連續(xù)波CO2激光對多晶硅探測器干擾損傷實(shí)驗(yàn)研究

王 東，張恒偉，覃小虎，張巖岫，王 非

（中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心 光電對抗測試評估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471003）

引言

紅外熱成像系統(tǒng)可將物體自然發(fā)射的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像，從而使人眼視覺范圍擴(kuò)展到中波、長波紅外波段。迄今為止，紅外成像技術(shù)在軍事上早就突破了作為夜視器材的應(yīng)用范圍，廣泛應(yīng)用于搜索、跟蹤、制導(dǎo)等多種領(lǐng)域。作為微弱光電信號探測器，紅外探測器在受強(qiáng)激光干擾條件下極易出現(xiàn)飽和致盲，甚至損傷無法正常工作。因此，研究激光干擾紅外探測器具有十分重要的意義［1－3］。

近年來，有關(guān)激光對長波紅外探測器干擾的研究 已 有 不 少 報(bào) 道［4－7］。 文 獻(xiàn) ［4］在 實(shí) 驗(yàn) 室 用10.6μm脈沖CO2激光輻照PC型HgCdTe光電探測器，得出了HgCdTe探測器的損傷閾值；文獻(xiàn)［5］在3km距離采用脈沖CO2（10.6μm）激光器對長波紅外HgCdTe探測器進(jìn)行輻照，得出了干擾與損傷閾值，該結(jié)果與利用二維半無限大模型計(jì)算得到的閾值可相互驗(yàn)證；文獻(xiàn)［6］用波段外連續(xù)波CO2激光輻照HgCdTe探測器（PC，PV），研究表明，波段內(nèi)激光輻照探測器時(shí)，探測器的主要響應(yīng)機(jī)制是光效應(yīng)，而波段外激光輻照探測器時(shí)，熱效應(yīng)起主要作用。這些工作大都集中于CO2激光對HgCdTe探測器的干擾損傷的研究，而連續(xù)波CO2激光對多晶硅探測器的損傷閾值研究仍未見報(bào)道。文獻(xiàn)［7］采用漫反射方式，用10.6μm脈沖CO2激光對320×240多晶硅非制冷焦平面紅外熱像儀進(jìn)行干擾，得到了飽和干擾閾值。

多晶硅非制冷焦平面探測器屬微測輻射熱計(jì)探測器，其主要通過測量薄膜電阻隨溫度的變化情況來探測紅外輻射。為了提高其器件的絕熱性，其一般采用懸橋結(jié)構(gòu)［8－10］。本文采用10.6μm連續(xù)波CO2激光對多晶硅非制冷焦平面探測器進(jìn)行干擾。通過實(shí)驗(yàn)得出了干擾、損傷閾值，分析了不同干擾功率及不同干擾時(shí)間的干擾效果，得到了干擾激光功率與干擾光斑面積的關(guān)系，并依據(jù)受干擾程度對干擾等級進(jìn)行了劃分。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)波CO2激光器作為干擾源，激光波長10.6μm，輸出功率50W，連續(xù)出光時(shí)間不小于10min，光束發(fā)散角不大于4mrad。干擾對象為工作波段8μm～14μm的紅外熱像儀，320×240多晶硅非制冷微測輻射熱計(jì)探測器，像元大小為45 μm×45μm，視場8.3°×6.2°，光學(xué)系統(tǒng)焦距100 mm，通光孔徑Φ100mm，光學(xué)系統(tǒng)光譜透過率≥82%。衰減器由一系列衰減片組成，工作波段10.6 μm，單個(gè)衰減片衰減倍率從1.41倍到20倍不等；激光分束器工作波段10.6μm，透反比1∶1。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1。測試前用Rk－5700雙通道激光功率計(jì)對激光分束器分光比、衰減器衰減倍率進(jìn)行標(biāo)定；測試時(shí)逐步減小激光器出光口處的激光衰減量，同步記錄熱像儀受干擾圖像和對應(yīng)的干擾激光功率，直到探測器干擾受損為止。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布局圖Fig.1 Schematic of experiment setup

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)每次激光輻照時(shí)間為1s，實(shí)驗(yàn)過程隨著干擾激光功率不斷增大，出現(xiàn)了如下4種干擾現(xiàn)象，如圖2（圖片像素146×112）所示。

1）當(dāng)入射到多晶硅探測器靶面的激光功率密度達(dá)到5.55×10－4W／cm2時(shí)，激光輻照點(diǎn)中心區(qū)域灰度值剛好達(dá)到255，此時(shí)探測器剛好達(dá)到飽和，干擾光斑為一亮斑，激光輻照結(jié)束后亮斑隨即消失；

2）當(dāng)入射到多晶硅探測器靶面的激光功率密度達(dá)到5.55×10－4W／cm2～3.68×10－2W／cm2之間時(shí)，干擾光斑開始向四周彌散，隨著入射激光功率的增大，亮斑面積也相應(yīng)增大，激光輻照結(jié)束后亮斑隨即消失；

3）當(dāng)入射到多晶硅探測器靶面的激光功率密度達(dá)到4.88×10－2W／cm2～3.47×10－1W／cm2之間時(shí)，隨著入射激光功率的增大，亮斑面積繼續(xù)增大，激光輻照剛結(jié)束后亮斑無法立刻恢復(fù)，導(dǎo)致輻照位置的探測器不能正常工作，但經(jīng)過一段時(shí)間后亮斑可完全恢復(fù)正常；

4）當(dāng)入射到多晶硅探測器靶面的激光功率密度達(dá)到0.48W／cm2時(shí)，輻照點(diǎn)出現(xiàn)黑斑，激光輻照剛結(jié)束后，亮斑和黑斑均不能立刻恢復(fù)，經(jīng)過一段時(shí)間后亮斑可完全恢復(fù)正常，但黑斑始終不能消失。

依據(jù)上述4種干擾現(xiàn)象，將10.6μm脈沖激光對多晶硅探測器的干擾劃分為點(diǎn)飽和、中度飽和、重度飽和與點(diǎn)損傷4個(gè)等級。點(diǎn)飽和即探測器剛好達(dá)到飽和；中度飽和為探測器受到較嚴(yán)重的飽和干擾，其特征為干擾結(jié)束后干擾光斑可隨即消失；重度飽和為探測器受到嚴(yán)重的飽和干擾，其特征為干擾結(jié)束一段時(shí)間后干擾光斑可完全消失；點(diǎn)損傷為探測器受到嚴(yán)重干擾，其特征為激光輻照時(shí)同時(shí)出現(xiàn)亮斑和黑斑，干擾結(jié)束一段時(shí)間后亮斑可完全恢復(fù)，但黑斑始終不能消失，既探測器個(gè)別單元損傷，無法正常輸出圖像。

圖2 激光干擾紅外探測器圖像Fig.2 Infrared image jammed by laser

2.2 結(jié)果分析

激光輻照點(diǎn)的光斑變化情況可作如下解釋：當(dāng)探測器在線性區(qū)域工作及達(dá)到點(diǎn)飽和、中度飽和時(shí)，由于吸收的熱量較少，此時(shí)探測器可完成正?？販兀虼溯椪拯c(diǎn)的亮斑能立刻恢復(fù)；當(dāng)探測器達(dá)到中度飽和時(shí)，探測器吸收的熱量增多，此時(shí)探測器已無法正?？販?，熱量開始以熱傳導(dǎo)、對流和輻射等形式向周圍傳遞，導(dǎo)致探測器輸出的激光光斑面積增大，但是由于此時(shí)探測器吸收的熱量仍相對較少，激光輻照結(jié)束后，熱量仍可迅速轉(zhuǎn)移，因此輻照點(diǎn)的亮斑也可以立刻恢復(fù)；當(dāng)探測器達(dá)到重度飽和時(shí)，由于探測器吸收大量熱量，導(dǎo)致溫升較高，輸出的激光光斑面積繼續(xù)增大，激光輻照結(jié)束后，由于探測器控溫能力有限，探測器靶面Si材料及熱敏電阻特性發(fā)生變化，導(dǎo)致激光輻照點(diǎn)的亮斑無法立刻恢復(fù)。

當(dāng)探測器達(dá)到損傷時(shí)，由于探測器靶面溫度過高，Si材料會由于熱分解、燒焦或熱應(yīng)力產(chǎn)生作用，引起輻照點(diǎn)探測器信號傳輸出現(xiàn)斷路，從而性能完全失效。點(diǎn)損傷屬于激光對多晶硅探測器的硬損傷，但是僅會造成探測器個(gè)別成像單元的損傷。此時(shí)輻照點(diǎn)探測器已不能正常輸出圖像，像元灰度值幾乎為零。由于點(diǎn)損傷僅僅破壞了多晶硅探測器少量成像單元，不影響其他成像單元成像，因此多晶硅探測器在整體上仍具備成像能力。

2.3 重度飽和后探測器恢復(fù)情況

圖3給出了重度飽和后干擾光斑灰度值隨時(shí)間變化情況。從圖中可以看出，干擾光斑的恢復(fù)需要較長時(shí)間，從干擾結(jié)束的最大灰度值255恢復(fù)到灰度值為122經(jīng)歷了40min，恢復(fù)到正常狀態(tài)則需要更長時(shí)間，可見實(shí)施重度飽和干擾，將嚴(yán)重影響熱成像系統(tǒng)探測器對目標(biāo)的正常成像。

圖3 探測器恢復(fù)情況Fig.3 Resuming curve of detector

2.4 輻照時(shí)間對損傷閾值的影響

以上實(shí)驗(yàn)給出了激光輻照1s的條件下多晶硅探測器的點(diǎn)損傷閾值。由于連續(xù)激光功率較低，它對探測器的損傷主要為長作用時(shí)間的熱累積效應(yīng)。因此，隨著激光輻照時(shí)間的增大，探測器的損傷閾值應(yīng)隨之降低。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，我們開展了激光輻照3s條件下的點(diǎn)損傷閾實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激光輻照3s條件下，當(dāng)入射到探測器靶面激光功率密度達(dá)到0.30W／cm2時(shí)，探測器達(dá)到點(diǎn)損傷，為1s的條件下點(diǎn)損傷閾值的62.5%，可見長時(shí)間的激光輻照會造成探測器熱累積加劇，從而導(dǎo)致其損傷閾值下降。

3 對紅外成像系統(tǒng)干擾效果分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，在激光輻照時(shí)，隨著入射激光功率的增加，輻照位置干擾光斑面積隨之增大。圖4給出了干擾光斑面積隨干擾激光功率變化實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，從圖中可以看出，點(diǎn)飽和時(shí)干擾光斑只占約5個(gè)像元，但在中度飽和情況下，干擾光斑已經(jīng)增大了2～6倍；重度飽和情況下，干擾光斑增大了7～10倍；達(dá)到點(diǎn)損傷時(shí)干擾光斑增大了10倍以上。經(jīng)分析，干擾光斑面積與入射激光功率按冪函數(shù)關(guān)系變化，通過數(shù)據(jù)擬合，二者關(guān)系為y＝76.3×x0.29。

圖4 干擾光斑面積與激光功率關(guān)系Fig.4 Facula area when laser power density varies

對于紅外成像系統(tǒng)，遠(yuǎn)距離偵察目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)在其視場中很小，只占據(jù)很少的像元，如果在這段時(shí)間里對其在圖像上造成干擾，此時(shí)中度飽和干擾就可能使其無法分辨目標(biāo)，達(dá)到干擾的目的；在重度飽和干擾甚至損傷的情況下，更易使目標(biāo)淹沒于干擾光斑中，導(dǎo)致紅外成像系統(tǒng)無法正常提取目標(biāo)。

4 結(jié)束語

本文利用10.6μm連續(xù)CO2激光對多晶硅光電探測器進(jìn)行輻照，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)10.6μm連續(xù)激光對多晶硅探測器的損傷主要表現(xiàn)為熱效應(yīng)損傷。對于連續(xù)激光，延長的激光輻照時(shí)間會造成多晶硅探測器損傷閾值下降，這也從另一個(gè)方面說明10.6μm連續(xù)激光對多晶硅探測器損傷主要以熱效應(yīng)為主。依據(jù)探測器受干擾程度，提出將干擾劃分為點(diǎn)飽和、中度飽和、重度飽和與點(diǎn)損傷幾個(gè)等級。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，證明干擾光斑面積與入射激光功率按冪函數(shù)的關(guān)系變化。

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