脈沖激光輻照CCD探測(cè)器飽和閾值分析

雷 威， 王海晏，2， 牛 翀

(1.空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，西安 710038;2.西安電子科技大學(xué)，西安 710071)

0 引言

激光干擾是光電對(duì)抗技術(shù)的重要組成部分，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)必不可少的高技術(shù)之一。本文利用有源設(shè)備對(duì)電視制導(dǎo)武器的CCD導(dǎo)引頭實(shí)施擾亂欺騙作為光電對(duì)抗設(shè)備。分析仿真脈沖激光對(duì)CCD飽和閾值的影響，為實(shí)際對(duì)抗電視制導(dǎo)武器的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 CCD基本工作原理

CCD是由在硅片上整齊排列的光敏二極管單元組成的，它們排成一矩形方陣，其中每一個(gè)光敏單元稱為像元，當(dāng)光照射到硅片上的方陣時(shí)，每一個(gè)像元中的原子在具有一定能量的光子作用下，電子從原子中逃逸，形成了一對(duì)自由電子和失去電子的原子空穴。投射到光敏單元上的光線越強(qiáng)，產(chǎn)生的電子－空穴越多。在硅片上這些電子可以和空穴分離，并可以收集起來，電子－空穴對(duì)的分離和收集用半導(dǎo)體中的勢(shì)阱就可以完成，就像用水桶收集雨水一樣。光敏單元收集由光子作用產(chǎn)生的電子。電子數(shù)主要取決于光照強(qiáng)度和收集(積分)時(shí)間的長(zhǎng)短，收集完成后，最后的光敏單元將電荷注入設(shè)在輸出端的電子測(cè)量單元，電荷/電壓轉(zhuǎn)換單元將電子轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，形成了一個(gè)像元的視頻信號(hào)。光敏單元將電子倒空后，又可以接收新的電子，這樣相鄰光敏單元之間不斷向輸出端倒換(移位)電荷，直至倒換(移位)到輸出端的電子測(cè)量單元，轉(zhuǎn)換成像元電壓。

2 脈沖激光各參數(shù)對(duì)CCD的影響

研究脈沖激光對(duì)CCD飽和閾值影響，就必須研究脈沖激光各項(xiàng)性能對(duì)CCD飽和的影響。由于脈沖激光與連續(xù)激光相比具有脈沖峰值功率很高且脈沖作用時(shí)間極短的特點(diǎn)，因此，脈沖激光對(duì)CCD作用會(huì)出現(xiàn)瞬間加熱效應(yīng)，而瞬間產(chǎn)生的熱量很難在短時(shí)間內(nèi)傳遞出去，從而導(dǎo)致CCD出現(xiàn)局部升溫現(xiàn)象，當(dāng)這個(gè)溫度升高到一定程度會(huì)導(dǎo)致CCD失效。這只是CCD熱效應(yīng)的損傷，本文主要研究CCD光電效應(yīng)的飽和。

下面列舉實(shí)驗(yàn)條件下，可見光硅CCD在波長(zhǎng)為1.064μm YAG脈沖激光輻照作用下的飽和效應(yīng)，得到探測(cè)器的像元飽和閾值及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象［1－4］。

圖1為YAG脈沖激光輻照CCD的干擾實(shí)驗(yàn)裝置原理圖。實(shí)驗(yàn)中，激光器為Nd:YAG激光器，其波長(zhǎng)為1.064μm，脈沖寬度可調(diào)，實(shí)驗(yàn)中脈沖寬度為 10 ns。激光器的重復(fù)頻率為1 Hz。CCD為KA-320型面陣CCD探測(cè)器，該探測(cè)器為1/3 in(注:1in=2.54 cm)靶面，像素為752×582。示波器為Tektronix的TDS 3052數(shù)字示波器，該示波器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CCD的輸出響應(yīng)，也可與計(jì)算機(jī)一樣存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。能量計(jì)采用美國相干公司的激光能量計(jì)，用來監(jiān)測(cè)激光輸出的能量，能量計(jì)可測(cè)量的能量范圍為0.5～5 mJ，可探測(cè)的激光波長(zhǎng)為0.19 ～20μm，分辨率為 10μJ，測(cè)量精度為 ± 5%。為避免強(qiáng)脈沖激光對(duì)CCD的硬破壞，光路中放置了光闌、衰減片組及濾光片以衰減到達(dá)CCD光敏面上的激光能量，分光板的透反比為1.42∶1。實(shí)驗(yàn)前，需調(diào)整光學(xué)元件，以使光束穿過其幾何中心，調(diào)整方法為采用不同口徑的光闌放置于光路上的每個(gè)光學(xué)元件前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)CCD探測(cè)器發(fā)生飽和現(xiàn)象的判斷依據(jù)是:連續(xù)增加輻照激光的能量密度，在激光輻照過程中探測(cè)器前后兩次輸出的信號(hào)電壓基本相同。

圖1 脈沖激光對(duì)CCD的輻照干擾實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experiment of CCD irradiated by pulse laser

開始輻照時(shí)，調(diào)整激光器能量至探測(cè)器處于正常工作狀態(tài)，然后不斷減小衰減量并觀察示波器顯示的視頻信號(hào)以判斷CCD正好發(fā)生飽和現(xiàn)象，此時(shí)的探測(cè)器光敏面的激光能量密度即為探測(cè)器的飽和閾值，記錄此時(shí)的激光能量密度并轉(zhuǎn)換為光敏面處的激光能量密度，得到KA-320型面陣CCD在YAG脈沖激光輻照下的飽和閾值為1.3×10－6J/cm2。當(dāng)繼續(xù)減小衰減量至CCD光敏面的激光能量密度為0.6 J/cm2時(shí)，CCD開始出現(xiàn)局部損傷。因此，在上面所說的特定條件下，KA-320型CCD在YAG脈沖激光輻照下發(fā)生飽和從而失去成像能力時(shí)的激光能量密度范圍為1.3×10－6～0.6 J/cm2。

實(shí)驗(yàn)過程中證實(shí)了CCD在脈沖激光輻照下出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象，同時(shí)在垂直的時(shí)鐘線方向上伴隨有“光飽和串音現(xiàn)象”(也稱之為“彌散”現(xiàn)象)的出現(xiàn)。由于脈沖激光峰值功率較高，且其脈沖寬度只有100 ns，因此激光輻照產(chǎn)生的熱量難以及時(shí)傳遞而易造成輻照域局部出現(xiàn)損傷。不過從CCD出現(xiàn)像元飽和現(xiàn)象到局部損傷時(shí)的激光能量范圍相差很大，存在5個(gè)數(shù)量級(jí)的差別。

可以認(rèn)為，CCD的每個(gè)像元等效于一個(gè)電容，當(dāng)其結(jié)構(gòu)確定后，勢(shì)阱中所能容納和處理的最大電子電荷數(shù)就是一定的，當(dāng)強(qiáng)激光輻照CCD的局部時(shí)，CCD的光積分時(shí)間極短，約為幾微秒到幾百微秒，而光生載流子產(chǎn)生時(shí)間卻只需幾個(gè)皮秒，這就使得光生載流子有足夠的時(shí)間向鄰近勢(shì)阱發(fā)生“溢流”現(xiàn)象。

可假設(shè)條件:可見光硅CCD探測(cè)器光敏元全部受激光照射，當(dāng)探測(cè)器達(dá)到飽和閾值，同時(shí)探測(cè)器內(nèi)光生電荷Qs的值也為最大值，也就是說，當(dāng)有飽和像元出現(xiàn)，此時(shí)的探測(cè)器已經(jīng)是全屏飽和。

下面將脈沖寬度、峰值功率、重復(fù)頻率等影響探測(cè)器飽和閾值的因素進(jìn)行量化分析，用仿真模型得出結(jié)論。

2.1 脈沖寬度［5］

對(duì)于激光損傷光學(xué)材料，已有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，光學(xué)材料的激光功率損傷閾值Ith隨激光脈沖寬度tp的增大而降低，大致為(Ith∝)，n值與激光對(duì)光學(xué)材料的損傷機(jī)制有關(guān)。根據(jù)目前比較流行的三種損傷機(jī)理:電子崩電離、多光子吸收和自由等離子體吸收進(jìn)行的理論計(jì)算［6］，n 分別為 －0.035，－0.155 和 －0.25。一般來講，短脈沖激光下(tp＜30 ns)，多光子吸收電離是引起光學(xué)材料激光損傷的主要原因。對(duì)于長(zhǎng)脈沖激光，等離子體吸收則是主要原因?，F(xiàn)在已經(jīng)有超短脈寬(fs量級(jí))的激光損傷探測(cè)器的研究［1］。

研究脈沖寬度tp和探測(cè)器飽和閾值的關(guān)系，在單脈沖情況下，也就是研究輻射能量與飽和閾值的關(guān)系，當(dāng)峰值功率不變，脈沖寬度逐漸減小，輻射能量則同時(shí)減小。

分別取10 ns，50 ns，80 ns脈寬的調(diào)Q激光和100μs，200μs，500μs脈寬的長(zhǎng)脈沖激光，為研究方便，假設(shè)當(dāng)脈寬為10 ns和100μs時(shí)的激光峰值功率為500 W，對(duì)探測(cè)器進(jìn)行干擾，由后面的仿真模型，得出脈沖寬度與飽和閾值的關(guān)系。

2.2 峰值功率

在單脈沖時(shí)，激光能量:

式中:p(t)為瞬時(shí)功率;p(t)max為峰值功率;tp是激光脈沖寬度。而脈沖的平均功率:

在對(duì)探測(cè)器進(jìn)行照射時(shí)，都采用的是脈沖激光的峰值功率，峰值功率是瞬時(shí)功率中的最大值。圖2是脈沖激光的平均功率波形圖，圖3是峰值功率波形圖。

圖2 平均功率波形圖Fig.2 Curve of average power

圖3 峰值功率波形圖Fig.3 Curve of peak power

由圖3可以看出，在脈沖寬度較小的情況下，正是由于峰值功率較高，很容易使探測(cè)器短時(shí)間內(nèi)達(dá)到電荷飽和，由于假設(shè)是全屏照射，一旦探測(cè)器像元飽和，就無法成像。

2.3 重復(fù)頻率

多脈沖激光對(duì)探測(cè)器的損傷規(guī)律與單脈沖情形有很大差別。一般說來，隨著激光脈沖個(gè)數(shù)的增加，激光損傷閾值變小。目前，對(duì)多脈沖激光損傷的機(jī)理有兩種解釋:一種認(rèn)為多脈沖激光損傷是一個(gè)熱積累過程，每一個(gè)激光脈沖都使被輻照材料升溫，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度(如熔點(diǎn)等)，造成材料的宏觀破壞;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為多脈沖激光損傷是材料內(nèi)部微觀缺陷吸收激光后的非線性發(fā)展積累過程。一般的材料在制備和加工過程中，存在大量的微觀缺陷，它們具有比材料本征吸收大得多的吸收率，在材料與激光脈沖相互作用的過程中，缺陷吸收占主導(dǎo)地位，卻先吸收在材料內(nèi)形成局部高溫，局部高溫達(dá)到一定程度，就會(huì)造成材料缺陷處首先發(fā)生熱爆炸、電子崩電離等過程，從而使缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大。激光損傷是材料局部或者整體的結(jié)構(gòu)及物性并沒有發(fā)生宏觀損傷，只是引起材料內(nèi)微觀缺陷的發(fā)展和爆炸，初始時(shí)這種微觀損傷破壞程度很小，對(duì)材料光學(xué)特性的影響很小，用比較先進(jìn)的手段才能夠發(fā)現(xiàn)這種變化(掃描電鏡等)。然而每個(gè)微觀缺陷的發(fā)展和爆炸，都將增加對(duì)后續(xù)激光脈沖的吸收，并導(dǎo)致更大的微觀損傷發(fā)生，最終導(dǎo)致材料發(fā)生災(zāi)難性損傷。值得一提的是，每個(gè)激光脈沖強(qiáng)度都不能低于一個(gè)最小值，否則材料中不會(huì)產(chǎn)生微觀損傷，再多的激光脈沖也不能發(fā)生宏觀損傷。

本文只研究激光照射探測(cè)器時(shí)的光電效應(yīng)，對(duì)于熱效應(yīng)暫不考慮?？紤]重復(fù)頻率對(duì)探測(cè)器飽和效應(yīng)影響，在脈沖寬度一定時(shí)，峰值功率不變化，變化的是輻照能量，在功率不變時(shí)，作用時(shí)間與輻照能量成正比W=pt。此時(shí)的功率p是指平均功率。

分別取1 kHz，10 kHz，50 kHz的高重頻脈沖激光照射CCD，具體的結(jié)果在接下來的仿真中得到。

3 脈沖激光對(duì)CCD的干擾仿真

與連續(xù)激光不同的是，脈沖激光對(duì)探測(cè)的閾值分析一般都是用能量密度，單脈沖時(shí)激光作用時(shí)間就是脈沖寬度，而多脈沖的作用時(shí)間，則是脈沖寬度乘以重復(fù)頻率。

如圖4所示，當(dāng)輻射激光為脈沖激光時(shí)，用入射光能量上限替代入射光功率密度上限與時(shí)間的乘積:

圖4 脈沖激光照射CCD探測(cè)器仿真圖Fig.4 Simulation of CCD irradiated by pulse laser

則圖4變?yōu)閳D5。

圖5 入射光能量上限求解閾值電壓圖Fig.5 Solution of threshold voltage by using upper limit energy of incident laser

利用圖4，將10 ns，50 ns，80 ns脈寬的調(diào)Q 激光作為入射光，與圖5所得閾值電壓進(jìn)行比較，得出圖6。

圖6 調(diào)Q激光脈沖寬度與飽和閾值電壓關(guān)系圖Fig.6 Relation of Q-laser’s pulse width and threshold voltage

同理將 100μs，200μs，500μs 脈寬的長(zhǎng)脈沖激光作為入射光，與圖5所得閾值電壓進(jìn)行比較，得出圖7。

圖7 長(zhǎng)脈沖激光脈沖寬度與飽和閾值電壓關(guān)系圖Fig.7 Relation of long pulse laser’s pulse width and saturation threshold voltage

在單脈沖作用，脈沖寬度為10 ns時(shí)，峰值功率的變化與飽和閾值電壓的關(guān)系如圖8所示。

圖8 峰值功率與飽和閾值電壓關(guān)系圖Fig.8 Relation of peak power and saturation threshold voltage

重復(fù)頻率為1 kHz，10 kHz，50 kHz時(shí)，假設(shè)脈沖寬度為10 ns，峰值功率為500 W，這時(shí)的能量變化完全隨著重復(fù)頻率的增大而增加，圖9便是重頻與飽和閾值的關(guān)系圖。

4 仿真結(jié)果分析

正如假設(shè)條件所述，在確定了探測(cè)器的類型以后，探測(cè)器的每個(gè)像元都可視為一個(gè)電容，而每個(gè)電容所能容納的電量一定，最終的飽和閾值所對(duì)應(yīng)的電壓值也是一個(gè)定量，這就大大地方便了對(duì)激光參數(shù)引起探測(cè)器飽和閾值變化規(guī)律的研究。

圖9 重復(fù)頻率與飽和閾值電壓的關(guān)系圖Fig.9 Relation of repetition rate and saturation threshold voltage

在圖6～圖9中，無論調(diào)Q激光還是長(zhǎng)脈沖激光照射CCD時(shí)，若峰值功率不隨脈寬而變，為常值，則脈沖寬度越大，意味著作用時(shí)間越長(zhǎng)，也就越容易達(dá)到飽和閾值。但比較圖6和圖7后可知，在相同的單脈沖能量、重復(fù)頻率下，調(diào)Q激光更易造成探測(cè)器飽和。在研究峰值功率時(shí)，又假定脈沖寬度不變，只是峰值功率的改變，同上脈寬所述，峰值越大的激光，能量越大，越能引起探測(cè)器飽和。相對(duì)多脈沖時(shí)候，脈沖寬度取10 ns，峰值功率取500 W，照射在CCD探測(cè)器上的能量是多個(gè)單脈沖能量之和，當(dāng)然可以看出，重復(fù)頻率越高，飽和閾值越大。

上述激光參數(shù)都是在沒有定激光器類型時(shí)的分析。實(shí)際運(yùn)用過程中，當(dāng)脈沖寬度越小時(shí)，峰值功率也就越大。所以，實(shí)際上，選用重頻高，脈寬短的激光器就越能使CCD探測(cè)器飽和。

5 結(jié)束語

本文主要研究的是脈沖激光對(duì)于CCD探測(cè)器的飽和效應(yīng)。

首先，選用文獻(xiàn)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)，論述了實(shí)驗(yàn)中，引起探測(cè)器飽和閾值變化的各項(xiàng)因素，列舉了探測(cè)器光飽和閾值，串音閾值，損傷閾值時(shí)的激光能量數(shù)據(jù)，為后續(xù)仿真分析打下基礎(chǔ)。

然后，分別對(duì)峰值功率、脈沖寬度、重復(fù)頻率這些脈沖激光特有參數(shù)進(jìn)行了定量分析，就單個(gè)參數(shù)對(duì)探測(cè)器的飽和閾值影響進(jìn)行了分析，運(yùn)用仿真模型，對(duì)應(yīng)仿真結(jié)果圖形，得出結(jié)論:調(diào)Q激光比長(zhǎng)脈沖激光在同樣的重復(fù)頻率與單脈沖能量時(shí)，更易使探測(cè)器飽和，但無論是調(diào)Q激光還是長(zhǎng)脈沖激光，若脈寬改變，峰值功率不變時(shí)，脈寬越大，峰值功率越高，重復(fù)頻率越大，越能使探測(cè)器達(dá)到飽和狀態(tài)。而對(duì)應(yīng)的假設(shè)條件，全屏照射時(shí)，CCD探測(cè)器達(dá)到了飽和狀態(tài)，就達(dá)到了串音狀態(tài)，也是全屏飽和。這就使成像系統(tǒng)無法再成像，達(dá)到干擾目的。

最后，指出了結(jié)論中與實(shí)際不同之處，在沒有規(guī)定激光器類型的情況下，假定脈沖寬度的變化，不引起峰值功率的改變，這是為研究理論時(shí)的情況而定。在實(shí)際中，激光器的脈沖寬度越小，峰值功率越大。所以，在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)當(dāng)選用脈沖寬度越小、峰值功率越高、脈沖頻率越大的激光器，這樣越能使探測(cè)器達(dá)到飽和狀態(tài)。

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