光電探測器激光損傷判別法與發(fā)展現(xiàn)狀

高 潤，牛春暉，李曉英，呂 勇

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光電探測器激光損傷判別法與發(fā)展現(xiàn)狀

高 潤，牛春暉，李曉英，呂 勇

（北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭中，以探測器為核心的光電設(shè)備極易受到激光的輻照干擾，嚴(yán)重的情況下則導(dǎo)致探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞以及材料的永久性損傷致使探測器功能性損壞。所以激光對探測器的硬損傷一直都是研究的熱點(diǎn)課題，而探測器的損傷判別方法和損傷閾值的確定則是深入研究損傷機(jī)理的關(guān)鍵。近幾年來，激光對探測器的損傷判別法在不斷改進(jìn)，也出現(xiàn)了新的判別方法，這使得判別結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性都得到了提高。本文主要對強(qiáng)激光損傷探測器的判別方法重新進(jìn)行了總結(jié)，介紹了各判別方法的作用機(jī)理及發(fā)展趨勢，為探測器損傷機(jī)理的研究打下了良好基礎(chǔ)，同時也為探測器的防護(hù)以及激光對探測器的故意損壞提供了理論依據(jù)和研究方法。

激光損傷；判別方法；損傷閾值；光電探測器

0 引言

在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭中，光電對抗作為一種全新的作戰(zhàn)手段在不斷發(fā)展和壯大，光電對抗也從傳統(tǒng)軍事力量的一種補(bǔ)充演變?yōu)榭藬持苿俚囊环N有效手段[1]。在光電對抗中，以探測器為核心的光電設(shè)備極易受到激光的輻照干擾，嚴(yán)重的情況下則導(dǎo)致探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞以及材料的永久性損傷使得探測器無法正常工作，甚至無法再成像。由此，探測器的防護(hù)以及激光對探測器的故意損壞在光電對抗中一直都是研究熱點(diǎn)[2]。為了深入研究激光對探測器的損傷機(jī)理，探測器的損傷判別方法和損傷閾值的確定則顯得尤為重要，所以，目前長春理工大學(xué)，長春光機(jī)所、西安工業(yè)大學(xué)，電子科技大學(xué)等機(jī)構(gòu)對激光損傷判別法都已展開了大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究[3-36]，判別方法主要集中在光散射法[15-17]，等離子體閃光法[18-21]，光熱偏轉(zhuǎn)法[22-23]，聲學(xué)識別法[24-26]等。劉強(qiáng)等人[14]曾在2002年總結(jié)了關(guān)于強(qiáng)激光輻照損傷的判別方法，但在這十幾年的時間里，研究方法在不斷改進(jìn)，也出現(xiàn)了新的判別方法，為此，本文針對強(qiáng)激光損傷探測器的判別方法重新進(jìn)行總結(jié)，并介紹了各判別法的作用機(jī)理和特性以及發(fā)展趨勢，為探測器的防護(hù)以及激光對探測器的故意損壞提供了理論依據(jù)和研究方法。

1 激光對探測器的損傷判別法

通常激光損傷靶面材料的檢測方法可分為兩種：一種是離線檢測，一種是在線檢測。離線檢測是可觀察到激光輻照靶面材料的微觀損傷形貌，一般測量精度高，有效數(shù)據(jù)多，不足的是無法對探測器的損傷效果實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測，對連續(xù)激光的損傷無法確定，且測試者對于損傷閾值的判定難以保持一致標(biāo)準(zhǔn)使檢測效率低；在線檢測可實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測靶面材料的損傷情況，有利于獲得準(zhǔn)確的靶面損傷閾值，檢測效率相對較高。近幾年在線檢測在激光損傷的判別研究中處于主導(dǎo)地位，研究者更多致力于研究新的在線檢測方法，由此在線檢測是未來的發(fā)展趨勢。

2 離線檢測損傷判別法

2.1 相襯顯微鏡判別法

相襯顯微鏡判別法是符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11254的一種標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)損傷的檢測方法。利用放大100～150倍的相襯顯微鏡來觀察探測器靶面受損情況，若靶面受激光輻照后形貌發(fā)生永久性變化，則判定為損傷[8]。相稱顯微鏡又指相差顯微鏡，是利用被測物反射率和吸收率的不同，根據(jù)光的衍射和干涉現(xiàn)象，通過空間濾波將被測物反射光和透射光的相位信息轉(zhuǎn)為相應(yīng)的振幅信息，從而提高物體成像的反襯度。相襯顯微鏡判別法對于明顯損傷判別準(zhǔn)確，是一種靈敏的檢測方法，但對于微小損傷，則難以觀察到。不足的是測試者對于損傷閾值的判定難以保持一致標(biāo)準(zhǔn)，檢測效率低，測量范圍小。

2.2 白光干涉判別法

垂直掃描白光干涉法是在相移干涉法的基礎(chǔ)上，結(jié)合了白光干涉技術(shù)和相移顯微技術(shù)，以白光為光源，利用干涉條紋特性來對待測表面微觀形貌進(jìn)行高精度高分辨率測量。原理是由白光產(chǎn)生光程差極小的相干光波，在等光程位置處可觀察到干涉條紋，利用CCD獲取每次垂直掃描時的干涉條紋圖像，將條紋圖像疊加并記錄圖像像素點(diǎn)在垂直方向的光強(qiáng)分布，通過計(jì)算光強(qiáng)分布最大值，從而獲得待測表面的三維形貌[9-10]。白光干涉技術(shù)在國外已發(fā)展的相對成熟，美國、日本等公司已經(jīng)推出很多相關(guān)產(chǎn)品，國內(nèi)方面常素萍[9]等研究者利用白光干涉技術(shù)同樣進(jìn)行了大量的輪廓尺寸和表面形貌的測量研究，精度、分辨率可達(dá)到納米級。由此，垂直掃描白光干涉法可應(yīng)用于損傷判別的離線檢測，通過觀測靶面三維微觀形貌來別探測器是否受到激光損傷。白光干涉法提供了完整的三維受損表面形貌，測量范圍大，精度高，可實(shí)現(xiàn)非接觸，無損傷、遠(yuǎn)程測量[11]。所以在今后，白光干涉法可以更多的應(yīng)用于激光損傷靶面材料的判別檢測中，對損傷機(jī)理的研究會具有推進(jìn)作用。

2.3 霧氣判別法

光電探測器靶面受到輕微損傷或變形時，若使用相襯顯微鏡難以觀察到，可使用霧氣法對損傷情況進(jìn)行輔助判別。霧氣法是在探測器靶面處噴射未達(dá)飽和蒸汽壓氣體，如水蒸氣，使探測器輕微受損處或形變處被放大從而更容易被顯微鏡觀察到，得以對損傷情況準(zhǔn)確判別[12]。霧氣判別法適用于難以觀察到的輕微損傷，操作簡單，常用于輔助相襯顯微鏡判別損傷。

3 在線檢測損傷判別法

3.1 光斑變形法

激光輻照光電探測器時，可通過觀察激光光斑來判別探測器是否受到損傷。劉延武[13]指出當(dāng)光電探測器處于線性工作區(qū)功率范圍時，干擾光斑呈近似圓形，隨著激光功率的逐漸增加，產(chǎn)生的信號電荷逐漸填滿積分勢阱，當(dāng)積分勢阱飽和時，此時的輸出功率為探測器的像元飽和閾值。繼續(xù)增大功率，信號電荷溢出積分勢阱使得未受光輻照的區(qū)域也有電信號輸出，從探測器中可觀察到一條穿過干擾光斑的亮線，此為串音現(xiàn)象。串音現(xiàn)象沒有對器件及其組成材料造成破壞，但卻干擾了其正常工作，此為探測器的軟損傷。若繼續(xù)增大激光功率，探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)將破壞且材料發(fā)生永久性損傷，此時探測器無法獲得圖像信號，造成硬損傷。一般把激光光斑是否發(fā)生變形作為探測器軟損傷的判據(jù)[14]，利用光斑形變法不易確定探測器硬損傷的損傷閾值，所以光斑形變法在如今一般作為輔助判別研究。

3.2 散射光判別法

強(qiáng)激光輻照光電探測器后，通過測量參考光對作用點(diǎn)的散射能量變化來判別探測器的損傷情況[15]。而判別標(biāo)準(zhǔn)不一，蘇俊宏等人[16]指出散射光能量角分布受參考光波長、功率、工作模式，入射角以及散射光探測距離的影響，所以在探測散射光能量時，探測器最好放在具有最大散射光能量的反射光方向附近以便獲得最高散射光相對能量，并且盡量增加參考光入射角度和縮小對散射光探測器距離，以便能準(zhǔn)確判別探測器的損傷程度。徐立君等人[17]利用了散射光法判別強(qiáng)激光輻照硅光電探測器的損傷閾值，測試裝置如圖1所示。YAG泵浦光束通過衰減系統(tǒng)到最終由透鏡會聚到光電探測器的表面。He-Ne探測光束在泵浦光束輻照待測材料前后分別發(fā)出一個激光脈沖，其散射光能量被探測器接收，可根據(jù)輻照前后的散射光能量的變化量來判斷是否損傷。一般把參考光在強(qiáng)激光作用點(diǎn)的反射光能量下降10%來判別探測器受到激光損傷，而此時強(qiáng)激光的入射能量則為探測器的損傷閾值。散射光判別法是一種常用的判別激光損傷的方法，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測，不足的是精度不高，尤其是在已經(jīng)發(fā)生損傷后，若繼續(xù)增加輻照光強(qiáng)，此時的散射光能量變化不明顯，另外如果損傷區(qū)域比較小，用散射光判別法可能無法檢測出探測器的損傷。

圖1 激光損傷光路和激光損傷測量光路

3.3 等離子體閃光判別法

劉麗煒等人[18]指出強(qiáng)激光聚焦在光電探測器靶面時，探測器材料局部溫度迅速升高，且在受激光輻照的位置處發(fā)生迅速融化、蒸發(fā)或氣化現(xiàn)象，并形成等離子體，伴有肉眼可觀察到閃光。而激光參數(shù)如波長、脈寬、能量以及探測器材料都會對等離子造成小閃光或大火花閃光的差異。一般地，無論大閃光還是小閃光，只要發(fā)生等離子閃光現(xiàn)象即可認(rèn)為探測器已受到激光損傷。這種標(biāo)準(zhǔn)可以較大排除人為因素的影響，但在等離子體閃光產(chǎn)生之前材料實(shí)際上已產(chǎn)生了一定的損傷，所以等離子閃光判別法對探測器的輕度損傷并不能及時檢測到。李興文等人[19]總結(jié)了判斷等離子體閃光的產(chǎn)生可使用快速拍照法和發(fā)射光譜法?？焖倥恼辗ㄊ褂肐CCD或條紋相機(jī)以獲取等離子體閃光的成像信息，而發(fā)射光譜法利用的是激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS），Marcello M.等人[20]基于LIBS技術(shù)，獲得了等離子體散射光譜，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。當(dāng)激光誘導(dǎo)擊穿半導(dǎo)體材料，產(chǎn)生等離子體時，等離子體發(fā)射的光譜中具有強(qiáng)激光譜線成份以外的含有其他樣品元素信息的線狀譜線，通過譜線分析便可對樣品中所含元素進(jìn)行定性和定量分析[21]。

圖2 LIBS技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置

3.4 光熱偏轉(zhuǎn)判別法

泵浦光照射探測器表面時，半導(dǎo)體材料在光的激發(fā)下吸收光能并部分或全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，產(chǎn)生光熱效應(yīng)。韓錦濤[22]指出半導(dǎo)體中光、熱、力等特性的共同作用會使半導(dǎo)體材料發(fā)生形變，當(dāng)參考光掠過被泵浦光束輻照過的地方時，若泵浦光能量較小，光、熱、力等特性的變化是可逆的；當(dāng)泵浦光能量大于探測器的損傷閾值，光、熱、力等特性則發(fā)生不可逆改變，從而使參考光束發(fā)生不可逆偏轉(zhuǎn)。一般把參考光是否發(fā)生不可逆偏轉(zhuǎn)作為判別探測器是否受到損傷的依據(jù)，另外通過測量光束偏轉(zhuǎn)角也可進(jìn)一步研究光、熱、力等特性對半導(dǎo)體材料的影響。光熱偏轉(zhuǎn)法包括橫射式、掠射式、透射式3種，具有靈敏度高，適用性強(qiáng)，既可測量表面微小損傷，也可探測更深層的結(jié)構(gòu)損壞，檢測樣品范圍大，可實(shí)現(xiàn)非接觸式實(shí)時檢測[23]，不足的是實(shí)驗(yàn)設(shè)備搭建相對復(fù)雜且對實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求較高。

3.5 光聲判別法

光聲判別法是利用光聲效應(yīng)來判別損傷的一種方法。當(dāng)強(qiáng)激光輻照光電探測器時，半導(dǎo)體材料因吸收光能而產(chǎn)生周期性熱流，即熱波，周期性熱流使周圍介質(zhì)熱脹冷縮而產(chǎn)生聲波，固體的熱彈效應(yīng)是聲波的主要來源，而半導(dǎo)體中還會激發(fā)周期性變化的電子-空穴對，即等離子體波，等離子體波也將通過電子應(yīng)變效應(yīng)而產(chǎn)生聲波。聲波通過聲音傳感器接收，當(dāng)光聲波形和振幅發(fā)生明顯變化時可認(rèn)為探測器已受到損傷[24]。早在1995年王乃彥等人[25]就利用光聲法研究光學(xué)膜的破壞閾值，通過判斷薄膜損傷前后，光聲信號波形圖是否發(fā)生明顯變化來判別損傷，由于環(huán)境因素的影響這種方法得到的損傷閾值會有一定誤差，且判別標(biāo)準(zhǔn)難以保持一致。近幾年西安工業(yè)大學(xué)對光聲判別法的研究相對較多，蘇俊宏等人[26]通過提取24～40kHz高頻段曲線的頻率特征，提出了使用曲線相似函數(shù)的損傷識別方法，此方法簡單易行，增加了判斷薄膜損傷的準(zhǔn)確度并降低環(huán)境噪聲對其的影響，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。目前光聲判別法能夠準(zhǔn)確判別探測器損傷，便于應(yīng)用和實(shí)時檢測，不過該方法對于光聲探頭的要求很高，需要高靈敏度、抗外界電磁輻射的光聲探測器。

3.6 聲光判別法

聲光判別法是由西德柏林大學(xué)的科學(xué)家于1988年提出的，之后美國LLNL實(shí)驗(yàn)室采用此方法并展開深入研究。聲光判別法是指強(qiáng)激光輻照光電探測器時，半導(dǎo)體材料吸收光能，并在光、熱、力的共同作用下產(chǎn)生短脈沖高壓沖擊波，在探測器靶面處用一束探針光來探測此沖擊波，在氣體聲光調(diào)制下會使探針光發(fā)生抖動，由能量計(jì)測量探針光的抖動脈沖，通過抖動脈沖的幅值大小來判別探測器是否受損以及計(jì)算損傷斑點(diǎn)的尺寸。聲光判別法測量精度較高，精度可以達(dá)到10mm[27]。

3.7 響應(yīng)信號判別法

徐立君等人[28]認(rèn)為光電探測器響應(yīng)度變化直接反應(yīng)了探測器的損傷程度，可利用探測器對激光的響應(yīng)度變化判別光電探測器是否受到激光損傷。當(dāng)激光功率密度逐漸增加時，探測器的響應(yīng)信號飽和；當(dāng)光電探測器受到激光損傷時，其PN結(jié)遭到破壞，使探測器收集光生載流子的電場減弱，響應(yīng)信號下降；若繼續(xù)增加輻照功率，PN結(jié)被熱擊穿，探測器對光沒有響應(yīng)，響應(yīng)度則下降為零[29]。響應(yīng)信號判別法精度較高，操作簡單，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測。

3.8 散射光偏振判別法

由于目標(biāo)表面粗糙度的差異會影響回波偏振度，所以散射場的偏振特性可以用于目標(biāo)識別和提取。激光具有良好的偏振性，強(qiáng)激光輻照探測器靶面時，參考光通過起偏器產(chǎn)生線偏振光入射到探測器受光輻照位置，其散射光的回波信號通過檢偏器被探測器接收。鏡面反射光沒有退偏振現(xiàn)象，而粗糙表面引起的高階散射光必存在退偏振效應(yīng)。所以表面越光滑，越接近鏡面反射，其保持入射光場偏振度的能力越強(qiáng)，而反射特性越接近朗博體的目標(biāo)，其散射場的偏振度越小[30-33]。因此，可通過探測器靶面受光輻照前后偏振度是否發(fā)生明顯變化作為判別損傷的標(biāo)準(zhǔn)，散射光偏振判別法對遠(yuǎn)距離測量精度不高，且對于已經(jīng)發(fā)生的輕度損傷不易檢測到。目前此方法國外方面研究較多，國內(nèi)方面黎全[33]等研究者更多是利用偏振法研究目標(biāo)偽裝識別，而較少應(yīng)用與激光損傷判別的研究，由此散射光偏振判別法可作為未來的研究課題。

3.9 散斑干涉判別法

散射光干涉技術(shù)是利用激光分束后在待測物體表面會產(chǎn)生一個干涉的散斑場，當(dāng)物體表面發(fā)生形變時散射場也隨之變化，利用CCD記錄散射場的前后變化，通過圖像處理得到散射場的相位信息，最后通過計(jì)算把相位信息轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫冃畔?。散斑干涉判別法是通過散射場變化來計(jì)算得到靶面粗糙度，根據(jù)粗糙度值從而判別探測器是否受到激光損傷[34-35]。散斑干涉判別法可實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測，不足的是此方法很難精確地計(jì)算出表面粗糙度[9]，從而對判別準(zhǔn)確性造成影響。

圖3 損傷測試和聲頻采集的實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.10 六角光柵判別法

六角光柵判別法是基于六角相位光柵（DOE）的分?jǐn)?shù)泰伯效應(yīng)，由于光的衍射，激光束將會在光柵后面的分?jǐn)?shù)泰伯距離處形成許多不同能量密度的高斯光斑，在分?jǐn)?shù)泰伯處放置待測探測器以進(jìn)行激光損傷，在分?jǐn)?shù)泰伯共軛位置處放置觀察探測器以進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測光斑能量，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。當(dāng)探測器發(fā)生損傷時，將各個點(diǎn)高斯光斑的能量密度歸一化，并把光斑分布圖與顯微鏡下探測器的損傷分布圖重心重合，從而確定探測器的激光損傷閾值[36]。六角光柵判別法的優(yōu)點(diǎn)是激光損傷閾值只需要一次測量就可確定，大大提高了測試效率，不足的是測量準(zhǔn)確度受相位光柵尺寸和疏密程度的影響。

3.11 圖像判別法

何長濤等人[27]研究利用圖像處理的方法展開激光對探測器的損傷識別，常用的是把未損傷圖像作為基準(zhǔn)圖像，對基準(zhǔn)圖像和待測圖像進(jìn)行濾波、二值化等處理，再對兩幅圖像進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，通過相似度比較來判別探測器是否受損。當(dāng)兩幅圖像相似度較高時，輸出的相關(guān)圖像出現(xiàn)明顯峰值，可認(rèn)為探測器并未受到損傷，若相關(guān)圖像中沒有出現(xiàn)相關(guān)峰值，輸出比較平坦，則認(rèn)為探測器已受到損傷。利用圖像判別法可實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測，不足的是對于不明顯損傷不易檢測到，且受制于算法的不同，判別損傷的標(biāo)準(zhǔn)難達(dá)成一致。

4 總結(jié)

激光損傷判別法和損傷閾值的確定一直都是熱門的研究課題，雖然在國際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了損傷判別的標(biāo)準(zhǔn)，但各種判別法目前都在應(yīng)用且發(fā)展趨勢是相互配合互補(bǔ)長短，常以在線檢測為主，離線檢測輔助判別，目的是減小人為因素的影響，增加判別結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，實(shí)際應(yīng)用中常以散射光判別法為主要檢測方式，配合使用霧氣法和相襯顯微鏡判別法?，F(xiàn)如今需要做的是對現(xiàn)有的判別方法不斷改進(jìn)，提高精度，擴(kuò)大測量范圍，減小各判別法之間存在的差異，同時發(fā)展新的檢測方法，使損傷的判別結(jié)果更準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)更可靠，最終為損傷機(jī)理的研究打下良好基礎(chǔ)，從而為探測器的防護(hù)以及激光對探測器的故意損壞提供良好的理論依據(jù)和研究方法。

圖4 六角光柵法測試損傷閾值的光路示意圖

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Determination Methods and Development Status of Photoelectric Detector Damaged by Strong Laser

GAO Run，NIU Chunhui，LI Xiaoying，LYU Yong

(,,100192,)

In modern high-tech war, as the core of the photoelectric devices, CCD detector is easily dazzled and damaged by lasers due to its extremely-high sensitivity, and severe cases will lead to internal structure damage and material of permanent damage which makes the detector can't work normally. So it has been a hot topic to study the hard damage of detector irradiated by laser, and the determination of determination methods and damage threshold are the keys to in-depth study of the damage mechanism. In recent years, the determination methods of detector damaged by laser are continuously improved and some new methods also appeared, which makes the accuracy and reliability of the discriminant results improved. This paper mainly focuses on determination methods of photoelectric detector damaged by laser to carry on the comprehensive summary including mechanism and development trend, which builds a good foundation for the further study of damage mechanism as well as providing the theoretical basis and research methods for the protection or deliberately damage of detector.

laser-induced damage，determined methods，damage threshold，photoelectric detector

TN249

A

1001-8891(2016)08-0636-07

2016-04-12；

2016-06-29.

高潤（1992-），女，碩士研究生，現(xiàn)主要從事光電對抗方面的研究，E-mail：sunnyrain512@163.com。

牛春暉（1976-），男，山西運(yùn)城人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事光電對抗的研究工作。E-mail：13520185497@163.com。

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（4154071）；北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助青年骨干個人項(xiàng)目（201400002012G105）。