航天器激光防护材料研究现状与发展趋势

冯守志，圣冬冬

（上海航天信息研究所，上海 201109）

0 引言

进入新世纪以来，各种军用卫星作为作战指挥员的“耳目”和“神经中枢”，在现代高科技战争中已具有举足轻重的地位，而用于攻击这些军用卫星的各种反卫星武器也处在快速开发中，其最终目的是使敌方指挥、控制、通信、情报系统陷于瘫痪，从而获取战争的胜利。激光武器就是这类反卫星武器中的重要成员。激光武器运用极细的强激光光束向航天器瞄准照射，通过高热、电离、冲击和辐射等综合效应，使运行于轨道上的航天器的传感器、光电仪器或航天器本体遭受毁灭性破坏。因航天器的轨道可测量，航天器相对地面运动的角速度不算太快，故对激光武器瞄准系统的精度要求并不苛刻，加之航天器的光电系统结构设计相对脆弱，破坏阈值较低，易遭攻击。在激光武器中，较成熟的是地基中红外高能激光器和天基红外化学激光器［1］。

针对激光武器的巨大威胁，卫星的防护特别是对航天器上的光电传感器的防护需求显得越来越紧迫。传感器作为微弱信号探测设备，对进入其视场的特定波段电磁信号有很高的灵敏度，当它吸收的能量超过破坏阈值时就会丧失部分或全部光学、电学性能，因此航天器激光防护材料研究在各国已相继展开。目前发展的主要激光防护材料有基于线性光学原理、基于非线性光学原理和基于相变原理的激光防护材料。其中：基于线性光学原理的激光防护材料属于波长防护型材料，基于非线性光学原理和相变原理的激光防护材料属于光强防护型材料。本文对航天器激光防护材料研究现状与发展趋势进行了综述。

1 基于光学线性原理的激光防护材料

在20世纪六七十年代，基于线性光学原理的激光防护技术获得了快速发展，主要包括吸收型、反射型和吸收／反射复合型、衍射型、爆炸型、光电型等激光防护技术等形式，后来又发展了利用全息光学原理设计的激光防护技术。

美陆军纳蒂克研究中心研制一种组合式层状结构防护镜，利用了多层介质膜对特定波长激光的反射衰减达到激光防护效果，据报道可防护波长532，694，1 064nm三种激光，光密度（OD）为4，可见光透过率（VLT）达73%，主要缺点是玻璃箔易损。目前国内专利报道在有色滤光片上用真空电子束蒸镀制备高反膜（膜系为Sub／（HL）11H2L／Air，最外层加镀了SiO2半波覆盖层），高反膜的损伤阈值为15.3J／cm2，对某一波段具高反射性，而对其他波段则有高透射性及抗化学浸蚀性。专利用溅射法制备了Sub／（HL）pH2L／Air（p＝9～15）防护膜，对波长1.06，1.315μm的激光高反射，可见光则高透过。

但总的说来，该类波长防护型材料只对波长敏感，对强度不敏感，对波长相同强度不同的光辐射具有同样的透射率。该特性使其只能防护单波长激光，防护带宽较窄，不能区分同一波长的强光和弱光，在阻止某一波长强激光破坏的同时，也阻止了该波长弱光的接收。当入射激光辐射波长与光电传感器工作波长相同时，光电传感器就不能接收正常信号；反之，欲接收信号就不能防激光致盲，两种功能不能兼顾，且响应时间较长，在选用或设计该类防护技术时，需折中考虑传感器正常工作的要求和防护技术的要求。另一方面在未来战争中很难预知敌方激光武器的光源波长，实际使用中存在一定的局限性。采用光强防护型型材料是今后的发展趋势。

2 基于非线性光学原理的激光防护材料

20世纪80年代发展了基于非线性光学原理的激光防护技术。这种新型激光防护技术亦被称为光限幅（OL）技术，主要利用三阶非线性光学效应，是一种有前途的光强型激光防护材料［2］。

非线性光限幅的物理过程如图1所示。当激光入射介质时，在低入射光能Ei下，介质的线性透射率较高，输出光能随入射光强增加而线性增大；在高光能下，因介质的非线性光学效应使透射率下降，当入射光强达到一定阈值Eth后，输出光能被限制在接近Ec的一定的光强范围内不再增加，直到过强的光能ED使器件的材料发生破坏。理想情况下，Eth被称为光限幅的输入阈值，一般定义为限幅器非线性透射率降低至线性透射率一半时的输入能量；限幅能量Ec被称为输出箝位值；ED为器件的损伤能量阈值。

图1 光限幅Fig.1 Optical limiting

与线性光学材料相比，光限幅器的优点是防护动态范围大、响应波段宽、响应速度快、可见光透射率高。基于非线性光学原理可分为非线性吸收、非线性折射、非线性散射、非线性反射，以及多种非线性光学效应复合光限幅等。随着自由电子激光的发展，激光武器的发展趋势是波长可调谐，防护效果与波长无关的非线性防护技术将是未来发展的方向。但目前非线性激光防护技术多处于早期研究阶段，距实际应用有一定差距。

非线性光学材料对波长和光强均敏感，故对相同波长的强光和弱光入射时的作用并不相同，能阻止强能量激光透过同时不影响低能量的可见光透过。根据非线性光学原理，在弱光作用时，不能产生非线性光学效应，允许弱光透过；在有强光作用时，非线性光学材料产生非线性效应，阻止强光的透过，且如材料对入射光的色散小，原理上可实现对宽波段连续可调谐激光的防护。非线性光学材料克服了线性光学防护方法的缺点，同时兼顾了同一波长的高光学密度和高透明度两个指标，当激光波长与光电传感器工作波长相同时，能兼顾光电传感器接收信号与激光致盲防护两种功能。

具有光限幅效应的材料多为高分子光限幅材料，主要有富勒烯C60、碳纳米管、卟啉、金属酞菁、聚炔等非线性反饱和吸收材料。不同材料的非线性机制各异，早期研究的非线性材料以无机晶体为主，但因高质量的单晶生长困难，价格昂贵，无法满足迅速发展的光通信、光信号处理需要的较高要求，难以满足高容量、高速度、高频宽和易加工性等的要求，实际应用受到了极大限制。因此，为适应科技的飞速发展，对非晶体材料尤其是有机高分子光限幅材料进行了大量研究。

a）富勒烯C60

富勒烯是全碳分子的一系列笼形单质分子的总称，包括C60、C70、C84、碳纳米管等，是20世纪80年代发现的新型碳材料。与石墨、金刚石一样，富勒烯是碳的一种同素异形体，因独特的笼状结构和物理化学性质，而有广阔的应用前景。

富勒烯C60是由60个碳原子构成的一个球形，具有三维的球面介电子共轭结构（如图2所示），有更强的光学非线性。它的光限幅效应时间短、限制频带宽，在低光强激发下线性透过率较高，输出光强随入射光强增加近似线性增加，而在高光强激发下介质的非线性透过率较低。当入射光功率达到一定阈值后，随着入射光强的增加，输出光强被限制在一定范围内［3］。因此，利用C60在可见光、近红外的光限幅特性，其掺入光学玻璃可实现制导系统对可见光、近红外和可调谐激光的防护。

图2 C60分子结构Fig.2 C60molecular structure

b）碳纳米管

碳纳米管自1991年被日本NEC公司的Iijima首次发现以来，特别是单壁碳纳米管的发现和批量合成成功后，引起了广泛的关注。近年来，实验发现碳纳米管在光限幅中表现出良好的性质，其光限幅带宽大、响应时间短、限幅阈值较低，使其成为继C60后又一理想的光限幅材料，是物理学、化学和材料科学等学科中最前沿的研究领域之一。

对碳纳米管光限幅的机理，目前尚无统一认识，还需进一步研究。有认为是非线性吸收（反饱和吸收，多光子吸收），也有认为是非线性折射和非线性散射。最近的研究还表明，可溶性碳纳米管的非线性吸收不同于C60的三重态－三重态激发态吸收，而是单态－单态激发态吸收。

c）卟啉

卟啉是在卟吩环上连有取代基的一类大环化合物的总称。卟吩是由4个吡咯环和4个次甲基桥联成的大π共轭体系，是平面型分子，具有芳香性。卟啉的命名目前使用的原子编号法有两种，如图3所示。吡咯环间的碳（5，10，15，20或α，β，γ，δ）被称为中位（meso）。当卟啉氮原子上2个质子被金属取代时，即为金属卟啉。

卟啉具有很大的π共轭体系，电子离域程度大，使其三阶非线性响应特性非常显著。高的三阶非线性响应特性为其作为光限幅材料提供了基础。研究表明：卟啉的光限幅效应不仅体现在可见光区，随结构的调整亦可达近红外区，可用于对宽波段可调谐激光武器的防护。此外，由于卟啉及卟啉的衍生物的光限幅效果明显，响应速度快，它还适于防护高能量高密度激光。另外，卟啉金属配合物还可提高其三阶非线性的光学性质。因此，卟啉类材料的研究己成为非线性光学理论中的热点。

d）金属酞菁

酞菁（Pc）是由4个异吲唑单元组成的平面共轭大环体系，与天然存在的化合物卟啉类似，将卟啉的母核卟吩4个meso位上的碳原子换成氮原子，并在周边位置并上苯环4个，就构成了酞菁，酞菁有时也被称为四苯并氮杂卟啉。但与卟啉不同，酞菁是一种人工合成的化合物，当金属原子M取代了位于酞菁分子中心的2个氢原子后，酞菁与金属元素结合可生成金属酞菁（MPc）。

金属酞菁及其衍生物是一种重要的反饱和吸收化合物，具有18个高度共轭的π电子体系，并且可以通过分子剪裁，如改变其周边取代基、轴向配体、共轭结构的大小以及插入中心金属等改变其物理化学性质。金属酞菁具有良好的化学稳定性和热稳定性，较大的三阶非线性系数和较快的非线性光学（NLO）响应速度，良好的光限幅性能和激光防护效果，这点与C60及其有机／高分子衍生物相类似，在光限幅材料研究中备受关注，显示出良好的应用前景。

e）聚炔类材料

自20世纪70年代以来，聚炔类激光防护材料引起了极大关注。聚炔类材料具很强的π电子离域能力，易极化，故响应时间快，三阶非线性光学系数大，是一种较好的非线性光学材料。

目前，聚炔化合物光限幅性能的研究尚还处于萌芽阶段。合成出新的具有大χ（3）值，激发态吸收截面大的聚炔化合物，是研制新型光限幅材料重要途径之一。

3 基于相变原理的激光防护材料

基于相变原理的激光防护材料是20世纪80年代发展起来的新型防护材料，它是另一种光强型防护材料，利用其热致相变机理可以实现强激光防护。相变材料在室温下为一种结构，呈透明状态。在受到激光的照射后，材料产生温升，当温度上升到一定程度时产生相变，转变为另一种结构，变成不透明状态。

目前研究最多的相变材料是VO2薄膜。VO2因激光束照射而受热时，材料将发生半导体－金属的相变过程，VO2将从高温四方晶系相变到低温的单斜晶系。在此过程中，其光电特性发生较大变化，特别是红外特性将从高透射转变为高反射（如图4所示），因而可作为3 000～5 000nm和8 000～12 000nm红外探测器的激光防护材料，阻挡红外光和电磁辐射的攻击，从而实现激光防护。将元素W，Cr，Ti等掺杂到VO2薄膜中，可调整其相变温度、响应时间和损伤阈值［4］。

VO2单晶在经历数次可逆相变后常会破碎成粉状物，但其薄膜形态可经受反复的相变过程而不致损坏，故与VO2相变特性有关的各种应用均基于VO2薄膜进行研究。VO2响应时间10－11s，迟滞1.3×10－9s，VO2薄膜在激光防护领域有广泛的应用前景。

据报道，美国西屋电器公司按美国防部的保密计划，研制成功了一种氧化钒防激光膜，用于保护卫星上红外探测系统免受高功率激光武器的破坏。当高功率激光射到卫星的镀有氧化钒薄膜的红外窗上时，激光的热激励氧化钒薄膜，使薄膜起变化立即阻止激光透过，激光消失立即恢复透明。该薄膜由VO2，V2O3组成，可正常工作25年，目前一种保密镀膜工艺已能实现薄膜镀层厚度1μm。但这种基于相变原理的激光防护材料仅限于红外波段激光的防护。

VO2薄膜的优点是当激光波长与光电传感器工作波长相同时，能兼顾接收信号与抗激光致盲两种功能，防护带宽较宽；缺点是当激光照到VO2膜上后，发生相变需一定时间，不能保证被保护产品一定不被损害，同时从金属态恢复到半导体态需要一定时间，在恢复时间内，VO2薄膜对红外辐射呈低透射，光电传感器不能正常接收信号。考虑航天器的使用要求，目前VO2薄膜相变材料和C60非线性光学材料是实现航天器激光防护的理想材料，特别是两种材料的复合体。C60光学材料可弥补VO2薄膜材料反应速度慢的缺点，而VO2薄膜又弥补了C60光学材料不耐热冲击的缺点，两者联合可较好地实现航天器遥感光学仪器的激光防护。

4 国内外研究现状与发展趋势

目前激光防护材料主要集中在应用基础研究领域。在实用化研究领域，美国等技术先进国家在不懈努力，以提高光电传感器件及光学系统的激光防护能力。

除对反饱和吸收型非线性激光防护技术研究外，对非线性散射、非线性折射和非线性反射激光防护进行了研究，涉及的材料也十分广泛，在实用化方面也进行了大量的研究。同时，美国部队已经装备具强激光防护功能的望远镜。

综合分析现有及在研的激光防护材料，可得出其特点和发展趋势如下。

a）向大功率、全波段防护方向发展。激光技术的发展不仅使激光的波长范围越来越大，而且激光的功率（特别是用于战争的激光武器）也得到了很大的提高。目前的激光防护可能因激光功率过大或激光波长不是滤光片的防护波长而失效。利用非线性光学原理和非线性光学材料制造的光学开关和限幅器，能对付任何波长的高功率激光。这些光学开关和限幅器件具有带宽大、响应速度快、自然光透过率高等优点，代表了激光防护的发展方向。

b）向良好的可见光透过率、大入射角和高光学密度方向发展。基于线性光学原理的三种防护方法中，衍射型激光防护既能有效反射特定波长的激光，又具良好的可见光透过率及广角性。基于非线性光学理论的光开关型滤光镜对入射光的能量敏感，在阻止强能量激光透过的同时不影响低能量可见光的透过，防护带宽和可见度均较理想。

c）利用两种或多种原理技术的综合性方案，进一步改善激光防护性能，向实用化方向发展。为适应现代化战争的需要，实现对激光、微波、弹片等的综合性防护，对新的原理、材料、技术进行探索和尝试。这将是目前及今后激光防护研究的主要内容。

5 结束语

随着激光武器技术的飞速发展，航天器光学系统所受到的威胁越来越大，对激光防护材料的要求也就越来越高。要求激光防护材料具有防护效果好、透光率高、防护波段宽、响应时间短等特点，但很明显目前的激光防护材料还不能完全满足激光防护的要求。这需要加强相关研究。

［1］ 刘必鎏，时家明，严学澄，等.激光对卫星的威胁及其防护［J］.红外与激光工程，2009，38（3）：470－475.

［2］ 熊玉卿，罗崇泰.星载光学遥感仪器激光防护薄膜技术［J］.红外与激光工程，2007，36（6）：902－905.

［3］ 张岩松，温万田.激光防护材料的研究现状及发展趋势［J］.光电技术应用，2004，19（5）：40－43.

［4］ KAN J B，KAN P，ATEBA O.Thermochromic VO2thin films synthesized by RF－inverted cylindrical magnetron sputtering［J］.Applied Surface Science，2008，254（13）：3959－3963.