随着空间科学技术的不断发展，要求空间探测活动向着更高、更精细的方向发展。空间光学系统作为空间探测器的“眼睛”，起到探测未知事物、收集各种信息的作用，是空间探测器不可或缺的部分。作为空间光学系统的核心部件之一，空间光学窗口要求在较宽的波段范围内具有较高的光学透过性能、优良的空间环境适应性能，以保证光学系统所收集信息的效率、精度以及可靠性。蓝宝石单晶作为一种全新的空间光学窗口材料，具有光学性能优异、强度高、热力学性能良好以及化学性能稳定等优点，已经开始取代如尖晶石、氟化镁、硫化锌以及玻璃等传统的空间光学窗口材料。特别是人工制备表面图形化微结构蓝宝石单晶工艺的发展，对蓝宝石单晶空间光学窗口的研制提供了一种新的思路和指导思想。然而，当蓝宝石单晶用于空间光学材料时，在其服役过程中一般直接暴露于空间辐射环境等恶劣的空间环境中，粒子辐射及微力载荷将导致其光学及结构性能的下降，影响使用性能，甚至出现系统失效。因此研究辐照、微力载荷以及表面图形化条件下蓝宝石应用于空间光学窗口材料时的光学性能以及结构性能具有十分重要的意义。空间粒子辐照影响蓝宝石单晶光学及结构性能，从而影响其使用性能。为探究蓝宝石单晶在空间粒子辐照条件下所表现出的性能变化，利用地面综合辐照模拟系统对蓝宝石单晶试样进行了模拟辐照，分析了试样经不同剂量、能量的电子流、质子流以及综合流辐照后其光学及结构性能的变化。对辐照前后试样辐照正面以及辐照背面的表面粗糙度进行了测试与分析，表明粒子辐照使蓝宝石单晶表面粗糙度值上升，相同剂量及能量条件下质电综合流对蓝宝石表面粗糙度影响最大，质子流次之，电子流最弱；辐照过程伴随着明显的剂量效应和能量效应；由于不同种类粒子在蓝宝石单晶中具有一定的射程，从而造成了辐照背面的表面粗糙度与正面有一定差别，其中电子对背面粗糙度影响较质子明显。对蓝宝石单晶试样辐照前后的透过率性能进行了测试与分析，结果表明空间粒子辐照均使蓝宝石单晶在紫外-可见-近红外-中红外波段内的透过率下降，不同种类、剂量以及能量对不同波段范围内透过率的影响程度也不尽相同，其中紫外波段范围内透过率下降最为明显；质子辐照对紫外-可见波段范围内蓝宝石单晶透过率影响最为明显，近红外波段内不同粒子之间对透过率影响程度差别不大，在蓝宝石单晶作为空间光学窗口材料的主要应用波段——中红外波段范围内综合辐照对透过率的影响最明显；粒子辐照对透过率的影响亦伴随有一定程度的剂量效应及能量效应。对粒子辐照前后的蓝宝石单晶试样的面形精度包括PV值及RMS值进行了测试与分析，结果表明粒子辐照对蓝宝石单晶试样的面形精度几乎没有影响。分析了质子、电子以及综合辐照对蓝宝石单晶的辐照机理。为探究蓝宝石单晶在压痕载荷下所表现出的性能，利用纳米压痕测试方法对蓝宝石单晶在微力载荷作用下的性能进行了分析。引入了Nix-Gao纳米压痕尺度效应模型，对蓝宝石单晶纳米压痕测试过程中出现的尺度效应进行了分析与模拟，并最终得到蓝宝石单晶试样纳米硬度为31GPa以及杨氏模量为382GPa；对蓝宝石单晶试样在纳米压痕过程中出现的第一次pop-in现象(位移不连续)现象进行了分析，结果表明加载速率、最大载荷以及最大压入深度对pop-in现象所对应的载荷Pcr以及位移突变量Δhcr无影响，并对pop-in现象以下阶段试样的变形进行了分析；对蓝宝石单晶在微力载荷下的蠕变性能进行了分析，得到了其蠕变应力指数，对蓝宝石空间光学窗口的寿命计算提供了依据。利用Ansys有限元模拟分析软件对蓝宝石单晶纳米压痕过程进行了模拟计算，结果表明计算所得载荷-压入深度曲线与试验所得曲线基本趋势一致，表明有限元模拟分析方法可以作为蓝宝石纳米压痕测试的理论分析方法。为探究表面图形化蓝宝石单晶应用于空间光学窗口，对蓝宝石单晶表面图形化周期性微结构条件下其光学性能进行了分析。对等效介质理论以及FDTD理论(时域有限差分法)应用于图形化蓝宝石透过率性能计算进行了分析；利用光刻工艺对蓝宝石单晶进行加工，得到了周期相同(均为3.0μm)的圆锥型、炮弹型以及梯型三种不同形貌的表面周期性微结构图形；利用红外光谱仪对三种不同结构的图形化蓝宝石的中红外波段透过率进行了测试与分析，表明图形化工艺使蓝宝石单晶的透过率上升，且上升过程伴随有一定程度的红移现象。利用高温红外光学测试系统测试并分析了高温条件下图形化蓝宝石单晶的透过率以及红外发射率，结果表明温度上升使得图形化蓝宝石中红外波段透过率下降，当温度超过300℃时透过率逐渐回升，图形化微结构对高温透过率没有影响；温度上升使图形化蓝宝石单晶红外发射率上升，图形化微结构对高温红外发射率有一定影响，由于梯型微结构的表面积较大使得其对高温红外发射率影响最为明显。