光学材料和元器件_刘海, 蔡东霖_9787515926087

《光学材料和元器件》作为《空间材料手册》（共10卷）的第5卷，基于国内外公开出版的文献资料和作者研究团队多年的研究成果，系统总结了宇航技术中应用的光学材料和元器件的种类和基本特性，给出了大量在轨搭载试验和地面模拟试验数据，介绍了典型光学材料和元器件空间辐照模拟试验方法和性能预示模型，可为空间光学系统设计选材、工程应用评估及在轨性能预示提供参考。

空间光学技术是以航天器为载体利用光学仪器设备对天体及地球进行观测的综合性应用技术，是伴随航天技术发展而兴起的高精度光学探测技术，已成为探索宇宙空间、认知地球、保障安全和促进发展的重要基础。人类在地球上繁衍生息的历史可以回溯到二三十万年前，甚至更遥远的年代，古人在维持生存的同时，对周围世界亦进行着观察与思考，尽管视野有限，却始终怀揣着对广袤天空的好奇和梦想，还创造出了诸多的美丽传说。经历漫长的进化与演变，人类社会逐渐从蒙昧走向文明，如今已经掌握了日月星辰的运行规律，揭示了可见宇宙中星辰大海生生灭灭的奥秘，甚至能够描绘出宇宙混沌初开时的样貌。这些成就的取得离不开遥感技术的应用和科学理论的推演，而对遥远目标进行探测的最有效手段就是利用其发射的电磁波。空间光学技术的应用实现了从太空对地球拍照，一张张美丽星球的高清照片让我们有机会从另外一个角度去认识自己的家园，开启了地球科学研究的新篇章，使空间遥感成为地质学、水文学、气象学和天文学研究的重要手段。此外，空间遥感还在军事侦察、自然灾害与农牧业监测、资源勘探和天地通信等领域得到越来越广泛的应用，对保障国家和人民财产安全、促进社会发展具有十分重要的意义。

光学仪器是各类航天器上应用最为广泛的一类有效载荷，天宫巡天、玉兔漫月、祝融探火都携带着用于拍照的相机。空间光学仪器按应用领域可以分为三大类：一是天文观测类，包括空间望远镜和空间干涉仪等；二是对地观测类，包括高分辨率相机、高光谱成像仪、红外遥感器和激光高度计等；三是空间激光技术与通信类，包括空间激光通信终端和空间激光通信测距系统等。空间光学仪器是光、机、电一体化的多功能高精密光学系统。光学系统由窗口、镜头（或镜片组）、孔径光阑、滤光片和支撑结构组成，负责收集和传输光线，并为焦平面(或探测器)提供光学图像。电子学系统由探测器/焦平面、前端读出电路、主控单元/处理单元、电源管理单元、遥控遥测接口等组成，作为光学仪器的大脑与神经网络，负责光电转换、信号处理、指令执行、数据管理及能源分配。机械系统由主结构、安装接口、精密调整机构、活动部件和热控部件等组成，具有支撑、定位、保护和温控等功能。空间光学仪器的主要特点是：超高分辨率和灵敏度、可实现近衍射极限成像、使用大口径轻量化镜面和精密制造技术、极端轻量化与刚度平衡、超精密热稳定性、采用低膨胀材料和主动热控系统、长寿命与高可靠性，以及在轨故障诊断与图像实时处理等智能自主化能力。

几十年的航天实践表明，空间环境效应是导致航天器故障的重要因素，光学仪器在轨或在其他天体表面运行期间会直接或间接地受到各种空间环境的作用，引起光学材料和元器件的损伤，进而导致整个仪器的故障甚至失效。与地面温和的环境相比，空间环境具有极端性、复杂性和多变性的特点，对光学仪器造成的影响也是多种多样：高温、低温和温度交变等极端温度环境可能导致材料和结构变形，引起焦距漂移；电离辐射和太阳紫外辐照会使光学材料着色，降低光学系统的传输效率；高能带电粒子电离损伤会导致 CCD/CMOS 等器件暗电流增大、电荷转移效率下降、光响应非均匀性增加等；位移损伤则造成探测器永久性退化；单粒子效应会引起逻辑电路翻转或烧毁；近地空间等离子体充放电效应会造成光学表面的严重损伤；低地球轨道原子氧侵蚀会使各种聚合物材料破损，促进有机分子蒸发，增加对光学表面污染的风险；微流星体/空间碎片高速撞击会造成镜面划伤、结构穿孔；微重力环境会导致结构应力释放变形，以及飞轮、制冷机等引发微振动均会降低成像质量。

空间环境效应是通过环境对材料、元器件和局部结构的作用而对仪器整体造成影响，有些效应在发射阶段或入轨后不久就会显现，对仪器设备的危害极大，而另一些效应则是长期的，对长寿命航天器的影响不容忽视。在航天技术发展初期，由于对空间环境效应认识不足，出现了大量的问题，例如很多卫星发射入轨后在光学表面形成了严重的污染物，美国在19651966年发射的系列双子星座飞船的舷窗上就发现了由头锥表面涂层材料挥发造成的硅油污染物，导致舷窗对不同波长光的透射率降低17%~50%，光学分辨率下降60%。后来，主要航天国家投入资源开展了大量空间飞行试验和地面模拟试验，以研究空间环境效应的机制及应对策略，并形成了一系列相关方法、标准与规范，有效抑制了空间环境效应方面的影响，使航天器的寿命普遍提高到10年以上。本手册就是基于作者团队二十几年在空间环境模拟及光学材料和元器件空间环境效应方面的研究成果，同时集成了国内外相关文献数据编写而成，旨在从光学系统设计选材、光学器件选型、制备工艺优化、空间环境适应性评价及在轨性能预示等几个方面为科技人员提供参考，以满足长寿命、高可靠空间光学仪器的发展需求。

随着人类科技进步和航天事业的发展，空间光学技术的作用将愈发深远，需要不断地更新迭代，AI赋能光学系统智能化、多模块在轨组装超大口径分体式望远镜、利用量子纠缠光源提升极弱光探测能力的量子光学技术，以及碳纳米管增强复合材料与液晶可变相控膜等新型材料的应用等，代表着未来空间光学技术的发展趋势。空间光学技术是航天与光学的极致融合，它目前并不完美，还将向更高分辨率、更智能、更低成本（商业化）、更多功能的方向发展。新材料、新技术的应用首先要通过空间环境适应性的考验，超长寿命、超高可靠性需求使一些弱空间环境效应的影响变得不可忽视，因此光学材料和元器件空间环境效应及防护技术研究是空间光学技术发展中一个永恒的课题。

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