光学涂层的进步使光学器件能够承受极端环境——甚至是太空和战场上的环境

2025年7月， NASA的朱诺相机（JunoCam）开始发回模糊褪色的图像，问题并非镜头损坏或信号弱，而是多年的深空暴露造成的损害。在绕木星运行十多年后，相机的传感器出现了辐射损坏的迹象，这迫使工程师们对系统进行“烘烤”，希望能使其更清晰一些。

生产定制光学解决方案的Altechna 公司认识到，不仅空间光学器件面临压力，而且在恶劣环境下运行的光学器件也面临压力——光学涂层必须承受最极端的条件。

例如，在现代战场上，配备精密光学系统的无人机需要穿越尘土、盐分、冰冻温度和持续振动的环境。飞行过程中传感器起雾，或涂层因高温或磨损而磨损，都可能危及整个任务。如今，航天领域和战场都面临着一个关键需求：高弹性光学系统。为了确保其使用寿命，光路中的每个反射镜、透镜和窗口都必须涂有高质量的涂层，以抵抗热波动、机械冲击、辐射和环境污染物。

国防和航空航天光学器件可能面临-50°C至150°C的温度波动，以及冲击、振动和空气污染物的影响。但这不仅仅关乎使用寿命——涂层必须保持高光谱性能和长寿命稳定性，即使在吸收机械和热负荷的情况下也是如此。这需要精确的涂层结构、强大的附着力以及能够抵抗长期降解的材料。

第一步：在任务条件下进行测试

Altechna最近的一项研究对我们的磁控溅射 (MS) 涂层进行了一系列与太空相关的应力源测试。为了模拟太空辐射条件，我们将涂层样品进行质子辐照（23 MeV 和 68 MeV 下，1 × 10 11 个 质子/cm 2）和伽马射线照射（总电离剂量 10 至 30 千拉德，4 千拉德/小时）。这些水平代表了长期辐射暴露，可能导致光学散射、吸收偏移或结构退化。

同时，采用-30°至130°C之间的热循环（见图1）在材料界面上引起机械应力，这超出了典型的操作范围，以验证战术温度波动下的稳健性。

图 1. (a) 热循环测试序列（温度传感器数据）和 (b) 用于热耐久性测试的气候室内的紫翠玉晶体（周围较大的光学元件应限制风扇的影响）。

为了评估现实世界的生存能力，对涂层在 750 nm（3.5 ns 脉冲）下进行了激光诱导损伤阈值 (LIDT) 测试，采用了 R-on-1 和大面积光栅扫描方法（见图 2）。所有样品所承受的能量至少是谐振器内工作水平（~10 J/cm 2）的 1.5 倍，没有出现分层或性能下降的迹象。500 至 850 nm 的透射光谱和胶带剥离粘附测试证实了光谱稳定性和涂层耐久性，特别是在泵浦（∼ 636 nm）和激光（755 nm）波长附近。最后，将镀膜光学元件在腔倾倒Q开关翠绿宝石振荡器中运行，以验证在实时操作下的功能性能。经过 2700 万次脉冲后，输出能量、光束形状和光谱保持在基线的 ±10% 以内，没有可观察到的辐射或热致过度损耗。

图 2. 环境测试后对涂层晶体以及两个参考批次的样品进行的激光诱导损伤阈值 (LIDT) 测试结果。

虽然该研究是为空间光探测和测距 (LiDAR) 验证而设计的，但它证明了为什么这种结合辐射、热和高重复激光应力的多维测试方案对于现代防御系统的涂层鉴定至关重要。

光学涂层的最新进展

当为国防和太空开发涂层系统时，通常首先要问一个基本问题：环境会对这种光学器件造成什么影响？

在行业中，合作伙伴要求涂层通过辐射、热和激光暴露数据认证。我们需要通过测试展示其性能，提供文档证明，并将其与实际任务参数进行匹配，以证明我们使用了合适的技术。目前，不同类型的涂层应运而生。

尽管研究人员和制造商不断研发耐用且多功能的薄膜涂层，但一些最新研发成果仍占据主导地位：耐磨涂层，例如氧化铝 ( Al 2 O 3 )、二氧化硅 ( SiO 2 ) 和氧化铪 ( HfO 2 ) 等硬质陶瓷薄膜，采用多层结构来抵抗沙子或砂砾的划痕。一些实验室还在这些涂层中添加了氧化锆，以提高其耐腐蚀性，同时保持其透明度。

疏水疏油层对于潮湿或受污染的环境至关重要。含氟聚合物涂层或纳米纹理涂层可以防水防油，甚至出现了仿生结构。其中包括类似蛾眼的纳米柱，其水接触角可超过 135° ，是未经处理表面的两倍以上。

当传统增透膜因热失配而导致高温失效时，建议使用宽带增透膜 (AR) 堆栈。现代堆栈采用亚波长结构或渐变折射率材料来提高光传输和热弹性。在最近的一个案例中，AR 纳米结构经受住了 250°C 的应力测试，光学性能没有下降。虽然标准介电涂层通常能承受 300°C 至 500°C 的高温，但基于聚合物的 AR 纳米结构很少能达到这一水平。

MS（例如我们之前讨论过的研究中提到的MS）、离子束溅射 (IBS) 和原子层沉积 (ALD) 也提高了涂层密度的标准。这些方法几乎可以消除针孔，最大限度地减少水分渗入，并防止分层——即使在真空或极端湿度条件下也是如此。

由于单一涂层无法解决所有问题，混合多功能涂层正在兴起。国防光学器件越来越多地使用多层堆叠结构，包括耐磨基底、疏水面涂层、增透膜，甚至中间还包含抗静电层。有些涂层顶部还覆盖有超薄透明薄膜，以保护纳米纹理，同时保持其功能。总而言之，这些分层的工程涂层正在成为必须承受热循环、冲击、沙尘暴和辐射暴露的光学器件的支柱。

国防开支和激光武器推动对亚 ppm 涂料的需求

2021 年至 2024 年间，欧盟国防机构和太空计划对亚 ppm 涂料的需求将使去年国防总开支增加 30% 以上，达到约 3260 亿欧元（3810 亿美元）。

TALOS-TWO（欧洲首批自主研发的100千瓦高功率激光武器）等项目正在加速高抗冲击光学器件的研发。定向能系统等应用场景需要亚ppm级吸收镜，以避免热致畸变。虽然许多人认为只有IBS沉积镜才能达到低于1 ppm的吸收率并展现出创纪录的高LIDT，但我们的实践表明，MS可以做得更好——它能够在更高的功率密度下运行而不会出现光束衰减。

在导弹制导系统中，二向色镜和分光镜如今采用IBS或MS制造，以消除微小空隙并提高薄膜密度。这些改进直接转化为性能、稳定性和使用寿命的提升。

在所有应用领域，趋势显而易见：光学系统如今必须在超低吸收率、机械强度和热稳定性之间取得平衡。亚ppm级涂层、致密介电薄膜和先进基底正在融合，以帮助国防光学系统更长久、更可靠地运行，而不会增加重量或体积。随着太空任务、高功率激光系统和自主防御平台规模的扩大，光学涂层不再只是辅助工具。

文章来源：Laser Focus World