CN112147109A - 一种非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立多层薄膜光学污染效应模型；(2)计算每层薄膜的光学常数和厚度；(3)计算粗糙表面及过渡层的光学常数；(4)将计算得到的每层薄膜的光学常数和厚度、粗糙表面及过渡层的光学常数带入多层薄膜光学污染效应模型，计算出污染薄膜的透射率与波长的关系。通过建立多层薄膜光学污染效应模型，并充分考虑薄膜之间的过渡层及表面粗糙等实际情况，得到污染薄膜的透射率值。此方法能更准确的预估污染薄膜的光学性能，从而减少卫星分子污染物对光学器件影响的估算误差，为航天器长寿命、高可靠性的要求提供技术保证。

Description

一种非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法
技术领域
本申请涉及空间环境污染效应评价技术领域，具体而言，涉及一种非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法。
背景技术
航天器非金属材料在真空和温度作用下，会产生出气分子，经扩散会沉积到敏感表面，若沉积到太阳电池表面，会导致太阳电池输出功率的下降，若沉积到光学表面，会影响光学器件的透射率和反射率。卫星上搭载的高分辨率光学仪器，如果其表面沉积了厚度为几十个纳米的硅油膜，那么光学表面对波长0.13μm左右光线的反射率将下降10％左右。
关于污染对光学器件的影响，研究者做了大量的工作。主要存在以下问题，首先大多数只关注薄膜光学性能的影响因素，并未给出具体预估模型。其次为了获得薄膜的光学常数，大多数采用拟合方法，或者在建立多层污染膜过程中并未考虑两层薄膜之间的过渡层或者上表面粗糙等实际情况，从而导致实验值与理论值存在差异。
因此迫切需要一种计算非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的方法，从而减少卫星分子污染物污染光学效应的估算误差，为航天器长寿命、高可靠性的要求提供技术保证。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法，以减少卫星分子污染物污染光学效应的估算误差。
为了实现上述目的，本申请实施例提供了一种非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法。
根据本申请的非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法，包括以下步骤：
(1)建立多层薄膜光学污染效应模型；
(2)计算每层薄膜的光学常数和厚度；
(3)计算粗糙表面及过渡层的光学常数；
(4)将计算得到的每层薄膜的光学常数和厚度、粗糙表面及过渡层的光学常数带入多层薄膜光学污染效应模型，计算出污染薄膜的透射率与波长的关系。
可选的，所述多层薄膜光学污染效应模型的影响参数包括：每层膜与过渡层厚度、每层膜与过渡层的折射率和消光系数以及层数。
可选的，采用洛伦兹-洛伦茨公式以及波在分层媒质中的传播和介质膜理论建立光学污染效应模型。
可选的，采用Goos-Male技术计算每层薄膜的光学常数和厚度。
可选的，利用洛伦兹-洛伦茨关系计算粗糙表面以及过渡层的光学常数。
可选的，通过改进ASTM E 595方法在玻璃基底上制备非金属双层薄膜，利用分光光度计和质谱计测量其透射率与污染成分，得到实验值来验证多层薄膜光学污染效应模型的计算值的准确性。
可选的，以33+黑色绝缘胶带和信号电缆屏蔽线PVC材料外部绝缘层为污染源，先后沉积在光学玻璃表面，研究被污染光学玻璃在紫外、可见光和红外波段下透射率的变化。
在本申请实施例提供的非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法中，通过建立多层薄膜光学污染效应模型，并计算各膜层的光学常数和厚度，同时充分考虑薄膜之间的过渡层及表面粗糙等实际情况，得到污染薄膜的透射率值。此方法能更准确的预估污染薄膜的光学性能，从而减少卫星分子污染物对光学器件影响的估算误差，为航天器长寿命、高可靠性的要求提供技术保证。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的一种非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法流程图；
图2是根据本申请实施例所采用的多层薄膜光学污染效应模型几何示意图；
图3是根据本申请实施例的一种单层膜光学常数计算实验测量原理图；
图4是根据本申请实施例的另一种单层膜光学常数计算实验测量原理图；
图5是根据本申请实施例的25℃下K9基底先后沉积PVC材料出气污染膜与3M33+绝缘胶带污染膜透过率计算值与测量值对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
参见图1，本申请涉及一种非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法，包括以下步骤：
(1)建立多层薄膜光学污染效应模型；
(2)计算每层薄膜的光学常数和厚度；
(3)计算粗糙表面及过渡层的光学常数；
(4)将计算得到的每层薄膜的光学常数和厚度、粗糙表面及过渡层的光学常数带入多层薄膜光学污染效应模型，计算出污染薄膜的透射率与波长的关系。
多层薄膜光学污染效应模型
具体的，在本发明的一些实施例中，多层薄膜光学污染效应模型在建立过程中，因为实验过程中污染源正对着光学玻璃，因此沉积在光学玻璃上的污染层在中心附近可近似为均匀沉积。材料中不同出气成分其沉积顺序也不同，实际沉积污染膜是顺序累加的多层膜。且本文主要研究两种非金属材料先后沉积所形成的多层膜，且在计算过程考虑材料之间过渡层以及表面粗糙情况，因此所建立几何模型如图2所示。
多层膜光学污染效应模型的主要影响参数包括：每层膜与过渡层厚度(dj)、每层膜与过渡层的折射率nj和消光系数kj以及层数等。
在多层模型中，如果给出每个膜层的特征矩阵
Figure BDA0002666789420000041
其中ηj，δj与第j层折射率nj，吸光系数kj，入射角θj以及厚度dj相关。
ηj nj，θj和dj分别为第j层膜的折射系数、入射角和膜厚。
即可通过每个膜层的特征矩阵获得多层膜的光谱透过率值：
Figure BDA0002666789420000042
势透射率：
Figure BDA0002666789420000043
Figure BDA0002666789420000044
这样，只需测量以下光学常数就可以得到污染膜的透过率：nj，kj，dj。
单层膜光学常数计算
本发明采用Goos-Male方法计算单层膜光学常数，实验测量原理图如图3-4所示，采用波长为λ的S极化的光线以入射角为θ0照射样品表面，首先正面照射薄膜，测量反射光线
Figure BDA0002666789420000051
和透射光
Figure BDA0002666789420000052
如图3所示(其中下标代表层的顺序，其中a代表空气，f代表污染膜，s代表基底)；然后光从背面照射基底，如图4所示，测量其反射光线
Figure BDA0002666789420000053
和透射光
Figure BDA0002666789420000054
如果测试设备正常，
Figure BDA0002666789420000055
最后将相关表达式带入，从而计算薄膜光学常数和污染膜厚。
过渡层以及粗糙表面光学常数的计算
洛仑兹-洛伦茨公式可以将材料中每种成分的数密度(N)与材料的光学常数联系起来(n＝n+ik)。对于一个单种材料，光学常数和质量密度ρ＝mN之间的洛伦兹-洛伦茨关系是：
Figure BDA0002666789420000056
其中m是分子的平均质量，α是每个分子的平均极化度，b是一个局部参数，a是另一个局部电场参数。
如果均匀介电常数只包含非极化分子，则
a＝(3ε0)-1，且b＝2 (5)
我们可以利用洛伦兹-洛伦茨关系根据每种材料光学常数计算过渡层光学常数，根据上层材料以及空气光学常数计算粗糙表面光学常数。洛伦兹-洛伦茨关系关键点是第j种材料的光学常数nj与第j种材料中分子平均极化度相关，如下所示：
Figure BDA0002666789420000057
Npj是纯净材料中第j中成分的数密度，aj以及bj是纯净材料合适的局部场参数，且混合物的平均分子极化度α是混合物中每种成分极化度权重平均，如下所示：
α＝∑Npjaj/N (7)
当公式中(4)，(5)，(7)相结合，混合物中的光学常数为：
n＝[(1+bA)/(1-A)]1/2 (8)
Figure BDA0002666789420000061
ρ为混合物密度，ρpj为纯净物的密度，mj为纯净物的分子的平均质量。
取b＝bj＝2且假设只有两种材料，且每种材料近似纯净物。
Figure BDA0002666789420000062
其中ρ，m，ρp1，m1，ρp2，m2可通过测量获得。
因此采用公式(10)结合(8)可获得粗糙表面以及过渡层的光学常数。
多层膜厚度计算
为了解决薄膜厚度带来的计算的误差，本文提出了一种计算多层污染膜实际厚度的方法。首先获得每种材料在制备单层污染膜时的出气量mout1，mout2和厚度df1，df2，制备多层污染膜时每种材料的出气量m′out1，m′out2和厚度d′f1，d′f2，由于沉积面温度以及沉积面积s1，s2相等，且视角因子S也相同，因此
Figure BDA0002666789420000063
因此通过公式(11)可以计算在制备双层膜时各层的实际沉积厚度。
试验研究
开展地面试验，研究非金属材料出气污染物对光学元件透射率和反射率的影响。首先基于ASTM E 595进行出气试验，然后采用分光光度计测量光学器件的透射率和反射率。
试验平台由真空系统、温控系统、质谱计以及Lambda900分光光度计，其中质谱计可测的质量数范围：0-300，Lambda900分光光度计可实现200-2500nm连续光谱的测量。
试验材料为3M公司型号33+黑色绝缘胶带、信号电缆屏蔽线PVC材料外部绝缘层，该材料为航天器上常用的非金属材料，出气污染物能在玻璃表面形成均匀污染膜，且出气率量大，对玻璃片透射率有明显影响。因此对验证光学效应模型，以及研究污染物对光学元件性能的影响具有很好的代表性。为了研究非金属材料污染薄膜在紫外、可见光、红外不同波段对光学表面透过率的影响，分别选用在紫外波段工作的石英JGS1玻璃、可见光及近红外波段K9玻璃以及红外远红外波段Ge玻璃作为污染膜沉积基底。
试验过程是将制好的PVC黑色屏蔽线外皮、3M33+黑色绝缘胶带(室温固化48小时)材料样品剪成小块放入样品舟内称重，两种材料各等量称重9份，样品净质量PVC材料260±1mg、3M胶带210±1mg。与试验玻璃片一同放入低温凝结效应设备中。玻璃中心正对样品舟下方的出气孔，首先在真空度10-4Pa，样品加热温度为125℃，玻璃片温度为25℃下保持24h，得到分别在石英、K9、锗玻璃上沉积了一种材料的单层污染膜，更换样品取出部分玻璃片再继续上述过程，得到沉积了两种材料污染膜。最终得到的污染膜种类对应关系见表1。然后利用分光光度计测量被沉积玻璃的反射率和透射率。以上过程重复三次取平均值。
表1不同基底污染膜种类对应关系表(加热温度125℃恒温24小时)
Figure BDA0002666789420000071
Figure BDA0002666789420000081
将25℃下K9基底先后沉积PVC材料出气污染膜与3M33+绝缘胶带污染膜透过率计算值与测量值进行比较，结果如图5所示，可见模型的计算值与实验值符合较好，说明采用本发明的非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法，能更准确的预估污染薄膜的光学性能，从而减少卫星分子污染物对光学器件影响的估算误差，为航天器长寿命、高可靠性的要求提供技术保证。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立多层薄膜光学污染效应模型；
(2)计算每层薄膜的光学常数和厚度；
(3)计算粗糙表面及过渡层的光学常数；
(4)将计算得到的每层薄膜的光学常数和厚度、粗糙表面及过渡层的光学常数带入多层薄膜光学污染效应模型，计算出污染薄膜的透射率与波长的关系。
2.根据权利要求1所述的非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法，其特征在于，所述多层薄膜光学污染效应模型的影响参数包括：每层膜与过渡层厚度、每层膜与过渡层的折射率和消光系数以及层数。
3.根据权利要求1所述的非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法，其特征在于，采用洛伦兹-洛伦茨公式以及波在分层媒质中的传播和介质膜理论建立光学污染效应模型。
4.根据权利要求1所述的非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法，其特征在于，采用Goos-Male技术计算每层薄膜的光学常数和厚度。
5.根据权利要求1所述的非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法，其特征在于，利用洛伦兹-洛伦茨关系计算粗糙表面以及过渡层的光学常数。
6.根据权利要求1所述的非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法，其特征在于，通过改进ASTM E 595方法在玻璃基底上制备非金属双层薄膜，利用分光光度计和质谱计测量其透射率与污染成分，得到实验值来验证多层薄膜光学污染效应模型的计算值的准确性。
7.根据权利要求6所述的非均匀非金属材料出气污染薄膜光学性能的计算方法，其特征在于，以33+黑色绝缘胶带和信号电缆屏蔽线PVC材料外部绝缘层为污染源，先后沉积在光学玻璃表面，研究被污染光学玻璃在紫外、可见光和红外波段下透射率的变化。
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