不同波長(zhǎng)激光對(duì)CCD的干擾性實(shí)驗(yàn)研究

張 超，張 偉，王 濱，萬(wàn) 勇，薛亮平，李燕凌

（1.中國(guó)人民解放軍總參謀部四部駐成都地區(qū)軍代室，成都610036；2.西南技術(shù)物理研究所，成都610041）

不同波長(zhǎng)激光對(duì)CCD的干擾性實(shí)驗(yàn)研究

張 超1，張 偉2，王 濱2，萬(wàn) 勇2，薛亮平2，李燕凌2

（1.中國(guó)人民解放軍總參謀部四部駐成都地區(qū)軍代室，成都610036；2.西南技術(shù)物理研究所，成都610041）

為了對(duì)比研究激光對(duì)可見(jiàn)光CCD的干擾效果，采用532nm，808nm和1064nm波長(zhǎng)的激光對(duì)同一可見(jiàn)光CCD進(jìn)行了干擾實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，3種波長(zhǎng)的激光對(duì)CCD都有一定的干擾效果，由于干擾波長(zhǎng)、干擾功率、工作方式等不一樣，干擾效果也存在差異。對(duì)于脈沖式激光器，532nm激光比1064nm激光具有更低的光飽和閾值；當(dāng)各波長(zhǎng)激光輸出達(dá)到一定功率時(shí)，CCD會(huì)出現(xiàn)飽和串音的現(xiàn)象。此干擾實(shí)驗(yàn)為更好干擾CCD成像系統(tǒng)提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

激光技術(shù)；CCD；激光干擾；飽和串音

引 言

電荷耦合器件（charge coupled devices，CCD）由BOYLE和SMITH發(fā)明的［1-2］。近年來(lái)，由于其體積小、電路簡(jiǎn)單、輸出信噪比高、動(dòng)態(tài)范圍寬、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，已被大規(guī)模應(yīng)用在民用、軍用等各成像領(lǐng)域。激光可引起CCD成像器件暫時(shí)或永久失效，造成設(shè)備無(wú)法正常工作。因而針對(duì)激光對(duì)CCD器件的干擾與損傷效應(yīng)已成為一個(gè)具有十分重要意義的研究領(lǐng)域［3-8］。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)這方面作過(guò)一定的研究［9-13］，但大都采用一種激光器對(duì)CCD進(jìn)行一些干擾或損傷實(shí)驗(yàn)。作者在前人的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用不同波段的激光對(duì)近距離同一CCD成像器件進(jìn)行干擾，當(dāng)激光的輸出波長(zhǎng)、輸出功率以及CCD光圈大小不同時(shí)，干擾效果明顯不一樣。此干擾實(shí)驗(yàn)為更好干擾CCD成像系統(tǒng)提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 CCD工作原理及光飽和串音機(jī)理

當(dāng)前，CCD品種、型號(hào)較多，參量各異，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。CCD都是在陶瓷材料上粘接的N型或P型Si為襯底生長(zhǎng)一層二氧化硅絕緣層，再在絕緣層上沉積一層金屬鋁為柵極構(gòu)成金屬氧化物（metal oxide silicon，MOS）電容器，多個(gè)MOS電容器就組成了CCD。當(dāng)CCD工作時(shí)，可通過(guò)光注入或電注入的方式向勢(shì)阱注入電荷，以獲得自由電子或自由空穴，形成電荷包。提取信號(hào)時(shí)，利用耗盡層耦合原理進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，CCD中的電荷轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向，因此MOS電容列陣上所加的電位脈沖必須嚴(yán)格滿足相位時(shí)序要求，使得任何時(shí)候勢(shì)阱的變化總是朝著一個(gè)方向，最后檢測(cè)出輸出電荷，成為視頻信號(hào)。

激光作用于CCD光電探測(cè)器時(shí)，主要包括光電效應(yīng)作用和熱作用。當(dāng)強(qiáng)光輻照CCD時(shí)可使局部P-N結(jié)退化為電阻，使得電阻降低，伏安曲線變直。當(dāng)用強(qiáng)光輻照CCD探測(cè)器光敏面的局部時(shí)，從輸出的信號(hào)觀察到，被光照射的區(qū)域達(dá)到以飽和，未被光照射的區(qū)域也有信號(hào)輸出，當(dāng)光足夠強(qiáng)時(shí)光功率密度超過(guò)CCD的線性區(qū)域時(shí)，整個(gè)探測(cè)器處于飽和狀態(tài)，即所謂的“光飽和串音”現(xiàn)象［14-15］。

造成“光飽和串音”現(xiàn)象（也稱“彌散現(xiàn)象”），的原因與CCD的結(jié)構(gòu)和工作方式有關(guān)，CCD的光敏元是并行的，但它的轉(zhuǎn)移傳輸元去是串行的，各元之間用溝阻隔開(kāi)，基底是在一起的。在極短時(shí)間內(nèi)（約1ps），強(qiáng)光輻照產(chǎn)生的大量光生載流子在光信號(hào)積分時(shí)間內(nèi)（約為微秒和毫秒量級(jí)）可以向鄰近勢(shì)阱溢流。對(duì)于不同的CCD器件，其對(duì)于不同的激光具有不同的光飽和閾值，且都比較低，表1中為一些CCD的光飽和閾值。但是，光飽和串音并沒(méi)有對(duì)CCD器件造成損傷，只是干擾了CCD的正常工作，顯然，連續(xù)（contionus wave，CW）激光比脈沖激光更能實(shí)現(xiàn)光飽和串音。

Table 1 Saturation thresholds of CCD at a certain laser wavelength［16］

2 實(shí)驗(yàn)介紹

Fig.1 Experimental assembly

實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示。圖中采用的CCD單像元尺寸為6.35μm×7.4μm，電子快門積分時(shí)間約為1／60s～1／100000s，且配備了焦距為75mm的鏡頭。實(shí)驗(yàn)中使用的3臺(tái)不同波長(zhǎng)的激光器的參量如表2所示。

laser wavelength／nm pulse width／ns 1 808 9 CW —2 532 8 8 30 3 1064 5 8 10 divergence angle／mrad frequency／kHz

根據(jù)干擾原理圖，通過(guò)干擾激光的功率P和光束發(fā)散角θ利用下式可計(jì)算出被干擾目標(biāo)所在位置處的激光平均功率密度ρ（W／cm2）：

式中，P為干擾激光功率（W）；τ1為干擾激光器光束準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率；τ2為干擾激光單程傳輸?shù)拇髿馔高^(guò)率；L為干擾距離（105.6m）；θ為激光束發(fā)散角?？梢?jiàn)，干擾目標(biāo)所在位置處的激光平均功率密度ρ與干擾距離L、激光發(fā)散角θ成反比，與激光功率P成正比，因而要實(shí)現(xiàn)激光遠(yuǎn)距離有效干擾CCD，必須使用功率高、發(fā)散角小的激光器。

3 干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 808nm激光器對(duì)可見(jiàn)光CCD成像系統(tǒng)的干擾

Fig.2 Jamming effect of the 808nm laser against CCD at different power

808nm激光器對(duì)可見(jiàn)光CCD的干擾效果如圖2所示。由圖2可知，由于808nm激光器輸出功率不一樣，從而造成對(duì)CCD的干擾效果不同。當(dāng)輸出功率為0.5W左右時(shí)，由于輸出功率未到CCD的光飽和閾值，因而未出現(xiàn)飽和干擾現(xiàn)象。當(dāng)輸出功率為2W以上時(shí)，由（1）式可算出此時(shí)的功率密度為1.38× 10－4W／cm2，其中τ1＝0.49，此時(shí)剛出現(xiàn)光飽和串音現(xiàn)象，如圖2b所示。由此可見(jiàn)，對(duì)于808nm激光，CCD的光飽和閾值大概為1.38×10－4W／cm2，當(dāng)超過(guò)這一飽和閾值以后，激光將對(duì)CCD成像系統(tǒng)出現(xiàn)更強(qiáng)的光飽和串音現(xiàn)象。由于對(duì)于連續(xù)激光來(lái)說(shuō)，造成CCD的硬損傷的功率要求很高，現(xiàn)實(shí)中不易實(shí)現(xiàn)，但如果再次提高808nm激光的輸出功率，可能會(huì)使CCD局部飽和無(wú)法正常工作。由圖2可以看出，隨著808nm激光功率的增加，光飽和串音現(xiàn)象越來(lái)越明顯。

3.2 532nm激光對(duì)CCD成像系統(tǒng)的干擾

實(shí)驗(yàn)中使用的532nm激光器是通過(guò)1.064μm激光抽運(yùn)磷酸鈦氧鉀（KTiOPO4，KTP）倍頻率晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖3在不同輸出功率情況下532nm激光對(duì)可見(jiàn)光CCD成像系統(tǒng)的干擾實(shí)驗(yàn)。

Fig.3 Jamming effect of the 532nm laser against CCD at different power

如圖3a所示，可見(jiàn)光CCD剛超過(guò)光飽和閾值，此時(shí)532nm輸出功率為0.8W左右，根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)提供的532nm參量可得出現(xiàn)飽和串音時(shí)的功率密度大約為8×10－6W／cm2，其中τ1＝0.29，當(dāng)超過(guò)這一功率時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和串音現(xiàn)象。當(dāng)輸出532nm的功率從0.8W增加到1W時(shí)，干擾效果也越來(lái)越明顯，光飽和串音現(xiàn)象也越來(lái)越顯著?？梢?jiàn)532nm激光對(duì)可見(jiàn)CCD具有很好的干擾效果。

3.3 1064nm激光對(duì)CCD成像系統(tǒng)的干擾

圖4為不同輸出功率下1064nm激光對(duì)CCD成像系統(tǒng)的干擾效果。由圖4可知，由于輸出功率不同，干擾效果也不一樣。但是，當(dāng)達(dá)到飽和閾值（根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)提供的1064nm參量，由（1）式可得到出現(xiàn)飽和串音時(shí)的功率密度大約為3.4×10－5W／cm2，此時(shí)τ1＝0.61，CCD成像系統(tǒng)從開(kāi)始干擾逐漸出現(xiàn)飽和串音，且越來(lái)越明顯。由此干擾效果可知，1064nm激光可以對(duì)可見(jiàn)光CCD成像系統(tǒng)進(jìn)行有效干擾。

Fig.4 Jamming effect of the 1064nm laser against CCD at different power

由以上干擾實(shí)驗(yàn)效果可知，對(duì)于可見(jiàn)光CCD成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，808nm，532nm和1064nm激光都具有有效的干擾效果，但由于3種激光的波長(zhǎng)以及運(yùn)轉(zhuǎn)方式不一樣，從而對(duì)同一CCD的光飽和閾值不一樣，相對(duì)于脈沖式的激光器來(lái)說(shuō)，532nm比1064nm激光具有更低的光飽和閾值。

4 結(jié) 論

通過(guò)808nm，532nm和1064nm激光對(duì)同一可見(jiàn)光CCD成像系統(tǒng)進(jìn)行有效干擾實(shí)驗(yàn)。由干擾實(shí)驗(yàn)效果可知，不同波長(zhǎng)的激光對(duì)同一可見(jiàn)光CCD存在不同的光飽和閾值功率，且當(dāng)干擾功率達(dá)到這一光飽和閾值時(shí)會(huì)出現(xiàn)光飽和串音現(xiàn)象，并且進(jìn)一步提高激光器的干擾功率時(shí)有可能使CCD達(dá)到硬損傷。此干擾實(shí)驗(yàn)有效性地驗(yàn)證了激光對(duì)CCD有效干擾的可行性。

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Experimental study on interference characteristics of CCD at different laser wavelengths

ZHANG Chao1，ZHNAG Wei2，WANG Bin2，WAN Yong2，XUE Liangping2，LING Yanling2
（1.Military Representative Office in Chengdu，F(xiàn)ourth Department of the Headquarters of the General Staff，Chinese People’s Liberation Army，Chengdu 610036，China；2.Southwest Institute of Technical Physics，Chengdu 610041，China）

To study the laser jamming of CCD comparatively，three lasers at wavelengths of 532nm，808nm and 1064nm were adopted in the jamming experiments.The experiments results reveal that the jamming of three lasers to CCD is effective.However，the jamming effect is different because of the difference of the jamming wavelength，the power and the working mode.For pulsed lasers，532nm laser has the lower light saturation threshold than 1064nm laser.When the output laser power reaches a certain value，the saturation crosstalk phenomenon occurs in a CCD.It provides an experimental basis for better jamming against CCD imaging systems.

laser technique；charge coupled devices；laser jamming；saturation cross-talk

TN249

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.022

1001-3806（2014）06-0826-04

張 超（1976-），男，工程師，主要從事電子對(duì)抗的研究。

E-mail：289038404＠qq.com

2013-11-07；

2013-12-09