xué)元件的影響。美國國家航空航天局（NASA）哥達(dá)德航天飛行中心的“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡（HST）在軌運(yùn)行3.5 年后，返回的光學(xué)部件中pickoff 鏡和窗口上[7]形成了膜厚度約為450 ?的多物種污染，在高速光度計(jì)濾光片上形成的污染物厚度約150 ??！板X德拉X 射線望遠(yuǎn)鏡”CCD 成像光譜儀上的冷（約-60 ℃）光學(xué)阻塞濾波器（Optical Blocking Filter, OBF）在其運(yùn)行的前18 年中，分子污染沉積厚度不斷增長[9]，使低能X 射線衰減，估計(jì)沉積在OBF 上的污染物達(dá)250～500 μg/cm2。錢德拉X 射線中心（Chandra X-ray Center, CXC）[10]正在修訂校準(zhǔn)文件，使該文件更準(zhǔn)確地表示污染物累積率的復(fù)雜時間依賴性、空間依賴性和化學(xué)成分。

2 空間環(huán)境對光學(xué)元件分子污染的影響

真空環(huán)境下航天器中非金屬材料產(chǎn)生放氣，而溫度、紫外線、激光等因素會加劇放氣產(chǎn)物對光學(xué)元件表面的影響。

2.1 溫度的影響

不同材料有不同的溫度效應(yīng)，研究人員通常采用加溫或者模擬工作溫度的方式研究不同材料的揮發(fā)特性。

加溫過程會加速材料的放氣，加速污染，使放氣過程和污染過程更加明晰可見。對用于緊湊型傳感器的環(huán)氧樹脂類材料（Scotchweld 2216 環(huán)氧樹脂）進(jìn)行加溫，并使用拋光Si-SiOx和熔融石英收集其揮發(fā)物（CVCM），結(jié)果如圖1[11]所示?？梢钥吹?，環(huán)氧樹脂經(jīng)真空加熱后，污染物大量沉積在鏡片表面，沉積物厚且不均勻。分析衛(wèi)星熱控黑色涂料的總質(zhì)量損失（total mass loss, TML）與溫度、時間的關(guān)系（如圖2[6]所示），發(fā)現(xiàn)有機(jī)硅基的黑色涂料隨著溫度的升高和加溫時間的延長，其總質(zhì)量損失大幅增加。在真空環(huán)境下對航天器上常用的硅橡膠和灰色電纜進(jìn)行100 ℃、125 ℃和150 ℃的脫氣污染分析（如圖3[12]所示），結(jié)果表明硅橡膠和灰色電纜的放氣分子污染物隨溫度升高而增加，且在最初的5 h 隨時間線性增加。

圖1 在拋光元件上收集的可凝揮發(fā)物，來自真空加熱的Scotchweld 2216 環(huán)氧樹脂[11]Fig. 1 Collected volatile condensable material on polished components, originated from the heated Scotchweld 2216 epoxy in vacuum[11]

圖2 硅基涂料在不同溫度下的放氣預(yù)測[6]Fig. 2 Outgassing prediction for Si-based paint at different temperatures[6]

圖3 溫度對硅橡膠分子污染氣體輸出量的影響[12]Fig. 3 Influence of temperature on the gas output of silicone rubber molecule contamination[12]

除加溫外，模擬工作環(huán)境的溫度更能表征材料在軌的放氣情況。對RTV-S 691、MLI 和EC9323-2三種空間材料在溫度為-75～25 ℃的放氣情況進(jìn)行分析，結(jié)果如表1[13]所示。其中，RTV-S 691 是一種用于太陽能電池的硅基化合物，MLI 樣品是由52 層鍍鋁聚酯薄膜組成的聚酯間隔層，EC9323-2是一種環(huán)氧黏合劑。由表1 可見：EC9323-2 材料在-25 ℃以下不會產(chǎn)生明顯放氣，而MLI 和RTV-S 691材料的放氣分別出現(xiàn)在-75 ℃和-50 ℃。三種材料在低溫下有不同的放氣行為，采用質(zhì)譜儀和色譜儀分析它們排出的分子， 發(fā)現(xiàn)其主要由水（H2O，18 amu）和一些小碳?xì)浠衔锼槠M成（如C2H5，29 amu）[13]。

表1 三種材料在每個放氣溫度階段的總質(zhì)損（TML）[13]Table 1 Total mass loss (TML) for three materials at each outgassing temperature stage[13]

以上研究揭示了不同材料具有不同的放氣溫度，溫度升高會增加材料的放氣量；即使在0 ℃以下的低溫，材料也存在放氣性。值得注意的是，放氣對冷空間光學(xué)元件尤其危險，因?yàn)榕c溫暖表面（Ts＞20 ℃）相比，冷表面（Ts＜20 ℃）和低溫表面（典型測試壓力下Ts＜-110 ℃），放氣分子停留時間通常更長，不容易解吸[6]。

2.2 紫外輻射的影響

紫外輻射會引起材料的出氣增加[14]，以及表面污染物的固化。

Suliga 等分析了常用于航天器的硅基黑色涂料的放氣產(chǎn)物受紫外輻射的影響：硅基污染物在太陽輻射（VUV 和UV 組合）下表現(xiàn)出光固化現(xiàn)象，導(dǎo)致紅外范圍內(nèi)的光學(xué)性能永久性退化[6]。對有無紫外輻射的玻璃樣品的透射率測試結(jié)果表明，紫外輻射會加劇污染并導(dǎo)致玻璃透過率大幅降低（如圖4[15]所示）。Luey 等使用真空顯微鏡觀察了沉積在樣品上的污染物的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)DC 704（長期以來一直被用作有機(jī)硅的代表或類似物，可用于緊湊型傳感器中）放氣污染物經(jīng)115～400 nm 真空紫外輻照后，在20 ℃下會在Si-SiOx樣品表面形成液滴（如圖5[11]所示）；隨著輻照時間的增加，沉積物增加，受真空紫外輻照影響，DC 704 液滴最終轉(zhuǎn)化為污染膜層[11,16]。

圖4 玻璃樣品的光學(xué)透過率[15]Fig. 4 Optical transmittance of the glass specimens[15]

圖5 由紫外線照射DC 704 液滴逐漸增多轉(zhuǎn)變?yōu)楸∧11]Fig. 5 Transition of DC 704 from droplets into a film due to UV irradiation[11]

紫外輻射的污染沉積增強(qiáng)效應(yīng)與輻照階段和溫度有關(guān)。當(dāng)出氣階段受到紫外線照射時，在100～150 ℃的加熱溫度范圍內(nèi)，硅橡膠的污染物質(zhì)量增加了158%～677%，電纜絕緣的污染物質(zhì)量增加了51%～86%；當(dāng)污染沉積階段受到紫外線照射時，沉積溫度在5～70 ℃之間時，硅橡膠的沉積量增加了1.16 倍到1.91 倍，電纜絕緣的沉積量增加了1.48 倍到8.82 倍。

以上研究揭示了紫外輻射對分子污染的增強(qiáng)效應(yīng)：紫外輻射使材料的出氣量增加，使污染液滴變成連續(xù)膜層。這是由于紫外輻射誘發(fā)污染物的活化聚合、分子量增加及其在光學(xué)元件表面的停留時間延長造成的[1]。這種不可逆的污染膜沉積具有重大的系統(tǒng)級影響，必須在航天器設(shè)計(jì)的早期階段加以識別，以避免任務(wù)失敗。

2.3 激光輻照的影響

激光系統(tǒng)在真空條件下運(yùn)行，即使少量的放氣產(chǎn)物，氣相分子也會與激光輻照尤其是短波長激光輻照相互作用而離子化和聚合，最終在激光輻照的協(xié)同作用下沉積在光學(xué)表面，這種現(xiàn)象被稱為激光誘導(dǎo)污染（laser-induced contamination, LIC）。LIC會對激光光學(xué)元件產(chǎn)生災(zāi)難性影響：不僅通過吸收和散射使激光束能量減小，導(dǎo)致光學(xué)性能下降，還會形成損傷源，降低激光系統(tǒng)的損傷閾值，是顯著縮短星載激光系統(tǒng)壽命的重要原因。放氣產(chǎn)物可能為有機(jī)硅、碳?xì)浠衔?、環(huán)氧樹脂和聚氨酯等，來源于激光系統(tǒng)常用的膠、黏合劑、黑色涂層、絕緣材料或電路板等[17]。通過選擇合適的材料和預(yù)處理方法，例如在遠(yuǎn)高于工作溫度的高溫下烘烤，可以減少排氣，但不能完全防止；對光學(xué)元件進(jìn)行清潔可以大大減緩但并不能完全阻止LIC 產(chǎn)物的生長。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，膠、環(huán)氧樹脂、硅樹脂、聚氨酯等在低于10-4Pa 的真空環(huán)境下會產(chǎn)生脫氣產(chǎn)物[18]，且會在紫外激光（波長355 nm，脈寬3 ns，重復(fù)頻率100 Hz，輸出最大能量密度1.1 J/cm2）輻照下在窗口表面沉積形成污染層。為了清晰表征LIC 過程，采用不同工藝制備了355 nm 減反射薄膜和355 nm 高反射薄膜樣品，并準(zhǔn)備了雙面拋光熔融石英樣品，以碳?xì)浠衔铮ㄝ梁图妆剑┳鳛槲廴驹?，分析了紫外激光輻照下不同類型元件表面污染演變過程。

在萘環(huán)境下，用波長為355 nm 激光長時間輻照355 nm 減反射薄膜樣品，入射角為0°，激光能量密度為7 mJ/cm2，萘污染壓力為3.5×10-2Pa，結(jié)果如圖6[19]所示，可見：電子束沉積（electron beam deposition, EBD）樣品比磁控濺射（magnetron sputtering, MS）樣品具有更高的熒光強(qiáng)度，表明EBD 具有更高的污染吸附性；與MS 或EBD 樣品相比，未鍍膜的熔融石英樣品顯示出更低的熒光強(qiáng)度，表明污染程度較低[19]。

圖6 不同樣品表面熒光強(qiáng)度隨波長355 nm 激光輻照時間的變化[19]Fig. 6 Variation of surface fluorescence intensity of different samples with the increase of irradiation time of 355 nm laser[19]

在萘環(huán)境下，用355 nm 激光長時間（15～60 min）輻照高反射薄膜樣品，激光能量密度為300 mJ/cm2，萘污染壓力為2×10-3Pa，用熒光探測到的不同激光輻照時間造成的沉積物形成如圖7[20]所示，可見：雙離子束濺射（ion beam sputtering, IBS）樣品的熒光強(qiáng)度遠(yuǎn)高于EBD 和MS 樣品的，表明污染程度最高；隨著輻照時間的延長，3 種樣品表面的熒光強(qiáng)度降低，表明存在競爭性燒蝕或向非熒光材料的轉(zhuǎn)化[20]。

圖7 LIC 測試后的熒光顯微照片顯示了沉積物的形成[20]Fig. 7 Fluorescence micrographs after LIC tests showing deposit formation[20]

在甲苯環(huán)境下，用波長為 355 nm 納秒脈沖激光多次輻照熔融石英基底，激光能量密度為0.25 J/cm2，甲苯分壓為 10 Pa，激光輻照次數(shù)為1.80×105槍，使用不同探測設(shè)備都可以看到污染痕跡（見圖 8[21]）；隨著輻照時間的延長，污染區(qū)域增大，激光輻照 150 min 后污染物形狀逐步從煎餅狀向甜甜圈狀轉(zhuǎn)變（見圖 9[21]）。

圖8 用不同技術(shù)觀測的激光誘導(dǎo)污染足跡（沉積物）視圖[21]Fig. 8 View of laser-induced contamination footprint(deposit) observed using different techniques[21]

圖9 LIC 試驗(yàn)期間樣品后側(cè)的原位熒光圖像[21]Fig. 9 In-situ fluorescence images of the rear side of the sample during LIC test[21]

在長波長激光輻照光學(xué)表面同樣存在LIC 現(xiàn)象[22]，LIC 通過多光子吸收過程降低激光系統(tǒng)中光學(xué)元件的性能，并導(dǎo)致激光引起的元件損傷。圖10[23]顯示了2 個介質(zhì)光柵上由于長時間激光輻照引起的污染點(diǎn)，測試激光波長為1030 nm，脈寬3 ps，光強(qiáng)降至峰值1/e2位置的直徑為15 mm，激光能量密度約為113 mJ/cm2。由圖10(a)可見激光輻照區(qū)有明顯的污染暗點(diǎn)；圖10(b)是攝像機(jī)在不同角度拍攝的具有相似污染的不同光柵，在激光輻照區(qū)可以看到污染區(qū)的白色邊緣，它是由于拍攝角度不同造成的，LIC 旁邊的亮白色飽和區(qū)域來自用于照亮光柵的手電筒。

圖10 2 個介質(zhì)光柵上由于激光輻照引起的污染形貌[23]Fig. 10 Laser-induced contamination morphologies on two dielectric gratings[23]

以上研究結(jié)果表明：LIC 沉積于光學(xué)元件表面，導(dǎo)致光學(xué)性能下降，形成吸收源；LIC 形成的重要因素包括高重復(fù)率、高平均功率[23]、長時間輻照等；不同波段激光均可引發(fā)LIC 現(xiàn)象。

3 空間光學(xué)元件分子污染的減緩方法

目前空間污染的減緩方法可歸為4 類：1）地面預(yù)處理減緩空間污染，即通過篩除不良材料、真空高溫烘烤等方法降低材料放氣量；2）光學(xué)材料表面改性減少空間污染，即通過改變表面微結(jié)構(gòu)和表面成分等方法減少污染物沉積；3）優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)降低空間污染，即通過加擋板、充氣加壓等方法阻礙分子污染通道、抑制放氣；4）空間污染主動清除，即通過等離子清洗等技術(shù)實(shí)現(xiàn)表面污染物的去除。以上方法中篩除不良材料、真空高溫烘烤、在激光系統(tǒng)內(nèi)充氣加壓、等離子清洗都是減緩空間污染的有效手段。

3.1 地面預(yù)處理減緩空間污染

為了降低用于航天器非金屬材料的放氣，航天器制造前會對非金屬材料進(jìn)行篩選[24]；航天器飛行前，通常會對材料、子系統(tǒng)進(jìn)行真空高溫烘烤，以去除物理吸附或化學(xué)吸附[1]，修復(fù)材料中的缺陷，盡可能降低這些材料的放氣水平。歐洲標(biāo)準(zhǔn)ECSS-QST-70-02C[25]描述了對真空中使用材料進(jìn)行篩選的標(biāo)準(zhǔn)方法，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM E595-2015[26]和中國航天工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ 1558B—2016[27]描述了真空中使用材料的揮發(fā)性能測試方法，QJ 1371B—2016[28]描述了真空中使用材料的可凝揮發(fā)物測試方法，以上均提到熱真空環(huán)境下的分子污染釋放標(biāo)準(zhǔn)。篩除不良材料、真空高溫烘烤是緩解LIC 的常規(guī)方法[1]，但是在消除LIC 方面僅有部分成功，一些長期放氣通量仍將存在并會在航天器的多年使用中連續(xù)積累。

3.2 光學(xué)元件表面改性減少空間污染

表面改性可分為表面結(jié)構(gòu)改性和表面成分改性。

表面結(jié)構(gòu)改性是指在光學(xué)元件表面制備微結(jié)構(gòu)[29]，通過增大表面接觸角，減小顆粒吸附所需表面能和接觸面積，使航天器在軌運(yùn)行過程中利用太陽風(fēng)或振動作用去除顆粒污染，達(dá)到減少污染的目的，但這種結(jié)構(gòu)目前還未被證實(shí)能降低分子污染。表面成分改性是在表面增加有機(jī)涂層，提高表面疏水能力：對溶膠-凝膠SiO2增透膜進(jìn)行等離子體結(jié)合六甲基二硅胺烷（HMDS）的表面改性處理后，膜層收縮，粗糙度下降，極性羥基等有機(jī)基團(tuán)含量減少，接觸角大幅增加（如圖11[30]所示），顯著提高了膜層疏水能力和真空條件下的抗污染性能，并且不影響溶膠-凝膠SiO2增透膜的高損傷閾值屬性。

圖11 溶膠-凝膠SiO2 膜表面接觸角的變化[30]Fig. 11 Change of contact angle of sol-gel SiO2 film surface[30]

3.3 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)降低空間污染

通過對系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化可屏蔽光學(xué)元件的空間污染。例如：根據(jù)需要在污染源與重要表面或敏感器件的直視通路上加裝擋板，可有效阻擋直線傳播的污染分子；將空間激光系統(tǒng)內(nèi)的激光腔充氣加壓后密封，可最大程度地減少暴露在真空中的光學(xué)元件表面。為驗(yàn)證充氧可顯著降低激光誘導(dǎo)污染引起的損傷，在萘污染環(huán)境中充氧，萘初始壓力為10-3Pa，隨后充氧，氧萘比在0:1 到4000:1 之間變化，用波長為355 nm 激光（脈寬10 ns，重復(fù)頻率1 kHz）以1 J/cm2能量密度輻照薄膜樣品入口表面3.6×106槍，結(jié)果如圖12[31]所示：對于低氧萘比，觀察到輻照區(qū)域內(nèi)涂層的激光燒蝕；隨著氧萘比的增加，燒蝕面積變小，在100:1 以上未觀察到燒蝕[31]。這說明損傷是由激光誘導(dǎo)污染引起的，隨著氧濃度的增加，觀察到的損傷減少也是污染減少的明顯標(biāo)志。

圖12 在激光輻照3.6×106 槍后光學(xué)樣品入口面的微分干涉對比顯微照片[31]Fig. 12 Differential interference contrast micrographs at the entrance of optical sample after 3.6×106 shots of laser irradiation[31]

3.4 空間污染主動清除

已經(jīng)被污染的光學(xué)表面是否能主動清除并恢復(fù)使用一直是關(guān)注的焦點(diǎn)，下面對UV/臭氧清洗、激光清洗、射頻等離子源清洗等方法進(jìn)行分析比較。

UV/臭氧清潔與LIC 測試步驟如圖13[32]所示，LIC 沉積在光學(xué)元件表面后，采用UV/臭氧清潔。對樣品上UV/臭氧清潔位置的附加LIC 測試表明，與樣品原始位置的LIC 測試相比，沒有增加的沉積物和相似的沉積物形狀。此外，在臭氧清洗的LIC 斑點(diǎn)位置與LIC 斑點(diǎn)外進(jìn)行的R-ON-1 激光損傷測試的結(jié)果沒有差別[32]。以上表明，UV/臭氧清潔是清潔光學(xué)表面的一種有用方法。不足之處在于，紫外線臭氧清洗需要數(shù)小時才能產(chǎn)生明顯的清潔作用，清潔速度過慢，并且臭氧還會造成其他材料表面的氧化。

圖13 UV/臭氧清潔與LIC 測試步驟[32]Fig. 13 UV/ozone cleaning and LIC test steps[32]

激光清洗雖然也有部分去污染作用，但首先存在 LIC 的風(fēng)險，還可能產(chǎn)生自聚焦。

射頻等離子源清潔效果見圖14[23]，顯微鏡下觀察到鏡面的表面污染被射頻等離子源完全去除。射頻等離子源清洗簡單易用，且具有方向性，能避免對其他材料的影響，是較為理想的清潔方法。

圖14 顯微鏡下鈦:藍(lán)寶石表面射頻等離子源清潔前后比較[23]Fig. 14 Comparison of a Ti: sapphire surface under microscope before and after RF plasma source cleaning[23]

4 展望

空間用光學(xué)元件分子污染主要來源于航天器用非金屬材料的放氣，其受空間環(huán)境的協(xié)同影響明顯。為更好控制光學(xué)元件分子污染，需要更加靈敏的、可測量表面幾nm 或更小的污染層累積的出氣物監(jiān)測儀器；考慮到典型的空間任務(wù)持續(xù)時間從3～15 年不等，加速測試結(jié)果不能與長期暴露真實(shí)數(shù)據(jù)完全一致，并且現(xiàn)有去除技術(shù)存在需要增加航天器載荷以及去除時間長等弊端，因此仍需研究簡單有效的分子污染去除技術(shù)；另外，地面模擬設(shè)備研制應(yīng)考慮空間環(huán)境協(xié)同效應(yīng)。圍繞這3 個目標(biāo)，分子污染研究仍需開展如下工作：

1）分子污染高靈敏度監(jiān)測技術(shù)

采用多種高靈敏度探測手段相結(jié)合的方式，對有機(jī)分子污染的出氣量、種類、沉積過程進(jìn)行監(jiān)測分析。為提高污染出氣量的探測靈敏度，可在石英晶體微量天平傳感器表面制備納米結(jié)構(gòu)，增加比表面積，增強(qiáng)對污染分子的吸附能力；使用飛行時間二次離子質(zhì)譜儀對nm 級厚度污染物的分子團(tuán)種類進(jìn)行分析；使用基于二維材料的肖特基二極管對含N 和含OH 出氣產(chǎn)物進(jìn)行ppm 量級的監(jiān)測；使用激光誘導(dǎo)熒光記錄污染沉積過程；利用分子污染對紫外光吸收嚴(yán)重的特點(diǎn)，使用分光光度計(jì)測量MgF2等窗口污染前后在UV 范圍（130～180 nm）的透過率來監(jiān)測分子污染；采用高靈敏度紅外熱像儀監(jiān)測元件表面在激光輻照下由于污染物引起的溫升變化也是監(jiān)測污染的有效方法。精準(zhǔn)的污染出氣量、成分種類和沉積過程監(jiān)測，以及溫升監(jiān)測將大大提高地面模擬試驗(yàn)和數(shù)值仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，也為采用何種污染去除技術(shù)提供依據(jù)。

2）分子污染在軌高效去除技術(shù)

針對光學(xué)元件的高可靠、長壽命需求，如何有效去除光學(xué)元件在軌污染物是關(guān)鍵技術(shù)之一。噴涂制備兼具污染分子吸附性能和熱控性能的復(fù)合熱控吸附涂層是控制在軌分子污染的可行方法。近年來，美國NASA 已制備出吸附涂層并完成對不同航天器部件釋放污染物的吸附性能的地面測試[33]。未來，通過吸附、阻擋、表面改性、離子體清潔、自主剝離等技術(shù)實(shí)現(xiàn)在軌分子污染物的有效屏蔽和去除，使光學(xué)元件在軌性能滿足長期服役的要求是重點(diǎn)攻關(guān)方向。

3）分子污染地面模擬試驗(yàn)評價和仿真技術(shù)

空間飛行污染試驗(yàn)的成本高、周期長，樣品返回地面后存在恢復(fù)效應(yīng)和再次污染。相比而言，地面污染模擬試驗(yàn)具有成本低、效率高、易于監(jiān)測和調(diào)整以及可加速試驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。然而空間環(huán)境是一個復(fù)雜動態(tài)的系統(tǒng)，航天器所處的軌道、使用的材料、材料使用位置和所處環(huán)境的不同等都使空間環(huán)境對光學(xué)元件污染的協(xié)同效應(yīng)變得復(fù)雜，目前地面模擬試驗(yàn)難以全面、準(zhǔn)確地描述復(fù)雜多變的空間環(huán)境；仿真模擬過程參數(shù)設(shè)定不確定和不準(zhǔn)確，導(dǎo)致仿真結(jié)果與真實(shí)情況有一定差距，更難以準(zhǔn)確重現(xiàn)復(fù)雜空間環(huán)境。因此，先進(jìn)的分子污染地面模擬試驗(yàn)評價和仿真技術(shù)的突破對于分子污染效應(yīng)研究具有重要的推動作用。