中科院上海光機(jī)所高功率激光元件技術(shù)與工程部和意大利國家新技術(shù)、能源和可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展局、北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所合作，在激光薄膜的空間高能輻射穩(wěn)定性研究中取得新進(jìn)展，為耐輻射空間光學(xué)元件的研制提供了新思路，相關(guān)研究成果以“Effect of residual impurities on the behavior and laser-induced damage of oxide coatings exposed to deep space radiation”為題，發(fā)表于Optical Materials。

隨著空間探測的逐漸深入和激光技術(shù)的迅速發(fā)展，空間激光器在多個領(lǐng)域都發(fā)揮著不可替代的作用。薄膜元件作為光學(xué)系統(tǒng)中最為薄弱的環(huán)節(jié)之一，其可靠性和穩(wěn)定性對空間激光系統(tǒng)至關(guān)重要，但空間中極端惡劣的高能輻射環(huán)境使得空間應(yīng)用的薄膜元件的穩(wěn)定性面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。原子層沉積技術(shù)有望制備更高激光損傷閾值的薄膜，但沉積過程中殘留的雜質(zhì)元素可能會影響薄膜在空間輻射中的性能表現(xiàn)，因此有必要對原子層沉積薄膜的空間輻射穩(wěn)定性開展評估研究。

圖1 低雜質(zhì)含量薄膜在空間輻射前后的色心種類

圖2 不同氧化物薄膜在空間輻射前后的激光損傷概率和閾值

研究團(tuán)隊(duì)針對不同雜質(zhì)含量的氧化物薄膜開展了質(zhì)子、紫外輻射實(shí)驗(yàn)，質(zhì)子輻射劑量相當(dāng)于低地球軌道地球同步軌道（GEO）6年的輻射劑量。研究表明低雜質(zhì)含量的薄膜在空間質(zhì)子、紫外輻照后生成了E’色心、非橋氧等色心缺陷，通過光譜解析法分析了兩種輻照后的色心演化，發(fā)現(xiàn)色心種類與膜內(nèi)氫元素的分布密切相關(guān)，色心缺陷導(dǎo)致薄膜紫外波段的光學(xué)性能退化，355nm激光損傷閾值明顯下降。高雜質(zhì)含量的薄膜雜質(zhì)以前驅(qū)體殘留的碳元素為主，在氧化鋯薄膜中主要表現(xiàn)為C-Zr結(jié)合，使得膜內(nèi)存在較多氧缺陷。在空間輻照時質(zhì)量較輕的雜質(zhì)元素先吸收輻射能量被碰撞移位，釋放出的膜層元素與原有的氧缺陷結(jié)合使得膜內(nèi)缺陷減少，維持了性能穩(wěn)定。輻照后的薄膜的光學(xué)性能恢復(fù)，激光損傷閾值不降反升，但雜質(zhì)的存在導(dǎo)致薄膜的初始損傷閾值不高。研究成果為空間應(yīng)用的光學(xué)元件提供了新的研制思路，通過超輕元素?fù)诫s提升輻射穩(wěn)定性，有助于拓展新型薄膜沉積工藝和薄膜材料在空間環(huán)境中的廣泛應(yīng)用。

相關(guān)工作得到了中意政府間國際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會的支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.optmat.2023.113838