光電設備激光防護技術研究進展

張玉發，孫曉泉

(脈沖功率激光技術國家重點實驗室，安徽合肥230037)

1 引言

隨著現代激光技術的迅速發展，激光的應用已經滲透到軍事裝備中各個方面，從而造成了激光威脅。現有的光電設備中的光學鏡頭、內部光學元件、傳感器等往往因為具有高累計光學增益而容易遭受強光輻射攻擊，造成材料無法復原而失去功能。因此，對光電設備進行必要的防護是提高其戰場生存能力的重要措施［1－2］。

由于光電設備結構和元器件材料的多樣性，能夠用于激光防護的方法也具有多樣性。目前的理論和實驗研究涉及基于線性光學、非線性光學和光學相變原理等，其形式包括薄膜型減反、高反結構，光子晶體帶隙結構，化學聚合物結構，物理數碼微鏡結構等。每種結構都有其各自的特點。

本文著眼于光電設備的激光防護，從激光破壞閾值，衰減能力和有效工作波段入手，分析了各類材料和技術的作用機理、防護機制、性能指標和最新研究成果，總結各自的優勢、特性、局限性以及進一步研究方向。

2 薄膜結構

光學薄膜是光學系統的重要組成部分，光學薄膜最初的應用主要是減反作用，隨著薄膜理論及薄膜鍍制工藝的發展，光學薄膜衍生出分光膜、高反膜、偏振膜以及各個波段的窄帶、帶通濾光膜等種類，廣泛地應用于光電顯示、光通訊等領域［3］。

在激光防護膜破壞閾值方面，熊玉卿等［4］以TiO2和SiO2作為高低折射率材料在K9玻璃上鍍膜實現了對氧碘激光的防護，實測光譜如圖1所示。在不影響遙感儀器正常工作的條件下，可將遙感儀器的激光損傷或致盲閾值提高80倍。在500～900 nm范圍內，平均透射率達到95．2%，在以1315 nm為中心的一定波段范圍內，反射率超過99．3%。防護薄膜對于1315 nm連續激光的損傷閾值在1 MW/cm2量級，提高了衛星光學遙感儀器的生存能力。

圖1 激光防護薄膜典型實測光譜

在激光防護膜對能量的衰減效果方面，石澎等［5］選取 Si和 YbF3，ZnS和 YbF3兩種高低折射率組合形式研制了激光防護減反膜，透射率曲線如圖2所示。在多光譜ZnS基底上，制備的雙波段激光防護紅外減反膜經過測試在532nm處的光學密度OD值為5，1064 nm處的OD值為4，對兩個波段的激光具有很好的防護作用;并且在3～5μm波段有效光的平均透射率為96%。該薄膜集探測用減反器件和防護器件于一體，可以使星載、機載等光電儀器的結構得到簡化;光譜分析和環境測試的結果表明，各項指標滿足使用要求。

為滿足多波段防護的要求，G．A．Muranova等［6］設計并制作了多層光學薄膜，波段在320～1600 nm，能同時對 355 nm，532 nm，694 nm，1064 nm，1315 nm和1540 nm激光具有防護作用，OD值大于3，而在可見光區的透光率在45%～55%，激光透過率曲線如圖3所示。

圖2 透射率曲線

圖3 激光透過率曲線

近年來發展起來的相變防護材料，對激光防護技術的發展具有重要價值。

目前研究最多的相變材料是VO2薄膜。VO2從低溫半導體態相變到高溫金屬態后，其中電阻率的變化幅值可以高達104量級，光譜特性由高透陡變為高反，而且其相變快速、可逆。Jin P．A等［7］利用VO2熱變色薄膜和TiO2防輻射涂層制備的多功能智能窗口，具有較高的可見光透過率和防高能激光輻射等功能，傳輸特性如圖4所示。對3～5μm，8～12μm波段紅外光透過率在70%以上，當遭到敵方中長波紅外激光器試圖探測或致盲時，可以在納秒級的時間內實現對紅外波段光幾乎不透明(透過率小于5%)。Mikhail A．Kats等［8］利用藍寶石為基底制作的厚度為180 nm的VO2薄膜在70℃附近實現了對11．6μm紅外輻射的強烈吸收(吸收率為99．75%)，反射率曲線如圖5所示。

圖4 傳輸特性

M．Soltani［9］等采用摻雜質量分數為 1．6% 鎢的釩靶材，得到鎢摻雜的VO2薄膜相變溫度為36℃，是目前沉積VO2膜得到的比較低的相變溫度。

目前光學薄膜對特定波段激光的衰減效果均能達到大幅度提高防護閾值的要求，但防護效果與光電系統成像效果是相互矛盾的。基于對特定波段激光的阻擋，目前能實現同時對6個波段的激光進行防護，但是多層膜結構降低了可見光透過率，使得通過多層膜結構來實現全波段防護會受到限制，未來激光防護膜在滿足防護閾值的條件下，需要在提高可見光透過率、提高膜系破壞閾值和擴展阻光波段方面進行深入研究。

圖5 反射率曲線

3 光子晶體結構

光子晶體是一種介質在另一種介質中周期排列所形成的人造結構。激光防護方面運用最多的是在膜結構的基礎上，重復沉積多層周期結構膜，構成光子晶體結構。該結構具有很好的光學防護特性。

為提高周期結構對激光的衰減效果，黃強等［10－11］設計了 33 層激光反射膜，在 532 nm 和1064 nm波長處的理論透過率都達到了0．01%，可見光波段透過率較高，實際透過率曲線如圖6所示。以ZrO2和SiO2為高低折射率材料，鍍在聚碳酸酯鏡片上，樣品在532 nm處的透過率為0．72%，在1064 nm 處的透過率為 3．82%。Ji－ long Tang［12］等設計并制作了48層膜結構，在532 nm和1064 nm波長上實現了0．0064%和0．0041%的透過率，以及在可見光范圍達到高于73%的透過率，透過率曲線如圖7所示。

圖6 實際透過率曲線

圖7 透過率曲線

Ming Chen［13］等利用27個周期光子晶體結構，如圖8所示，設計并制作的激光防護鏡能夠降低1．06μm的YAG激光損傷，在折射率為1．498的磷酸鹽玻璃基底的配合吸收下，該一維光子晶體可將防護鏡(入射角 ＜65°)的透過能量降低到10－9，而可見光的透過率超過70%。

圖8 光子晶體結構

為實現寬波段阻光的要求，關春穎［14］等按照一維光子晶體的設計思想，利用MgF2/ZnS2兩種材料組成的λ/4結構全反射器光學膜系來研究特定波長范圍內的全角度反射膜，實現了467～495 nm波段全反射帶，反射率曲線如圖9所示。

圖9 反射率曲線

此外，當光子晶體結構中某一層在厚度、折射率、材料等一個或多個參數出現突變時，其周期結構會被破壞，這種結構稱為光子晶體缺陷結構。這種缺陷結構也可以用來設計多波段阻光激光防護材料。Xuanke Zhao等［15］采用 PbTe和 Na3AlF6作為高低折射率材料，制作的一維光子晶體結構在遠、近、中紅外有高的光譜反射系數，相當于布拉格反射器，在1～5μm，8～14μm波段有99%的反射率，在1．06μm和10．6μm上有96%的透過率，如圖10所示。此外，通過調整光子晶體缺陷結構，可以獲取來襲激光頻段上的高反或吸收特性。

圖10 一維光子晶體缺陷結構

由于光子晶體結構的理論基礎較成熟，使光子晶體結構激光防護膜易于設計和周期控制。目前能實現較短波段激光防護的全覆蓋，衰減閾值滿足防護要求，可見光透過率較高。但該型結構的破壞閾值研究較少，需要進一步探索;并且嚴格的周期結構給加工造成了技術難度，極小的不平整度即可破壞周期性。因此，提高加工工藝、研究其破壞閾值將是光子晶體結構激光防護材料的重要研究方向。

4 聚合物結構

聚合物結構依靠材料本身特性來實現光限幅功能，品種眾多，且阻光機制多樣，包括反飽和吸收、非線性散射，以及多光子吸收、受激吸收等。目前研究可用于光電設備激光防護的聚合物材料中，以富勒烯C60和金屬酞菁材料為典型代表。

富勒烯C60分子的化學性質非常活潑，表現出強的反飽和吸收和強的光限幅效應，現己作為一種基準光限幅材料［16］。酞菁芳香共軛體系的大環共軛配合物。具有良好的光、熱及化學穩定性、優異的光電性質，在可見光區有較好的吸收以及分子結構的可調節性;同時酞菁環可以容納鐵、銅、鋁等金屬元素生成金屬配合物，即金屬酞菁。如酞菁銅，它是一種典型的有機小分子光電半導體材料，在可見光區不僅吸收范圍寬、吸收系數大，而且具有極好的化學、熱及光穩定性［17］。

在提高激光對光電設備損傷閾值的研究方面，Changquan Tang等［18］發現梯形四苯基基團具有一定的光限幅效應，透過率曲線如圖11所示。在波長770 nm處對99．6 GW/cm2的激光透過率低于19．1%，在光電傳感器防護方面有著潛在的應用價值。

圖11 透過率曲線

聚合物體對激光能量衰減作用的響應速度快，大多在納秒量級實現。Yinglin Song等［19］發現在10 ns，532 nm激光作用下，由于五核心原子簇MoS4Cu4Br2(py)6的受激吸收特性，使其光限幅特性優于C60，光譜吸收曲線如圖12所示。

圖12 光譜吸收曲線

圖13 歸一化透過率

S．Sreeja等［20］運用 Z掃描技術研究了靛藍聚乙烯醇有機聚合物材料。波長為532 nm，脈寬在5 ns的激光的傳輸系數隨著濃度的增加而急劇下降，歸一化透過率如圖13所示。

目前聚合物的阻光波段以少量典型的激光波長為研究目標，作為激光防護手段之一，要進一步擴展其有效工作波長或波段，并且該類材料的環境適應性、對光電系統的影響等均是深入研究的方向。

5 納米結構

由金屬、非金屬、有機材料等構成的超細微顆粒，由于粒子尺寸減小到納米量級而導致的電子運動態密度和空間減小，材料的電子特性發生巨變，表面效應非常明顯，能帶結構發生質的改變，材料表現出許多奇異的力學、電學和光學等物理化學特性，為激光防護材料獲取提供了新途徑。

在納米結構材料對激光防護能量的衰減效果方面已有較多的研究。Jun Wang等［21－22］詳細分析了碳納米管材料的光限幅特性用于激光防護的可行性，以及飽和吸收的限光機制，該類光限幅材料中非線性散射起主要作用，樣品測試結果如圖14所示。

圖14 樣品測試結果

Gui Jiang Zhou等［23］采用 YAG調 Q激光 Z掃描的方式分析了多金屬合金光限幅器，歸一化傳輸特性如圖15所示。在532 nm，10 ns高斯光束的檢測下，金屬粒子聚合物對激光的限幅門限低至0．07 J/cm2，且門限下的透過率為92%，限光效果排序為 Pt＞Au＞Hg＞Pd。進一步，Gui jiang Zhou等［24－25］研究了新一代光限幅材料，歸一化傳輸特性如圖16所示，有機金屬的乙炔化復合物PtII，AuI和Hg，發現其光限幅特性優于富勒烯、金屬卟啉和金屬酞菁類材料，到目前為止超過了最好的有機材料的性能。

Ariela Donval等［26－32］于2007 年到2012 年持續對防炫目寬頻激光過濾器Wideband Protection Filter(WPF)進行研究，該結構是以納米結構為基礎的被動非線性固體動態激光過濾裝置，能在納秒量級內實現光限幅作用，傳輸特性曲線如圖17所示。針對波長為532 nm脈寬在3 ns激光的實測結果顯示，門限閾值下激光透過率為53%的樣品，對超過門限的激光產生32 dB的衰減。

圖15 歸一化傳輸特性曲線

圖16 歸一化傳輸特性曲線

圖17 傳輸特性曲線

在激光有效防護波段的研究方面，V Liberman等［33］利用脈寬為 6 ns的可調諧激光，在450～650 nm范圍內對銀和金納粒子的研究發現，銀納米球和金納米簇比金納米球的光限幅特性更好，非線性傳輸性特征曲線如圖18所示。

此外，Stefanie Dengler等［34－35］同樣發現銀納米粒子在532 nm時可以實現低閾值、高吸收的優良光限幅特性，傳輸曲線如圖19所示。

納米粒子結構的光限幅材料的阻光特性較為復雜，包含一種或多種非線性機制［36］，其優良的光限幅特性可以在納秒量級實現較高的激光能量密度衰減。但納米結構材料作為光限幅時大多以溶液為載體，易受外界環境，尤其是溫度的影響，不利于制成便攜器件。目前能實現的光限幅波段較少，還不能滿足實際應用的需求;并且其對光電設備成像質量的影響等方面鮮有報道。

圖18 非線性傳輸特性曲線

圖19 傳輸曲線

納米粒子結構作為激光防護的潛在手段之一，未來需要進一步深入探索，包括提高材料的穩定性和損傷閾值，增大非線性系數，擴展防護帶寬等。

6 微鏡結構

微鏡結構是將光路中的激光反射鏡做成數碼微鏡結構(digitalmicromirror device，DMD)，由傳感器獲取改變量來控制微機械結構環，通過改變單元結構微鏡的傾角將激光濾除。Gunnar Ritt等［37－39］將空間光調制及波長多路技術與傾斜的微鏡陣列相結合實現對激光的防護。微鏡結構如圖20所示。強光抑制性能如圖21所示。當視場中某處出現高能激光時，由檢測控制單元調節相應微鏡單元的傾斜程度來濾除激光。在633 nm處使激光衰減量達到37 dB。在此基礎上，進一步研究了微鏡控制單元的工作機制，能量低的光幾乎不受影響。該結構由大小為13．68μm的微鏡單元組成，每個鏡子能在+12°到－12°方向旋轉，波長范圍在420～700 nm，而且可得到入射激光的波長，激光波長檢測如圖22所示。

圖20 微鏡結構

圖21 強光抑制性能

圖22 激光波長檢測

數碼微鏡結構是一種新型的防止激光致炫的裝置，可以濾除激光而不改變目標區域的空間光信息;并且依靠物理機構來抑制強光，只要器件允許，較易實現對寬波段的激光濾波，所以具有重要的應用價值。但是關于該裝置的現有報道沒有涉及其響應時間，而且工作波段有限。由于物理機構的慣性和現有激光納秒級響應時間，所以減小微鏡結構的響應時間，提高其破壞閾值將是未來的研究方向。

7 其他防護方式

圖23 鏡體結構

圖24 反應時間的關系

8 總結與展望

隨著激光技術的進步和廣泛應用，復雜環境下光電設備的生存能力受到嚴重威脅，因此加強對光電設備的防護越來越受到重視，目前人們已經探索出不同的激光防護措施。

作為最成熟和獲得應用最為廣泛的激光防護技術，薄膜結構在特定波段上實現高光學密度方面獲得了很大成功，VO2等相變材料的引入使其煥發了新的生機，但隨著需要防護的波段越來越多，實用化對薄膜結構提出了越來越苛刻的工藝和成本控制要求。雖然從物理結構上看，一維光子晶體與傳統的多層膜結構非常相似，但光子晶體基于光子帶隙進行激光防護的設計思想則有著質的飛越，二維、三維光子晶體和缺陷結構的巧妙利用，為基于該結構的激光防護技術呈現了廣闊的發展前景，但是，作為激光防護的實際應用還有賴于微納結構加工技術的進一步成熟。基于材料種類的多樣性、復雜的激光作用機理和相對簡單的應用結構，聚合物和納米結構是激光防護研究領域持續關注的對象;從應用的角度看，在未來一段時間內，這兩種結構的激光防護作用在系統穩定性、激光防護波段廣普性和防護品質因數(FOM)進一步提高將繼續成為相關技術的研究重點。微鏡結構與之前的液晶光閥等，都屬于采用微納結構控制器件實現激光防護的一類結構，只是基于反射原理的微鏡結構的阻光能力更強、適用波段范圍更廣，但同時其結構更復雜、造價更高，因此將難以在光電設備中普遍采用。

總體而言，除了成熟的薄膜結構，迄今開展的技術研究中，采用其他激光防護結構對光電設備性能產生的影響還很少涉及;對于同屬動態防護或者變光學密度防護的相變材料薄膜、聚合物結構、納米結構和微鏡結構等，其在短脈沖、超短脈沖激光的防護能力還有待進一步考察或提高;隨著技術的發展和研究的深入，各種激光防護結構的抗激光毀傷能力、寬波段激光防護能力、環境適應性、應用可靠性和降低應用成本等實用化研究，依然是值得持續努力的工作方向。

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