星載激光器對(duì)HgCdTe探測(cè)器的干擾損傷研究

任曉東，雷武虎

(1.脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230037；2.安徽省電子制約技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230037)

0 引言

2017年5月31日，美國(guó)攔截洲際彈道導(dǎo)彈的導(dǎo)彈防御測(cè)試取得了成功。美國(guó)五角大樓的導(dǎo)彈防御局局長(zhǎng)敘林中將說：“能夠成功攔截一個(gè)復(fù)雜的、而且有著巨大威脅的洲際彈道導(dǎo)彈目標(biāo)，這是一項(xiàng)驚人成就?！睌r截彈道導(dǎo)彈，尤其是洲際導(dǎo)彈，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要?jiǎng)佑藐懟⒑；?、空中和天基等設(shè)備來協(xié)同完成。在導(dǎo)彈攔截過程中，天基紅外系統(tǒng)[1](SBIRS)在探測(cè)、發(fā)現(xiàn)、跟蹤、鎖定導(dǎo)彈目標(biāo)的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，其關(guān)鍵技術(shù)和特點(diǎn)是采用了雙波段高速掃描探測(cè)器和高分辨率凝視型探測(cè)器(24000光敏元凝視焦平面陣列)。其中的紅外探測(cè)器主要為HgCdTe探測(cè)器。

紅外探測(cè)器是預(yù)警衛(wèi)星的關(guān)鍵部件，同時(shí)也是最易受到干擾的部件。由于光電探測(cè)器是一種弱光探測(cè)系統(tǒng)，且光學(xué)系統(tǒng)對(duì)工作波段內(nèi)激光具有很大的光學(xué)增益，因此可以通過激光輻照對(duì)抗的手段來實(shí)現(xiàn)對(duì)星載紅外探測(cè)器的干擾和破壞。當(dāng)探測(cè)器響應(yīng)率下降2個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)認(rèn)為激光對(duì)探測(cè)器形成了有效的瞬時(shí)干擾[2]。當(dāng)探測(cè)器表面發(fā)生熔融時(shí)認(rèn)為激光對(duì)探測(cè)器形成了永久損傷。Arora[3]研究得出結(jié)論：當(dāng)探測(cè)器溫升為70℃時(shí)響應(yīng)率下降2個(gè)數(shù)量級(jí)；探測(cè)器溫升720℃達(dá)到熔點(diǎn)993K時(shí)，HgCdTe達(dá)到熔點(diǎn)開始融化，探測(cè)器徹底損壞。基于此，開展了星載激光對(duì)HgCdTe紅外探測(cè)器的干擾、損傷研究。

1 激光干擾探測(cè)器的解析推導(dǎo)

1.1 激光體制的選擇

首先激光波長(zhǎng)應(yīng)該在探測(cè)器的響應(yīng)波段內(nèi)。在激光體制選擇方面，激光有連續(xù)輸出狀態(tài)和脈沖工作狀態(tài)。連續(xù)狀態(tài)是指從激光器開啟直到激光器關(guān)閉，激光光束無間歇地連續(xù)不斷地輸出。脈沖工作狀態(tài)指的是激光器開啟后只在一定的時(shí)間間隔內(nèi)有能量輸出，其余時(shí)間均無激光輸出；或者每隔一段時(shí)間輸出一束光束，相當(dāng)于發(fā)射了一串脈沖。前一種情況稱為單脈沖輸出，后一種情況稱為重頻輸出。

通常情況下，脈沖激光的峰值功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于連續(xù)激光的功率，甚至能達(dá)到幾千倍?？鲁＼奫4]研究表明，在相同平均功率密度條件下，高重頻脈沖激光對(duì)探測(cè)器的損傷效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于連續(xù)激光。因此選擇脈沖激光能更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器的干擾損傷。同時(shí)考慮到[5]星載探測(cè)器是高速運(yùn)動(dòng)的，激光束在探測(cè)器上駐留時(shí)間短，對(duì)于掃描型探測(cè)器更是如此，因此為了保證在短暫的駐留時(shí)間內(nèi)能有更多的激光脈沖輻照到探測(cè)器上，對(duì)抗載荷可采用高重頻脈沖激光器作為干擾源。

1.2 激光干擾遠(yuǎn)場(chǎng)能量估計(jì)

針對(duì)星載激光，首先估計(jì)激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑尺寸，設(shè)激光光束發(fā)散角為θ，則：

(1)

式中，θy為衍射發(fā)散角，可表示為：

θy=1.22(λ/D0)β

(2)

式中，β為光束質(zhì)量因子，λ為激光波長(zhǎng)，D0為激光發(fā)射口徑。θd為激光光源抖動(dòng)引起的發(fā)散角。

通?？梢约僭O(shè)：

θd=θy/2

(3)

假設(shè)激光器對(duì)準(zhǔn)探測(cè)器，激光器距離星載紅外探測(cè)器的距離為L(zhǎng)，激光束到達(dá)星載紅外探測(cè)器表面處的光斑直徑為D，則：

D≈Lθ

(4)

從而得到垂直于探測(cè)器表面的激光光斑面積St為：

(5)

在仿真中假設(shè)激光對(duì)準(zhǔn)探測(cè)器表面[6]，光斑中心與探測(cè)器中心重合。則探測(cè)器表面被激光完全覆蓋，覆蓋面積即為探測(cè)器表面積，記為S，則：

(6)

式中，D1為探測(cè)器口徑。

設(shè)激光器的輸出功率為P0，則入射到衛(wèi)星探測(cè)器表面的激光能量P1為：

P1=0.9P0S/St

(7)

式中,0.9為過程因子。入射到探測(cè)器表面的激光能量還要經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)才能入射到探測(cè)器的光敏面，設(shè)光學(xué)系統(tǒng)的透過率為τ2，Airy斑第一暗環(huán)內(nèi)部的激光能量占入射總能量的百分比為83.8%。設(shè)P2為最后入射到探測(cè)器光敏面的激光能量，則：

P2=0.838τ2P1

(8)

設(shè)激光在探測(cè)器光敏面的直徑為d1，則激光在探測(cè)器光敏面形成的光斑面積Sφ表示為：

(9)

根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知：

d1=fθ+d2

(10)

d2=f(2.44λ/D1)

(11)

式中，d2為光敏面上理想衍射光斑直徑，f為光學(xué)系統(tǒng)焦距。

從而得到最終到達(dá)天基紅外系統(tǒng)紅外探測(cè)器光敏面的激光功率密度P3為：

P3=P2/Sφ

(12)

令P3等于相應(yīng)的干擾、損傷閾值功率密度就可以求得相應(yīng)的參量。

1.3 HgCdTe探測(cè)器干擾損傷閾值分析

Bartoli建立了光伏型HgCdTe探測(cè)器的激光損傷模型[8-10]， 在遠(yuǎn)場(chǎng)情況下假設(shè)激光垂直均勻輻照探測(cè)器光敏面，功率密度為P3，τ為激光脈沖寬度，即單脈沖輻照時(shí)間，z為距探測(cè)器表面的距離，T(z,τ)表示在距探測(cè)器表面z處、激光輻照τ時(shí)探測(cè)器的溫度。在探測(cè)器表面z=0時(shí)，激光輻照τ時(shí)探測(cè)器的溫升ΔT(0,τ)為：

ΔT(0,τ)=(1-R)P3/(αK)((4α2kτ/π)1/2-1+

exp(α2kτ)erfc(α2kτ)1/2)

(13)

式中，R為反射系數(shù)，K為熱傳導(dǎo)系數(shù)，k為熱擴(kuò)散系數(shù)，erfc(x)為補(bǔ)充糾錯(cuò)函數(shù)，且有關(guān)系式k=K/ρc，ρ為材料密度，c為材料的比熱容，假設(shè)材料參數(shù)為常數(shù)(不隨溫度變化)。

構(gòu)造常數(shù)τ0=4/πα2k，將式(13)變形為：

ΔT(0,τ)=α(1-R)P3/(ρc)(4τ/(πτ0))-1·

(4/π(τ/τ0)1/2-1+exp(4τ/(πτ0))erfc(4τ/(πτ0))1/2)

(14)

當(dāng)τ≤τ0時(shí)式(14)化簡(jiǎn)為：

ΔT(0,τ)=α(1-R)P3τ/(ρc)

(15)

當(dāng)τ≥τ0時(shí)式(14)化簡(jiǎn)為：

ΔT(0,τ)=α(1-R)P3(ττ0)1/2/(ρc)

(16)

根據(jù)前文，令ΔT(0,τ)=ΔT干擾=70℃、ΔT(0,τ)=ΔT損傷=720℃時(shí)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器的干擾、損傷。

2 仿真結(jié)果及分析

在仿真中假定探測(cè)器為8～14μm波段HgCdTe探測(cè)器，激光器波長(zhǎng)λ=10.6μm，脈寬τ=240ns，重頻為1kHz，光束質(zhì)量因子β=3，激光器發(fā)射口徑D0=2cm，根據(jù)查閱的天基紅外系統(tǒng)紅外探測(cè)器的資料數(shù)據(jù)，設(shè)定探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)口徑D1=0.5m，探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)透過率τ2=0.86，探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)焦距f=1m，HgCdTe密度ρ=7.6kg/cm3，HgCdTe反射系數(shù)R=0.31，HgCdTe吸收系數(shù)α=1000/cm，HgCdTe比熱容c=150J/kgK，熱擴(kuò)散率k=0.01cm2/s。當(dāng)激光器距探測(cè)器的距離L=150km時(shí)，聯(lián)立公式(1)～(14)仿真計(jì)算了激光器輸出功率P0與探測(cè)器溫升ΔT之間的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 激光器輸出功率與探測(cè)器表面溫升之間的關(guān)系 (L=150km)

從圖1中可以看到，探測(cè)器光敏面溫升ΔT與激光器輸出功率P0成正比，隨著P0的增加，溫升ΔT成線性增加。當(dāng)P0=1kW時(shí)溫升ΔT約為70℃，從而能實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器的干擾，當(dāng)P0=10.4kW時(shí)，探測(cè)器溫升為720℃達(dá)到熔點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器的損傷。

在激光器輸出功率為固定值P0=1kW情況下，仿真計(jì)算了探測(cè)器光敏面溫升ΔT與激光器和探測(cè)器距離L之間的關(guān)系曲線。如圖2所示， 可以看出在激光器輸出功率固定的情況下， 隨著距離L的增加，探測(cè)器光敏面的溫升近似成指數(shù)下降。在L=150km時(shí)溫升約為ΔT=70℃,從而實(shí)現(xiàn)干擾。當(dāng)L=46km時(shí)溫升ΔT=734℃>720℃,實(shí)現(xiàn)損傷。

圖2 激光器、探測(cè)器間距離與探測(cè)器表面溫升之間的關(guān)系 (P=1kW)

3 結(jié)束語

本文研究表明，通過合理地設(shè)置高重頻脈沖激光的輸出功率以及實(shí)施干擾損傷的作用位置和距離，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)HgCdTe紅外探測(cè)器的干擾、損傷，為星載脈沖激光干擾損傷探測(cè)器提供一定的參考?！?/p>

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