40 keV 质子辐照对HfO2/SiO2 高反射薄膜激光损伤性能影响试验研究

管 爽，于 强，李 宇，王亚南，王 可，韩佳岐，钮信尚，马 彬*

（1. 同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092； 2. 北京卫星环境工程研究所，北京 100029）

0 引言

随着空间技术的发展，激光系统在空间领域的应用日益广泛。激光高反射薄膜是空间激光系统中激光产生和输出部件的重要组成部分，其性能的变化会直接影响激光系统的稳定性。与地面环境所使用的薄膜有所不同，空间应用的薄膜除了要满足光学性能指标外，还必须能够抵抗复杂恶劣空间环境的影响。近地空间环境中的影响因素主要包括高真空、太阳紫外辐照、带电粒子辐射、原子氧、热循环、微流星体及空间碎片撞击等。这些因素将会造成薄膜材料的理化性质改变，从而影响空间光学仪器的使用寿命。

国内外很多研究机构利用空间飞行实验和地面加速模拟试验来研究不同环境因素对空间环境下薄膜性能的影响。美国航空航天局（NASA）通过将多种激光薄膜和基底材料搭载在国际空间站的LDEF（Long Duration Exposure Facility）上，获得了不同薄膜的光谱性能衰减规律和材料表面形貌变化；上海卫星装备研究所、中国科学院光电技术研究所等研究机构也通过地面装置开展模拟试验，获得了大量试验数据。

带电粒子辐照作为空间环境中的重要影响因素，其探测和模拟得到了广泛关注。在低地球轨道，空间带电粒子以质子和电子为主，质子和电子的分布和密度随轨道高度不同而变化，能量越高通量越低，在距地约1000 km 的轨道高度上，电子和质子能量主要集中在2 MeV 以下，年辐照注量约为10cm。目前国内外的研究主要集中在带电粒子辐照损伤机制的理论探究和样品辐照前后的宏观变化，而涉及质子辐照对光学元件激光损伤阈值的研究相对较少，特别是对其作用规律和机制尚不完全明确。

本文重点研究低能质子辐照对高反射薄膜激光损伤性能的影响。采用电子束蒸发法制备了高反射薄膜样品，进行低能质子辐照模拟试验，采用定点原位测量技术测量辐照前后样品同一区域的微观形貌和粗糙度等信息；结合高分辨光热吸收测试，获得辐照前后选定区域的光热吸收图像，明确辐照对薄膜光热吸收性能的影响；分别采用单脉冲和多脉冲激光损伤阈值测量方法，表征各类微小初始破坏的激光损伤阈值及其对元件光学性能的影响。结合SRIM 程序模拟低能质子注入的计算结果，定量分析特定角度和能量下低能质子入射至靶材中的传输轨迹和数密度分布。

1 试验材料与设备

1.1 样品准备

通过电子束蒸发工艺在30 mm×5 mm 的熔融石英基板上镀制了1064 nm/532 nm/355 nm 三波段高反射薄膜（高反膜），镀膜机型号为OTFC-3000。图1 为所设计三波段高反膜的膜层厚度分布，反射膜采用HfO/SiO膜堆，共计79 层，膜系结构为0.327(0.8H 1.2L)^17 (0.7H 1.3L)^22 L，其中H 代表45°入射下的1/4 波长厚度的HfO单层膜，L 代表45°入射下的1/4 波长厚度的SiO单层膜，0.327 代表中心波长在0.327L，使用角度为45°。

图1 三波段高反膜膜系设计示意Fig. 1 Configuration of the three-band high-reflective membrane

1.2 质子辐照试验设备

质子辐照模拟试验在北京卫星环境工程研究所进行，所用设备为800 mm综合辐照试验设备，真空度为3.5×10～5×10Pa，束流不均匀度10%，束流不稳定性±4%，样品台温控为25 ℃。在近地空间环境中，随质子能量降低，通量呈增加趋势，能量在200 keV 以下的低能质子比高能质子通量高出几个数量级。结合试验设备能力，本研究选择的质子辐照能量为40 keV，通量为2.5×10cm·s，累积通量为1.0×10cm，对直径30 mm 的样品进行全区域辐照。

1.3 分析表征方法

利用安捷伦公司生产的Cary 7000 紫外–可见–近红外分光光度计对样品进行光谱测试，测试范围为300～1500 nm，测试角度为45°。

利用Bruker 公司生产的Dimension Icon 原子力显微镜对样品进行微观形貌观测。通过工装的限位和压痕标记点的二次定位，对质子辐照试验前后的样品用同样方法对同一区域进行测试，实现高精度原位测量。

光热吸收测试在合肥知常光电有限公司进行，分别采用355 nm、532 nm 和1064 nm 工作波长的高分辨光热显微扫描系统对辐照前后的样品进行扫描成像，扫描步距为2 μm，扫描区域为300 μm×300 μm，扫描点数量为150×150。

利用Spectra Physics 的Nd:YAG 激光器，搭建了激光损伤阈值测试系统，测试光路及装置如图2所示，激光器的主要参数如表1 所示。损伤阈值测试系统由能量调节区域、聚焦区域和损伤监测区域组成。损伤在线观测设备采用配备了70～700 倍目镜的HIROX 长距显微镜和Spiricon SP620U 的CCD组合来获得μm 尺度成像分辨率的图像实现在线观察，结合微分干涉显微镜的离线检查判断样品是否发生损伤，以准确获得激光损伤的数据。

图2 激光损伤阈值测试系统Fig. 2 Schematic diagram of the laser damage threshold measurement system

表1 激光器参数Table 1 Parameters of the laser device

2 试验结果与讨论

2.1 光谱测试结果分析

经低能质子辐照，三波段高反膜样品的光谱透过率曲线如图3 所示，测试波段为300～1500 nm，其中蓝色和红色曲线分别代表辐照前和辐照后的测试结果。可以发现辐照前后的光谱测试曲线基本一致，且与设计值相吻合。研究表明，材料的光谱变化与辐照质子的能量、通量有直接关系，而对于低能质子辐照，能量的影响相对较小，光谱变化主要是随着通量的增加而透过率降低。因此推测，由于本文中辐照质子能量较低（40 keV），累积通量较小（1.0×10cm） ，并未对样品的光谱透过率产生明显影响。

图3 低能质子辐照前后样品的透过率曲线Fig. 3 Transmittance curve of the sample before and after the low-energy proton irradiation

2.2 显微形貌测量结果分析

为了探究40 keV 质子辐照对HfO/SiO三波段高反膜表面的破坏效果，通过原子力显微镜在质子辐照前后对同一样品的相同区域（面积5 μm×5 μm）进行原位测试，结果如图4 所示。通过对比图像可知，高反射薄膜的表面形貌无明显变化，辐照前、后样品的粗糙度分别为2.41 nm、2.45 nm，基本相同。

图4 质子辐照前后样品的表面形貌Fig. 4 Surface topography of the sample before and after the proton irradiation

2.3 光热吸收测试结果分析

材料的光热吸收特性是影响薄膜性能的关键因素，通过对比光热吸收强度的差异可以判定单个缺陷成为激光损伤源头的可能性，分析薄膜整体损伤性能。因此，对样品的同一区域在质子辐照前后进行光热吸收对比测试，3 种工作波长的光热吸收相对值测试结果如表2 所示。结果表明，质子辐照后3 种工作波长下薄膜的光热吸收相对值均较辐照前小幅增加，其原因是质子辐照可能导致光学元件产生缺陷，从而使光学元件表面吸收增强。具体来讲就是，材料的光热吸收特性对nm 级强吸收源、亚μm 尺度缺陷以及元件的整体吸收强度均十分敏感，而光谱测试和原子力显微测试难以检测到nm 级缺陷，结合光谱测试和显微形貌测试结果不难发现，质子辐照导致的破坏应该是在材料内部形成的微小晶格缺陷，从而造成材料光热吸收强度的小幅增加。图5 所示为532 nm 工作波长下样品的光热吸收测试图像。

表2 不同工作波长下的光热吸收相对值测试结果Table 2 Test results of relative photothermal absorptions of three operation wavelengths

图5 样品同一区域在质子辐照前后的光热吸收图像（工作波长为532 nm）Fig. 5 Photothermal absorption images before and after irradiation (of operation wavelength of 532 nm)

2.4 激光损伤阈值测试结果分析

激光损伤阈值测试采用S-on-1、R-on-1、光栅扫描3 种方式。S-on-1 测试按照ISO 21254 标准，采用多个能量密度递增的方式进行，每个激光能量密度下对个测试点进行激光损伤阈值测试，每个测试点的计划辐照次数为：在次脉冲辐照过程中，如果在一个测试点未满次辐照下样品已经发生损伤则快速关闭快门，并移至下一个测试点；如果一个测试点的辐照次数已满次而未发生损伤，亦移至下一个测试点继续测试。本研究将设为10，每组能量密度诱导10 个区域，每个诱导损伤位置间隔为光斑尺寸的10 倍，以尽量减小由于损伤生长对样品造成大规模破坏而影响损伤阈值测试结果的可能。记录下每个激光诱导位置的测试结果，结合Normaski 显微镜的离线对照，确定每组能量密度下损伤点的个数，最终得出损伤概率，从而计算出样品的损伤阈值。S-on-1 测试表征的是随机的、一定数目测量区域的激光损伤阈值。图6 为3 种工作波长下S-on-1 测试得到的损伤阈值线性拟合结果。

图6 S-on-1 测试得到的损伤阈值线性拟合Fig. 6 Linear fitting of damage threshold by the S-on-1 method

对图6 进行分析可知：在1064 nm 的工作波长下，辐照前后的损伤阈值分别为67.06 J/cm和52.36 J/cm，降幅为21.92%；在532 nm 的工作波长下，辐照前后的损伤阈值分别为10.48 J/cm和7.76 J/cm，降幅为25.95%；在355 nm 的工作波长下，辐照前后的损伤阈值分别为2.94 J/cm和1.98 J/cm，降幅为32.65%。可以发现经40 keV 质子辐照后三波段高反膜在3 个工作波长下的损伤阈值均明显降低。

与S-on-1 测试不同，R-on-1 测试是在同一测试点以最低能量密度为初始能量密度诱导，再等间隔增加能量梯度直至损伤，得出该点的损伤阈值，表征的是测量区域在激光预处理下的最高激光损伤阈值；光栅扫描是以激光光斑直径的90%为光栅扫描光斑直径，光斑相切，通过调节移动电机的速率来控制，扫描面积为3 mm×3 mm，表征的是测量区域内极弱点的激光损伤性能，适合评价面向工程应用、全口径范围光学元件的整体激光损伤性能。1064 nm 工作波长下3 种测量方式测得的样品辐照前后损伤阈值对比结果为：S-on-1 测试得到辐照前后的损伤阈值分别为67.06 J/cm和52.36 J/cm；R-on-1 测试得到辐照前后的损伤阈值分别为141.30 J/cm和119.56 J/cm，光栅扫描测试得到辐照前后的损伤阈值分别为46.74 J/cm和41.30 J/cm。可以看到，采用不同测试方式所得到的结果均显示经40 keV 质子辐照后三波段高反膜的损伤阈值明显降低。

2.5 小结

通过上述测试结果分析可以看出，质子辐照前后三波段高反膜（多层膜）的光谱特征、表面形貌、光热吸收特性没有明显差异，但质子辐照仍然造成其激光损伤阈值显著降低。这说明经质子辐照后产生了常规检测手段无法甄别出的差异。为了进一步探究质子辐照的作用机制，需要对入射质子和靶材料交互作用进行模拟仿真。

3 SRIM 模拟与分析

本文利用SRIM 软件对入射质子和靶材料交互作用进行蒙特卡罗模拟仿真。分别对40 keV 质子辐照HfO/SiO三波段高反膜（多层膜）、SiO单层膜、HfO单层膜进行模拟，其中注入低能质子数量设置为10个，以便提高运算结果的可靠性和准确度。通过辐照过程中的粒子轨迹、射程分布、能量损失和缺陷产生的情况，分析辐射效应机制，阐述粒子在材料中输运的具体过程。

图7 所示为SRIM 软件模拟40 keV 质子入射到3 种材料过程中的粒子轨迹。

图7 SRIM 模拟低能质子注入轨迹Fig. 7 SRIM simulation of proton injection trajectory in reflective film

图8 为40 keV 质子入射至3 种材料中的质子数密度分布。可以看出，3 个过程中质子数密度随入射深度的增加均呈现先升高后降低的趋势。对于多层膜而言，质子主要集中在0.35～0.48 μm 的深度范围，在0.42 μm处出现数密度最大值；对于SiO单层膜而言，质子数密度在0.55 μm 处出现最大值；对于HfO单层膜而言，质子数密度在0.4 μm 处出现最大值。通过对比不难发现，质子入射至HfO膜的最大射程明显短于在SiO膜中的。这是由于材料的阻止本领与质子入射的能量以及质子在靶材中的密度分布密切相关，且高原子序数和高密度的物质具有较高的阻止本领。HfO的密度为7.368 g/cm，SiO的密度为1.873 g/cm，Hf 的原子序数大于Si 的原子序数，这是造成质子入射至这2 种单层膜时产生差异的主要原因。

图8 SRIM 模拟低能质子入射径向数密度分布Fig. 8 SRIM simulates radial concentration distribution of low-energy proton incident reflective films

通过分析图7(a)和图8(a)可以发现，辐照过程中质子主要集中在表面膜层，对内部膜层和基底材料几乎没有影响。这是由于入射粒子在材料中的射程与其能量成正比，40 keV 低能质子在材料中射程较小，导致其在材料的表层有较大吸收剂量，从而主要对材料的表面性能产生影响。当质子由SiO入射至HfO靶时，受到的阻力明显增大，这也符合之前的模拟结果。

带电粒子产生的辐照损伤效应主要表现为电离、声子激发和原子置换。SRIM 软件计算得到，质子入射至本文所研究的3 种靶材的过程中能量损失均以电离能损为主。下面仅对HfO/SiO三波段高反膜进行分析，其电离能损高达98.17%，电离效应能使材料的内部产生色心缺陷。对于激光损伤来讲，亚nm 尺度的微缺陷就会造成吸收中心，导致局部诱导激光损伤，这种极其微弱的缺陷对光子能量的吸收所产生的电离过程往往就是多光子吸收过程。多光子吸收激发禁带电子至导带，导带电子通过光电场加速作用或自由载流子吸收被激发至更高能态，随后多余能量通过雪崩转移到晶格或产生电子–声子效应即晶格加热，从而极大地降低材料的激光损伤阈值。而较高密度的色心才会导致光谱的明显漂移，这就说明低能质子辐照后，虽然材料的透光率无明显变化，但激光损伤阈值明显降低。

4 结束语

本文主要研究了40 keV 质子辐照对HfO/SiO三波段高反膜光学性能的影响。通过地面辐照模拟装置结合不同的分析表征手段，得到辐照质子能量为40 keV、累积通量为1.0×10cm时，对材料的光谱特性无明显影响；辐照后，样品显微形貌基本不变，光热吸收特性差异不大，但激光损伤阈值明显降低。SRIM 模拟的结果表明，质子入射HfO/SiO三波段高反膜后的能量损失以电离能损为主，也正是这一效应导致材料的色心缺陷，使样品在强激光作用下发生晶格破坏，从而导致激光损伤阈值降低。

上述工作有助于后续深入开展多种因素耦合作用对空间高反射薄膜的激光损伤性能影响的研究。计划在未来试验中制备单层高反膜，并同步进行辐照试验研究。