高阈值空间激光薄膜失效机制和寿命预测研究

High power space optical coating is supposed to suffer hundreds of million laser shots. While the space environment is quite severe and the space coating is irreplaceable, the laser damage and the lifetime of coating is one of the bottlenecks for space laser devices heading to long-lifetime, high-power and high-repetition-rate orientation all long. However, coating surviving severe space environment and high power laser, whose lifetime prediction and the damage mechanism have not researched systematically. Considering the particularity of.space laser coating, and based on high repetition rate laser accelerated and effect of space environment test, this project will focus on researching the damage mechanism, the laws of laser-induced damage threshold and spectra properties changes. We will reveal the physical mechanism of coatings damage under space environment and longtime laser irradiation. The damage statistical property and the law of the damage threshold of typical coatings will be obtained after different laser shots and equivalent to 8 years shots experiment. The prediction system of the lifetime of coating is established to find ways to improve the lifetime of coatings from microscopic and essential aspect. It will be of great significance to improve the output power of space laser devices and to extend the lifetime of laser system.

空间高功率薄膜元件要求能承受数亿次激光作用，而空间环境恶劣且空间薄膜元件不可替换，其激光损伤和寿命问题一直是空间激光器向长寿命、高功率、高重频等方向发展的瓶颈之一。但结合空间环境、高功率激光共同作用的薄膜损伤机制和寿命预测研究还未系统的进行。本项目针对空间激光薄膜的特殊性，结合空间环境效应对薄膜的作用，开展高重频激光加速试验下薄膜损伤阈值、光谱等特性变化规律及损伤机理研究，揭示空间环境效应和激光长时间共同作用下薄膜破坏时的物理作用过程，获取典型薄膜元件在不同脉冲辐照次数下和8年等效脉冲辐照下的破坏统计特性和阈值变化规律，建立薄膜寿命预测机制，并从微观、根本上找到提高薄膜寿命的途径。这对于提升空间激光器输出能量，延长激光器工作寿命具有重要意义。

随着航天技术的不断发展和空间探测、遥感及通信等需求的增加，空间激光器的能量及在轨运行寿命也不断增加，所应用的薄膜元件要求能承受数亿次激光作用，同时也要能够在空间极端辐照环境下保持性能稳定。因此，需要对薄膜元件开展地面模拟实验，进行损伤机理研究，为其在空间环境中使用提供指导，确保激光器的长寿命和高可靠性，从而推动空间激光技术的发展。.本项目主要围绕高重频激光辐照下典型薄膜元件的破坏模型，以及激光薄膜在空间环境下的性能失效机制开展研究工作，最终实现实现高阈值、长寿命空间激光薄膜的可靠性制备。.研究了针对基频增透膜和基频高反膜等两种高致密薄膜的膜层剥离现象，建立了两种典型薄膜的激光损伤模型，发现了缺陷诱导损伤和空气离化波损伤两个激光损伤过程；.明确了355nm增透膜和355nm高反膜在多脉冲激光辐照下的损伤阈值变化规律及损伤发展过程，研究了两种激光薄膜在多脉冲激光辐照下损伤阈值稳定的关键因素，建立了激光薄膜元件长寿命预测方法；.阐明了典型薄膜元件在空间辐照环境和高功率激光共同作用下的性能变化和失效机制，完成了光学薄膜适用的不同空间轨道辐照参数剪裁和典型薄膜元件在不同能量质子辐照下的理论模拟；.探索了空间激光薄膜可靠性沉积技术，研究了双离子束溅射沉积中不同氧流量及氧离子浓度对薄膜光学性能的影响，并最终制备出了高性能激光薄膜。.本项目的研究成果对于提升空间激光器的输出能量，延长激光器的工作寿命具有重要意义，可有效提升激光薄膜在空间应用和在轨服役过程中的可靠性，极大地推动了空间激光器的性能提升，促进了空间激光技术和空天技术的发展，在激光雷达、激光通信、激光遥感、测距、深空探测等国防和国家安全领域有重大应用价值。