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超强激光科学卓越创新简报

(第四百六十三期)

2023年12月28日

上海光机所在激光薄膜的空间高能辐射稳定性研究中取得新进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部和意大利国家新技术、能源和可持续经济发展局、北京卫星环境工程研究所合作，在激光薄膜的空间高能辐射稳定性研究中取得新进展，为耐辐射空间光学元件的研制提供了新思路，相关研究成果以“Effect of residual impurities on the behavior and laser-induced damage of oxide coatings exposed to deep space radiation”为题，发表于Optical Materials。

随着空间探测的逐渐深入和激光技术的迅速发展，空间激光器在多个领域都发挥着不可替代的作用。薄膜元件作为光学系统中最为薄弱的环节之一，其可靠性和稳定性对空间激光系统至关重要，但空间中极端恶劣的高能辐射环境使得空间应用的薄膜元件的稳定性面临严峻的考验。原子层沉积技术有望制备更高激光损伤阈值的薄膜，但沉积过程中残留的杂质元素可能会影响薄膜在空间辐射中的性能表现，因此有必要对原子层沉积薄膜的空间辐射稳定性开展评估研究。

研究团队针对不同杂质含量的氧化物薄膜开展了质子、紫外辐射实验，质子辐射剂量相当于低地球轨道地球同步轨道（GEO）6年的辐射剂量。研究表明低杂质含量的薄膜在空间质子、紫外辐照后生成了E’色心、非桥氧等色心缺陷，通过光谱解析法分析了两种辐照后的色心演化，发现色心种类与膜内氢元素的分布密切相关，色心缺陷导致薄膜紫外波段的光学性能退化，355nm激光损伤阈值明显下降。高杂质含量的薄膜杂质以前驱体残留的碳元素为主，在氧化锆薄膜中主要表现为C-Zr结合，使得膜内存在较多氧缺陷。在空间辐照时质量较轻的杂质元素先吸收辐射能量被碰撞移位，释放出的膜层元素与原有的氧缺陷结合使得膜内缺陷减少，维持了性能稳定。辐照后的薄膜的光学性能恢复，激光损伤阈值不降反升，但杂质的存在导致薄膜的初始损伤阈值不高。研究成果为空间应用的光学元件提供了新的研制思路，通过超轻元素掺杂提升辐射稳定性，有助于拓展新型薄膜沉积工艺和薄膜材料在空间环境中的广泛应用。

相关工作得到了中意政府间国际科技创新合作重点项目、国家自然科学基金委、中国科学院青年创新促进会的支持。

原文链接

图1 低杂质含量薄膜在空间辐射前后的色心种类

图2 不同氧化物薄膜在空间辐射前后的激光损伤概率和阈值

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