激光陀螺服役过程中高反膜的损耗增加机制与抑制方法研究

The project focused on the loss increasing issues of the highly reflective coating of laser gyros during service. We will study the mechanism of loss increasing of the highly reflective coatings by combination of density functional theory and phenomenological models. With the aid of theoretical analysis, we will study the suppression method of loss increasing in the highly reflective coatings by the intentional introduced conductive paths which involves ion implantation, charge detection, application test, etc. From the study of the key scientific questions, such as optical absorption and charging of amorphous dielectrics, ion implantation of highly reflective coatings, it is expected to understand the underlying mechanism of loss increasing of the highly reflective coating, and to be able to control the key factors of loss increasing process. In this way, we will be able to pave the way to the application of highly stable laser gyros.

本项目针对激光陀螺服役过程中高反膜的损耗随使用时间增加而增加的问题，拟采用密度泛函理论和唯象模型相结合的方法，研究高反膜损耗增加的物理机制；根据理论分析指导，采用离子注入改性、荷电特性检测、应用验证等手段研究在高反膜中构筑导电通道抑制其损耗的方法。通过对非晶介质光学吸收与荷电特性、高反膜材料的离子改性处理等关键科学问题的研究，探究引起高反膜损耗增加的机制，掌握影响和控制高反膜损耗增加的关键因素，提高服役条件下陀螺仪的工作稳定性和可靠性，为解决长期困扰我国激光陀螺高稳定性应用不足的问题提供技术基础。

本项目针对激光陀螺服役过程中高反膜的损耗随使用时间增加而增加的问题，围绕高反膜材料的“荷电—结构—损耗”关系，在实验方法上，建立了损耗的在线实时测试方法、微量电荷的测试方法、X射线光电子能谱加速荷电测试方法；同时，基于密度泛函理论和第一性原理分子动力学模型，理论分析了等离子荷电状态下亚稳氧空位缺陷构型特征，找到了损耗增加与荷电引起的亚稳氧空位缺陷的光学吸收的关系，阐释了高反膜损耗增加的物理机制，并建立抑制荷电膜层材料的选择准则。围绕高反膜损耗增加的抑制方法，研究了离子束改性技术，开发了抑制损耗增加的Al2O3阻挡层材料、通过设计低场强光学膜系结构、优化XO膜系材料的准备工艺参数，获得了损耗稳定性优良的高反膜材料。应用验证的实验结果表明使用改该高反膜可以将环形激光陀螺仪的腔损耗增量由80ppm下降到现在的30ppm以内，并使环形激光陀螺仪的等效平均无故障工作时间提高60%以上，提高了服役条件下陀螺仪的工作稳定性和可靠性。