（光学工程专业论文）单元光伏型碲镉汞探测器及可见光ccd的激光损伤机理研究.pdf

里堕型堂垫垄丕兰婴塞生堕兰垡笙塞 摘要 光电探测器在民用和军事领域都有着广泛的用途，研究光电探测器的激光辐照效应和 损伤机理对实际工作有着重要的参考价值本文的主要工作如下： i 以光伏型单元h g c d t e 探测器为研究对象，实验研究了1 0 6 4 n m 、1 3 1 9 n m 的连续和 准连续激光对该探测器的辐照效应，对比分析了不同工作模式激光辐照探测器的饱和效 应。实验结果表明；若探测器的响应时间小于激光的脉冲宽度，则重频激光辐照探测器的 饱和闽值( 用平均功率密度表征) 比连续波激光的低，且重频激光的单脉冲能量和峰值功 率越大，饱和阂值越低；在i - i f 、d f 激光辐照下，比较了不带滤光片的碲镉汞探测器与带 滤光片的碲镉汞探测器组件的饱和阈值，发现前置窄带带通滤光片的存在将有效地提高探 测器组件的饱和阈值；研究了探测器在较大功率激光辐照下的损伤效应，发现损伤后探测 器的p n 结退化，电压响应率下降；另外，数值模拟了h g c d t e 探测器的温升曲线。 2 以可见光面阵c c d 为研究对象。实验测量了d f 激光对c c d 光敏面的破坏阈值， 初步研究了d f 激光对c c d 的累积破坏效应，实验结果表明：d f 激光多次辐照下，可见 光c c d 的成像质量严重下降 关键词：h g c d t e ；激光；饱和阈值；c c d ；累积破坏 第1 页 a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n gn s eo fp h o t o d e t e c t o r sh a sd r a w na t t e n t i o nt ot h en e e df o rac h a r a c t e r i z a t i o n o f l a s e ri r r a d i a t i o no nt h ed e t e c t o r s t h em a i nw o r kt h a th a sb e e n d o n ea l ei n t r o d u c e da sf o l l o w s ： 1 al o to fw o r kh a sb e e nd o n ei nl a s e ri r r a d i a t i o no np v - t y p es i n g l ee l e m e n th g c d t e d e v i c e 。t h ed e t e c t o r sr e s p o n s eu n d e rb o t hh i g hr e p e t i t i o nr a t ep d s e dl a s e ra n dc w - l a s e ra r e s t u d i e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h es a t u r a t i o nt h r e s h o l d so fh i g hr e p e t i t i o nr a t e p u l s e dl a s e ri sl o w e rt h a nt h es a t u r a t i o nt h r e s h o l d so fc w - l a s e r a n dt h eh i g h e rt h ep u l s e e n e r g y a n dp e a k v a l u e t h el o w e rt h es a t u r a t i o nt h r e s h o m s i n t h ec a s eo fh fa n dd fl a s e ri r r a d i a t i o n , t h e s a t u r a t i o nt h r e s h o l d sa r eg i v e nu n d e rt h es i t u a t i o no fe x p e r i m e n t a ls e t u p 、i 也a n dw i t h o u ta f i l t e r i ti sf o u n dt h a tt h es a t u r a t i o nt h r e s h o l d sa r eh i g h e rw i t haf i l t e ri nf r o n to ft h ed e t e c t e r t h e d a m a g em e c h a n i s m su n d e rh i g h - p o w e rl a s e ri ss t u d i e d i ti sf o u n dt h a ta f t e rl a s e rd a m a g et h ep - n j u n c t i o nd e g r a d e da n dt h ed e t e c t o r sr e s p o n s i v i t yi s l o w e rt h a nb e f o r e f u r t h e rm o r e ，a t h e o r e t i c a lm o d e l ，w h i c hd e s c r i b e st e m p e r a t u r er a i s ei nh g c d t ed e t e c t o r , i ss e tu p 2 s o m ew o r kh a sb e e nd o n ei nl a s e ri r r a d i a t i o no nv i s i b l el i g h tc c d t h ed a m a g e t h r e s h o l d so fc c d sc h i ps u r f a c ei se x p e r i m e n t l ys t u d i e d , w h a t sm o r e ，t h ed a m a g em e c h a n i s m o f c c du n d e rr e p e a t e dr a d i a t i o no f d fc w - l a s e ri ss t u d i e d k e yw o r d s ：h g c d t e ；l a s e r ；s a t u r a t i o nt h r e s h o l d ；c c d ；r e p e a t e dr a d i a t i o nd a m a g e 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学衍论文 幽1 1 幽1 - 2 图2 1 幽2 - 2 幽2 3 图2 4 图2 5 1 1 5 i2 - 6 图2 7 幽2 8 幽2 - 9 图2 1 0 幽3 1 图3 2 幽4 一l 幽4 2 图4 3 图4 4 幽4 5 幽4 6 幽4 7 图4 8 幽4 9 剀5 1 图5 2 型5 - 3 图5 - 4 幽5 5 幽5 6 图5 7 图5 8 豳5 - 9 幽5 1 0 幽5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 幽5 1 7 幽6 - l 图表目录 光伏型光电探测器热平衡时的能带结构原醐( n - o n p 结) 3 c c d 芯片原理结构示意图7 p v 型h g c d t e 探测器光谱响应曲线 实验装置示意图 9 1 0 1 0 6 4 n m 连续波激光辐照p v 型h g c d t e 探测器的典型的实验现象。1 0 1 3 1 9 n m ( 5 k h z ) 激光辐照p v 型h g c d t e 探测器的典型的实验现象 探测器输出信号与辐照激光功率密度关系曲线 响应时间内进入探测器能量示意图1 4 窄带滤光片透过率曲线。 h f 激光和d f 激光的光谱曲线 1 5 1 6 d f 激光的辐照h g c d t e 探测器饱和时的电压输出曲线1 7 高重频激光辐照下碲镉汞探测器典型信号输出曲线1 8 损伤前后探捌8 嚣的饱和信号输出。 p n 结的并联电阻模型。 实验装置示意图 p t l 0 0 外接电路 信号电压输出随时间的变化曲线 p t 电阻分压随时间的变化曲线 1 9 2 0 2 3 2 3 2 4 杜瓦瓶结构示意图2 5 p v 型h g c d t e 探测器分层结构示意图2 5 备层温度分布 九电阻温度随时间的变化( 实验和理论值) 各层表面温度随时间的变化曲线 实验装置示意图 c c d 运动示意图 几何光学方法根据离焦量计算光斑直径示意图 高斯光束传输变换理论计算光斑直径示意图 光斑作用时间示意图 正确划痕位置示意图 不恰当的划痕位置示意图 激光多次辐照后1 4 c c d 玻璃破坏形貌 2 7 。3 0 3 0 3 0 一3 l 3 3 3 3 c c d 的划痕及划伤后的成像效果 c c d 芯片表面的破坏形貌 用于计算破坏阂值的划痕。 损伤后c c d 输出的视频图像 破坏的芯片照片。 芯片表面破坏形貌 3 5 3 8 3 8 3 9 4 0 ，4 0 4 0 4 c c d 表面的k 9 玻璃破坏形貌。 激光辐照前后4 j c c d 成像效果对比。 激光辐照前后5 c c d 成像效果对比 高重频激光辐照下碲镉汞探测器典型信号输出曲线 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表1 1c c d 芯片管脚说明 表2 - 1 h 9 1 。c a , t e 探测器性能表 表2 - 2h g c d t e 探测器激光饱和闽值1 3 表2 - 31 0 6 4 n m 重频激光脉冲性质参数表1 3 表2 4 探测器的饱和阈值小结 表2 5h g c d t e 探测器激光饱和阈值 表2 - 6 探测器的饱和闽值 表4 - 1各层材辩的典型参数 表5 - 1 s o n yi c x 4 0 5 a l 型芯片参数 1 8 2 6 表5 - 2d f 激光对可见光c c d 光敏面的破坏阈值。3 7 表5 3c c d 光敏面的破坏阂值 表6 - 1 h g c d t e 探测器的饱和闺值。 表6 - 2d f 激光对可见光c c d 光敏面的破坏阈值 第1 i i 页 4 1 4 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材科与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：望五左迭型堡鱼丞拯型墨区要巫丝! 婴塑邀羞翅笾扭堡丑窒 学位论文作者签名：墨壁日期：列o6 年7 1 月加日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适周本授权书) 学位论文题目：望盂左丛型叠鱼丞拯趔墨区互墨左塑曲邀左塑笾扭垄珏窥 学位论文作者签名：至坠日期：御95 年，j 月脚日 作者指导教师签名：丝塑塑， 日期：如降f 月2 p 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 国内外研究现状 光电探测器在民用和军事领域都有着广泛的用途建立在内光电效应基础上的半导体 光电探测器件种类很多，按其工作原理可分为：光导型探测器、光伏型探测器和电荷耦合 器件( c c d ) 。自从2 0 世纪4 0 年代德国研制出p b s 探测器以来，光电探测器就已经广泛应用 于遥感、遥测、武器制导、卫星侦察、微光夜视、摄像、传真，精密测量等许多领域。 随着光电探测器在诸多领域的广泛应用，国内外关于光电探测器激光辐照效应和破坏 机理的研究已经十分广泛和深入。国外早在七十年代k i r l l e r 等人1 1 】对于激光破坏光电探测器 的永久性效应做了大量研究，并用热传导模型做了热效应分析。l a x m 函3 】在考虑热传导 系数随温度变化的条件下，用解析方法研究了半导体硅的稳态退火热输运过程。m e y e r 【“ ”研究了短脉冲激光辐照下，半导体材料的表面效应。y o f f a i “7 】较为系统地研究了半导体 硅的加热过程，指出载流子扩散在能量输运中具有重要的作用。k i m 【乳9 】研究了强激光辐 照下半导体硅的加热过程中，非线性热输运中载流子的扩散效应。1 9 7 4 年c h i h - - t a n g s a h 美】等人1 1o 】瞥对单个m o s 电容在局域光辐照下的负载能力做过研究；1 9 9 3 年，c h e n z h i z h a n g 等, a “1 对硅c c d 成像探测器的功能性破坏( 软破坏) 进行研究。2 0 0 1 年，h m o h s e n i t 4 1 1 等人测量了i r a s g a s b 光电二极管的探测灵敏度和0 - o a ) 值，指出i n a s g a s b 光电二极管是制 作非制冷高速红外探测器的绝佳选择2 0 0 4 年，f l o r ym l i 等人1 4 2 j 对紫外敏感c c d 在激光 辐照下的退化行为和损伤机制进行了研究。2 0 0 6 年，e n r i c ob e l l o t t i 等人1 4 3 】用三维模型对双 波段h g c d t e 探测器的光谱响应、少数载流子寿命等进行了数值模拟。 国内李彦文等 1 2 1 ：e e m e y e r 模型的基础上，忽略载流子效应，用数值计算方法给出i n s b 材料的熔化阈值与激光波长的定标关系。蒋志平等【l3 j 研究了激光辐照i n s b 探测器的温升过 程。强希文等【1 4 】考虑了材料的光学，热学性质的温度关系及热输运的非线性关系，对半导 体材料激光损伤效应进行了解析研究。2 0 0 2 年，朱克学等人f 4 5 】研究了激光辐照对长波 h g c d t e 光导探测器电学参数的影响。2 0 0 5 年，张运海等人【“l 研究了脉冲激光烧蚀碲镉汞 材料的等离子体发射谱。刘泽金、陆启生等人1 1 5 皿l 于1 9 9 1 年率先研究强激光辐照下可见光 c c d ( 线阵) 的成像性能，测量了光饱和功率密度阈值和热饱和温度闳值；1 9 9 2 年，又对 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 波长6 3 2 8 n m 、1 0 6 4 n m 激光辐照c c d 探测器局部，对其产生的“光饱和串音”、热饱和及永 久性损伤作了实验研究：1 9 9 4 年，对面阵c c d 图像传感器点破坏机理进行了研究倪晓武 掣2 3 2 4 1 进行了脉冲激光对c c d 器件的硬破坏机理的研究，认为当作用激光功率密度大于 1 0 。w c m 2 时，激光等离子体冲击波对c c d 的作用力与c c d 膜层问附着力的数量级相同， 是不可忽略的因素。蔡德芳等1 2 5 1 对c c d 探测器的饱和阅值的光谱特性进行了研究。2 0 0 2 年， 王世勇等人【4 6 】研究了脉冲与连续激光对面i 珲c c d 系统的干扰效应。2 0 0 5 年，江继军等人4 7 研究了c c d 在飞秒激光辐照下的失效问题。 本文旨在在前人工作的基础上，以上海技术物理研究所提供的光伏型h g l 。c d 。t e 光电 探测器为研究对象，在光电探测器对激光的响应特性方面作进一步的研究，并对探测器的 某些响应特性进行数值模拟。另外，第五章对可见光面阵c c d 的激光累积破坏效应进行了 初步研究。 1 2 1 碲镉汞材料的特点 1 2 碲镉汞探测器简介 1 9 5 9 年，l a w s o n 等人发明了碲镉汞( h g l 。c d 。t e ) - - 元系合金材料，这是一种禁带宽度 连续可调的化合物半导体。h g c d t e 晶体的出现改变了红外探测器的发展面貌，由于h g c d t e 三元系材料可以通过改变组分来制造各种截止波长的红外探钡i 器，在整机设计中可以最有 效的利用辐射信号的能量( 使设计的红外探测器的波段探测率最大) ，从而使整机性能最优 化，这是二元系材料所不具有的优良特性。h g c d t e 发明以后就成为了一种制造红外探测器 的苜选材料。窄禁带h g c d t e 材料之所以能发展成为很好的e t , f 探测器材料，它的优点主要 表现在： 1 ) h g c d t 刑通过调整组分x 来调整其禁带宽度，从而调整探测器的响应波段。 h g c d t e 是c d t e $ f l h g t e 雕j 连续固熔体，c d t e 是一种半导体，禁带宽度约为1 6 e v , h g t e 是一 种半会属，禁带宽度约为0 3 e v ，用这两种化合物组成的三元化合物的成分可以从纯c d t e 到纯h g t e 之间变化，在不同的组分下，三元系化合物h g c d t e 具有不同的禁带宽度，同时 也对应不同的截止波长。因此可以通过调节组分x 值，从而使探测器工作于1 3 肛m ，3 - 5 p m 、 8 - 1 4 1 a m _ 三个大气窗口波段。 2 ) h g c d t e 氮温度工作时达到背景限由于h g c d t e 的少数载流子的寿命由俄 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 歇复合机制限制，具有较高的载流子寿命，因此可以工作在较高的温度。h g c d t e 红外探测 器在8 0 k 附近时就能达到理论极限，而其他材料的器件需要更低的温度才达到背景限，例 如，在8 1 4 肛r n 波段，g e ：h g 红外探测器需要工作在3 8 k 。 1 2 2 光伏型碲镉汞探测器的解析模型3 9 】【4 0 1 2 2 1 光生电动势的产生 图1 - 1 是光伏型光电探测器在热平衡时的能带结构原理图。本文所用探测器的p n 结是 n o n p 结，即n 型层作为受光面。该图考虑了在半导体表面形成的极薄的氧化绝缘层( 又 称界面层) 的影响从x n 到x p 为p - n 结的耗尽层，恸是扩散势垒，点p 是费米能级 乎 l 辜 g = 星 吒d x 图1 - 1光伏型光电探测器热平衡时的能带结构原t e ( n - o n - p 结) 假设光从1 1 区表面垂直入射。该模型考虑光吸收过程仅发生在受照表面附近区域的情 形。由于界面层较高势垒的作用，表面附近产生的光生载流子主要向内部扩散遇到p - n 结时，电子被p - n 结势垒阻挡，驻留在n 区，空穴则受到p - n 结加速，由隧道效应而通过p 区的界面层基于这种物理图象，光生载流子输运的连续性方程可如下简化 边界条件为： ( 0 x 矗) ( 1 1 ) d ，d 万2 a n = 等 ( 工 z ) z ) 删时一d ，警中跏 第3 页 ( 1 3 ) 印一 警 啡 国防科学技术大学研究生院学位论文 x = d 时，以+ 印= 【以+ 印1 e x p 卜墨垒k 塑t 】 ( 1 4 ) 州时，+ 嵋砒+ 觇】c x p 卜笔产】 ( 1 5 ) 名= x 时，血。= 0 ( 1 - 6 ) 并且 以= 砟e x p 卜鲁】= c x p 卜鲁】 上述各式中，a n 为光生电子浓度，q 是光生空穴流密度，qz 、五i 7 i 为空穴表面复 合速度，靠为空穴复合时间，d ；是空穴扩散系数，见、砟分别为热平衡时n 区和p 区的 空穴浓度。相应地，对于电子，也有类似的量。v 为光生电动势，r 为温度。 由方程( 1 4 ) 和( 1 - 5 ) 可得 ( 眺= 瓦p 而 e x p 瓦( e v 丽k t ) - 1 ( i 7 ) ( q l 2 【e 砸p 矿，忉一l 】+ 蛾百n p e x p ( e 矿i k t ) ( 1 8 ) 由于光生电子驻留在n 区，且n 区非常薄，即认为在n 区，不随x 而变，这意味 着，光生电子的表面产生速度和表面复合速度相等，即： q = 最觇“厮 ( 1 9 ) 根据以上推导，方程( 1 1 ) 和( i - 2 ) 的解为： 印2 丽qe 酬铲吲器一巍e 咖 ( 在1 1 区)( 卜1 0 ) 血，却膨p ( e v k t ) _ l 】+ 了杀卺e 毗纠灯) ) x e x p ( - “厶) ( 在p 区) ( 1 - 1 1 ) 其中，0 = 撕砺是空穴的扩散长度，厶= 瓦i 是电子的扩散长度。 第4 页 = ：垦塑型童查i 董查茎坚壅生些耋堡垒奎 令流过p n 结的电流密度 以= e q 譬n e 见净。 ( 1 1 2 ) 为零，则求得开路光生电动势 阽箭b 妲嵩挚， m 式中 州c 居a 一钞绵厣地 ( 1 1 4 ) = ( 托万砑一m ) 2 ，p ，= ( 扛：丽+ n a ) 2 = ( 扣万砰+ d ) ，2 ，以：( n 厨0 2 + 4 n , z 。一n 。) 2 其中，、e 分别为空穴和电子的扩散系数，见= r p k t l e ，谚= a k t e ，l a p 、l a 为相应的迁移率，j 为波尔兹曼常数，丁为热力学温度，p 为电子电量f 。、f 分别为空 穴和电子的寿命，、分别为p 区和n 区的电子密度。办、见分别为p 区和n 区的空 穴密度，以和分别表示p 区的受主浓度和n 区的施主浓度，肛为本征载流子浓度。 氇= 2 卜0 m 芴m r p k t ) ”e x p ( 一& ，2 t r ) ( 1 1 5 ) 、分别是电子和空穴的有效质量，h = h 1 2 n ， 为普朗克常量。幺为禁带宽度， 它是组分工和温度r 的函数，其经验公式【3 6 l 为； 乓= - 0 2 9 5 + 1 8 7 x - 0 2 8 x 2 + ( 6 - 1 4 x + 3 x 2 ) 1 0 4 t + 0 3 5 x 4 ( e v )( 1 1 6 ) 光生电子流密度为 q = a 刁( 1 一，) p ，知，( 1 - 1 7 ) 口为吸收系数，7 为量子转换效率，为材料表面对入射光的反射率，p 为辐照光功率 密度，y 为辐照光频率。 1 2 2 2 温差电动势 当光电探测器受到强激光照射对，由子吸收激光能量，在光照射的方向产生温度梯度， 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 成为温差电动势的根源。低温端附近的载流子浓度比高温端附近低，使得载流子从高温端 向低温端扩散，并在半导体的两侧积累形成电场在品格散射占优势的情况下，对非简并 的p 型半导体，其温差电动势可表示成： 肌一备( h 等+ 2 卜 m 其中以：2 i ( 2 # 1 m i p r k t j 、，为价带的等效态密度，为空穴有效质量，p 为空穴载流子密 度在全部电离和电中性条件下，p 型半导体中自由空穴密度由下式给出： p = 三( m + 厢) ( 1 - 1 9 ) 其中以为受主杂质浓度，啊为本征载流子浓度当温度很低，满足_ 1 s ) ( 4 4 ) 4 2 2 计算结果 丁i ，。= 7 7 k ( 不锈钢内胆与液氮接触面) ( 4 5 ) 表4 1 各层材料的典型参数 d e n s i t y h e a t - c a p a c i t y h e a t - e o n d u c t i v i t y t l a i c k n e s s m a t e r i a l ( k g m 3 )( j k g k ) ( w m k 1( 坤m ) h g c d t e 7 4 0 01 5 621 0 0 g l u e 1 2 5 01 5 3 0 o 21 5 a 1 2 0 3 3 9 8 07 5 33 42 7 0 g l u e 1 2 5 01 5 3 0 o 2l o c u l 3 4 】8 8 9 03 8 5 3 8 66 0 0 0 s t r a i n l e s s s t e e l t 卅7 7 5 04 6 0 1 6 31 0 0 0 上表中部分参数由上海技术物理研究所提供，胶层、无氧铜及不锈钢的参数取的是典 型值。用m a t l a b 偏微分工具箱处理以上分层结构的热传导问题。温度随深度及时问的变 化分别如图4 7 、图4 8 所示。 圈4 - 7 各层温度分布 第2 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 m 图4 - 8p t 电阻温度随时闻的变化( 实验和理论值) 4 2 3 理论分析与实验结果的误差分析 图4 7 为激光辐照1 s 末时刻探测器沿y 轴方向各层温度的变化。从图上可以看出，两 层胶上温降比较大。在探测器的分层结构中。p t 电阻位于冷面上，覆盖在低温胶层中，所 以实验测得的温度是冷面上表面( 低温胶层中下部) 的温度，而并不是h g c d t e 芯片的温 度图4 - 8 为p t l 0 0 的温度随时问变化的曲线。从图上可以看出，理论曲线与实验曲线吻 合较好，但温度恢复阶段偏离稍大。我们认为导致这种差异的因素可能与以下几点有关： ( 1 ) 大部分参数取的是常温下的数值，而且没有考虑比热容、热导率等参数随温度的变化： ( 2 ) 计算中认为覆盖在h g c d t e 芯片表面的激光光斑是均匀的，这是对实际情况的简单化和 理想化：( 3 ) 探测器厚度大于表面尺寸，用一维模型计算可能带来一些误差。 从图4 - 9 可看出，辐照1 s 末时刻n g c d r e 芯片表面的温度约为9 0 k ，而图4 - 8 显示p t 电阻温度不到8 2 k ，所以我们认为把实验中p t 电阻测得的温度直接作为探测器芯片的温度 是不正确的，可通过建立热传导模拟计算的方法得到h g c d t e 芯片的湓升。 圈4 - g 各层表面温度随时间的变化曲线 4 3 结论 本章根据p v 型h g c d t e 探测器的分层结构及p t 电阻的位置，得出测温元件测得的温 第2 7 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 度值为冷面上表面( 低温胶层中下部) 的温度而实际的芯片温升高于这个值。数值模拟 的结果也证明了这一点。所以p t 电阻测得的温度只能作为探测器温升的一个参考，实际的 芯片温升要通过建立模型计算得到 第2 8 页 国防科学技术入学研究生院学付论文 第五章d f 激光对可见光c c d 的累积破坏效应 可见光面阵c c d 表面的k 9 玻璃对d f 激光的透过率比较小，而且可见光c c d 的半 导体材料对d f 激光也不响应，我 f 曾测量过d f 激光对k 9 玻璃的破坏阈值，k 9 玻璃样 品取自同一型号的c c d 。实验发现：d f 激光出光功率为1 0 瓦时，经透镜聚焦辐照在运动 中的k 9 玻璃上，在玻璃表面打出一道划痕，激光驻留时间为7 3 m s 时，k 9 玻璃的破坏阈 值约为3 0 x i o w 2 。 5 1 实验内容及实验方案 实验所用的c c d 芯片型号为s o n yi c x 4 0 5 a l ，主要参数如表5 - i 所示。 表5 1s o n yi c x 4 0 5 a l 型芯片参数 m a i np a r a m e t e r s o n yi c x 4 0 5 a l n u m b e ro f e f f e c t i v ep i x e l s 5 0 0 ( h ) x 5 8 2 ( v ) t o t a 【n u m b e ro f p i x e l s 5 3 7 ( h ) x5 9 7 ( v ) c h i ps i z e 5 5 9 m m ( h ) x4 6 8 m m ( v ) u l i l ts e l ls i z e 9 8 m ( h ) x6 3 m ( 矿) 图5 1 为实验装置示意图。计算机用来采集c c d 输出的视频图像。c c d 固定在电移 台滑轨上，电移台轨道与光束方向夹角为4 5 0 c c d 在轨道上运动，芯片表面与光束垂直。 理想情况是：当c c d 运动到某一位置时，激光刚好打在芯片中间位蜀，而这一点刚好是 焦点。也就是说，实验需要做到使c c d 芯片在运动中经历从离焦到聚焦再到离焦的过程。 激光辐照过程中，c c d 随电移台沿图5 1 所示方向移动，当c c d 运动至焦点附近时， 激光烧蚀k 9 玻璃发出强烈闪光，c c d 光敏面开始出现划痕，c c d 继续运动经过焦点再到 离焦状态，划痕结束。划痕两端点处对应的激光功率密度即为c c d 光敏面的破坏阙值。 若要准确的计算破坏阈值，需要划痕完整的位于光敏面中心，在这种情况下可以认为。划 痕的中点对应焦点，也就是说，划痕基本是相对于中心点对称的( 从划痕的形态上也可以 第2 9 页 粗略判断出这一点) ，结束点或开始点对应激光恰好可以烧蚀出划痕的情形，即对应的激 光功率面密度为c c d 光敏面的破坏阈值。 图5 - 1 实验装置示意图 图5 - 2c c d 运动示意图 通过测量可以得到c c d 光敏面的黑色划痕长度，设划痕长度为口，则划痕的起始点对 应的离焦量为： ，= 吖2( 5 - 1 ) 若离焦量足够大，可以根据几何光学方法计算离焦量为酗堂的激光光斑大小，设光斑 直径为d ，如图5 - 3 所示： 图5 3 几何光学方法根据离焦量计算光斑直径示意图 第3 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ：三j d ；旦， dd f ( 5 - 2 ) 但实际情况中，因为激光在光敏面上打出的划痕比较短。通常为i m m - 4 m m 左右，计 算出的离焦量不大于2 m m ，与高斯光束的瑞利距离相当，所以用几何光学方法计算光斑直 径是不恰当的。下面介绍用高斯光束的传输变换理论计算聚焦后焦点附近光斑直径的方 法。 图5 4 高斯光束传输变换理论计算光斑直径示意图 图5 - 4 中，墨、岛为d f 激光器谐振腔的腔镜，蜀= 5 m ，局= 2 m 疋为输出镜，腔 长工；1 2 m ，激光器出口处到聚焦透镜的距离厶= i m ，根据透镜的参数计算得到透镜对平 行光的焦距为f = 1 2 0 ，6 r a m 高斯光束在谐振腔内振荡，可以求出腔内基模高斯光束的共焦参数、腰斑位置及大 小( 0 0 ，用z 2 表示腰斑到输出镜的距离，则 有 一工( 局- l ) 厶= ；一 ( 一是) + ( 三一是) 厨 ，2 1 寺 ( 5 - 3 ) ( 5 - 4 ) ( 5 5 ) 用g 参数分析高斯光束的传输变换问题，根据袁豸= i 两1 7 i 暑西及图5 - 4 的标注， ( 5 6 ) 寺 l i 一吼 国防科学技术大学研究生院学位论文 = = = = = = = = = = = = 亨= = = = = = = 9 2 2 吼+ 乞 ll1 吼9 2 五 q 4 = 吼+ 厶 1l1 q 5 吼f g ：= 9 5 + z n 为输出镜的折射率，1 = 1 4 1 。根据以上推导得到 g ：= z 一1 2 7 6 + 2 6 0 i ：处的基模高斯光束的曲率半径和光斑半径分别为 其中e ：当 以一l 也= ( z - i 1 2 7 面6 ) 2 万+ 2 一6 0 2 ( 5 7 ) ( 5 8 ) ( 5 9 ) ( 5 1 0 ) ( 5 - 1 1 ) ( 5 1 2 ) ( 5 1 3 ) ( 5 1 4 ) 若z 点处为腰斑位置，则高斯光束的曲率半径尼- - - ) o 。，由( 5 - 1 3 ) 式得到2 = 1 2 7 6 r a m ， 即按照激光器出射光束为高斯光束计算，该透镜对d f 激光聚焦后腰斑距离透镜1 2 7 6 m m 。 以上计算得出的是基模高斯光束的光斑半径，实验中激光器输出光为t e m i o 模，其水 平方向的光斑半径为基模高斯光束光斑半径的压倍，又离焦量，：z 一1 2 7 6 ，由式( 5 1 4 ) 得到离焦量为，处的t e m l 0 模高斯光束光斑半径为 q ：压, 。a ( i 嘉2 + 2 。石6 0 2 ) ： 即可得离焦量z 处光斑面积的大小s = 万( q ) 2 ，j 。 ( 5 1 5 ) 设激光功率为w ，则d f 激光对可见光c c d 光敏面的破坏阂值p 为： p=丝s(5-161 公式( 5 3 ) ( 5 1 6 ) 中长度单位取n l m 。实验中，只需测量出c c d 光敏面的划痕长 度d ，便可以计算出破坏阈值。 破坏阈值的大小还和激光在光敏面的驻留时间有关。理论上分析，划痕的中心部分所 第3 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一 对应的光斑面积最小，划痕最细而深；而划痕两端对应光敏面的破坏阈值，此处的光斑面 积最大，划痕最粗而浅。破坏闽值对应的为划痕端点处光斑的驻留时间。 bc ： 光斑运动方向 图5 5 光斑作用时间示意图 电控位移台的运动方向与主光轴的夹角为州4 ，设电控位移台的移动速度为v ，点a 处所对应的光斑面积为s 若想知道点a 处光斑驻留时间r ，只需知道光斑在c c d 光敏 面上移动的速度以及a 点的光斑直径。 如图5 2 所示，电移台的移动速度v 在垂直于光轴方向上的分量为v s i n o ，此速度的大 小即为光斑在光敏面上移动速度的大小 屹钏i n 互4 = 鱼2 ” ( 5 1 7 ) 由式( 5 1 5 ) 可以计算出a 点处的光斑直径2 劬，最终得到光斑的作用时间： f 。巫( 5 1 8 ) v 另外，本实验的个难点为调整聚焦透镜的焦点，使之刚好位于光敏面中心。采用的 方法是：首先租调将焦平面大概确定在1 2 7 6 r a m 处，然后进行实验。只有c c d 光敏面的划 痕完整，才能使用公式z = a 2 计算出离焦量，的大小如图所示： 图5 - 6 正确划痕位置示意图 如果c c d 的光敏面运动到焦平面位置时，光斑没有打在光敏面中心附近，则出现的 第3 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 划痕很容易偏离出光敏面范围，如下图所示： 图5 - 7 不恰当的划痕位置示意图 根据所得到的划痕相对光敏面的偏离方向调整聚焦透镜到c c d 的距离，直到划痕完 整的位于光敏面中心，此时透镜中心到c c d 光敏面中心的垂直距离即为焦距。 5 2 实验结果及分析 用氟化氘连续波激光对五个可见光面阵c c d 进行辐照实验。透镜前表面激光光斑大小 为l o m m ( h ) x 7 r a m ( v ) 。由于c c d 的镜头为透射式，材料为k 9 玻璃，对d f 激光透过率很 低，因此实验中用c a f 2 材料的聚焦透镜代替c c d 镜头的聚焦作用，把激光束聚焦在c c d 的光敏面上。c c d 入口处贴一光阑，其通光口径与光敏面大小相当，起到保护芯片周围裸 露电路板的作用。激光辐照前后分别装上镜头比较c c d 的成像效果把五个c c d 分别编 号为l 。、2 。、3 。、4 。和5 。 5 2 1i # c c d 的实验结果 1 4 c c d 是一个全新的c c d ，带有k 9 玻璃封装窗口。激光辐照过程中c c d 不安装镜 头，激光功率取值与破坏k 9 玻璃时的功率相当，约为l o 瓦。 实验开始时c c d 置于电移台滑轨的一端，位于激光辐照范围之外，开启激光器后， c c d 在电移台的控制下按设定的速度运动，进入激光辐照区域，光敏面经历从离焦面到焦 面再到离焦面的过程，最后移出激光辐照范围。c c d 运动过程中，计算机实时采集激光辐 照前后及辐照过程中c c d 的输出图像，实验发现：激光与c c d 的作用过程中发出强烈的 闪光，损伤的结果是激光辐照后c c d 表面的k 9 玻璃出现划痕并碎裂，同时光敏面出现一 条黑色的划痕，划痕出现后c c d 装上镜头仍可以成像，只是输出图像上多了一条黑线。 第3 4 页 引习到 国防科学技术大学研究生院学位论文 反复多次进行实验，c c d 光敏面上出现了多条黑色划痕，成像质量严重下降。多次辐照后 玻璃破坏形貌如图5 - 8 所示。c c d 的划痕及激光辐照后的成像效果如图5 - 9 所示。图5 - 9a 为激光辐照两次后，c c d 不带镜头实时采集的图像，图b 为对应的带镜头的成像效果；图 5 9 c 为多次辐照后c c d 不带镜头实时采集的图像，图d 为对应的带镜头的成像效果。 囝5 - 8 激光多次辐照后1 屯c d 玻璃破坏形貌 ab c d 图5 - 9c c d 的划痕及划伤后的成像效果 实验中激光的焦点位置调整在c c d 的光敏面上，激光辐照后光敏面上出现黑色划痕， 之所以c c d 表面的k 9 玻璃也出现划痕，是因为k 9 玻璃下表面距离光敏面只有i m m ， k 9 玻璃厚度也只有0 7 4 m m ，而系统焦深大小约为2 m m ，也就是说当光敏面处于焦面位置 时，k 9 玻璃也处于焦深范围内，辐照在k 9 玻璃表面的激光功率密度约等于辐照在光敏面 第3 5 页 上的激光功率密度t 本章开头介绍过d f 激光对k 9 玻璃的破坏润值约为1 0 4 哆厶2 量级， 而根据f c c d 的实验结果计算得到的d f 激光对光敏面的破坏阈值也为1 0 4 乡乙2 ，所以 当光敏面出现划痕时，c c d 表面的k 9 玻璃也被破坏出现划痕。 黑色划痕的出现并未彻底破坏c c d 。用三维数字显微镜观察损伤的芯片，损伤形貌如 图5 1 0 。 ab 图5 - 1 0c c d 芯片表面的破坏形貌 图5 1 0b 是a 的局部放大。从该图中可以看出划痕的中心部分破坏较深，划痕的上下 边缘部分破坏较浅，仍能分辨出单个的光敏元。整条划痕宽度较均匀，总宽度约为0 1 3 5 m m ， 中心破坏较深区域的宽度为0 0 6 8 r a m 。 根据损伤的形貌我们认为，损伤后的c c d 之所以还能成像。是因为激光在光敏面上 的划痕比较浅，并未损伤c c d 的移位寄存器阵列，破坏的只是部分光敏元。光敏元的p n 结部分被破坏会使输出图像中为黑色。如果只是光敏元表面的微透镜被破坏，使熔融物覆 盖在感光材料上，致使光敏元接收不到光信号，也会使输出图像中为黑色。 i c c d 的实验结果证明，d f 激光能够破坏可见光c c d 的光敏面，使成像质量严重下 降。下面将计算激光对光敏面的破坏闽值。 5 2 2f c c d 的实验结果 实验所用的f c c d 为不带k 9 玻璃封装窗口的组件。为了计算破坏阈值，稍微降低激 光器的出光功率，既保证激光能够损伤c c d 的光敏面，又使划痕长度不超出光敏面的范 围。图5 1 1 中c c d 光敏面下部的四条划痕或者横向贯穿整个光敏面，或者偏在光敏面的 一侧，都不能用于计算破坏闺值。划痕过长贯穿整个光敏面是因为激光功率过高，而划痕 第3 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 偏在光敏面- n 是因为焦点位置调整不当。根据所得到的划痕相对光敏面的偏离方向调整 聚焦透镜到c c d 的距离，同时降低激光器出光功率为2 - 4 w ，得到图5 1 1 中图像上部的六 条划痕，每条划痕端点处的辐照激光功率密度即为c c d 光敏面的破坏阈值。 图5 - 1 1 用于计算破坏阈值的划痕 根据5 1 ( 5 1 5 ) ( 5 1 8 ) 式计算出激光对光敏面的破坏阈值及对应的激光驻留时间， 总结如表5 2 。 表5 - 2d f 激光对可见光c c d 光敏面的破坏阈值 破坏阈值 实验编号激光功率w划痕长度m m光斑半径m m驻留时间，掰 ： 0 134 10 1 2 31 2 61 1 x 1 0 0 22 52 3 50 1 0 4l o 71 3 1 0 0 3 3 3 5 3o 1 1 64 21 2 x 1 0 0 443 1 o i l l41 8 1 0 。 0 5 32 0 1 0 23 71 6 x 1 0 0 631 30 0 9 73 51 7 x 1 0 从表5 2 的数据可以看出，d f 激光对c c d 光敏面的破坏阈值约为1 0 4 h ，量级，实 c m 一 验中光斑在光敏面上的驻留时间差别不大( 3 5 m s 1 2 6 m s ) ，因此破坏阂值与驻留时间的关 系不明显 由式( 5 - 1 ) 知离焦量为划痕长度的半，表5 - 2 列出了六条划痕的长度，计算得到的