脈沖激光對CCD 探測器的毀傷實驗研究

白浩 BAI Hao

（國防大學(xué)聯(lián)合作戰(zhàn)學(xué)院，北京 100000）

0 引言

關(guān)于CCD 探測器的激光毀傷效應(yīng)研究，自上個世紀80年代末、90年代初被公開報道至今，一直被人們所關(guān)注[1-3]。它揭示了CCD 探測器的強光輻照現(xiàn)象，促使人們更加充分地來了解激光與光學(xué)傳感器件之間的作用機理。

激光對CCD 探測器的損傷機制有兩種,分別為軟破壞和硬破壞[4-5]。組成的CCD 探測器的半導(dǎo)體材料中存在著大量處于雜質(zhì)能帶的電子，這些電子由于吸收了激光的能量而向?qū)кS遷,這就導(dǎo)致了暗電流的增加，最終使器件失效甚至燒毀，造成探測器系統(tǒng)的功能性退化或者暫時不能正常工作，這種狀態(tài)稱為軟破壞[6]。硬破壞是由于能量較強的激光束作用在探測器的表面，而造成材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損傷，而這種損傷并不能恢復(fù)，是不可逆的，所以稱為硬破壞[7]。

CCD 探測器在各領(lǐng)域都有重大應(yīng)用，與國家的安全和利益息息相關(guān)。但是光電探測器由于靈敏度高，極易受到激光的干擾和破壞。國內(nèi)外學(xué)者使用毫秒、納秒、皮秒、飛秒等不同脈寬激光開展了大量的CCD 探測器激光毀傷效應(yīng)研究，獲得了點損傷、線損傷、完全失效等典型破壞模式，給出了損傷閾值，分析了典型器件的損傷機理[8]。但迄今為止，人們對激光對毀傷現(xiàn)象及毀傷閾值規(guī)律還未建立一個直觀的認識，關(guān)于激光對CCD 探測器的毀傷實驗研究還不夠系統(tǒng)。

1 實驗裝置及平臺搭建

脈沖激光的瞬時熱效應(yīng)效果顯著，可以實現(xiàn)CCD 探測器短時間內(nèi)快速大幅的溫升。由于瞬時間的大量熱量積累無法快速轉(zhuǎn)移，會對自身跟蹤系統(tǒng)造成局部損傷甚至完全失效。為深入探究脈沖激光打擊自動跟蹤系統(tǒng)CCD 的實際情況，設(shè)計如下實驗。實驗裝置如圖1 所示。

圖1 YAG 脈沖激光輻照CCD 實驗裝置圖

實驗中采用脈沖激光器為DGTQ-1 型電光調(diào)Q 固體脈沖激光器，可以得到波長1.06μm，脈寬10ns，頻率1Hz的脈沖激光，激光能量可隨泵浦電壓調(diào)節(jié)。激光光斑直徑2.0mm。實驗應(yīng)用中科院生產(chǎn)的LPE-161-J 型能量計對脈沖激光的能量進行探測，能量探頭可探測范圍0.2mJ～10J，誤差±3%，分辨率2μJ，可探測激光波長范圍0.2～20μm。

從激光器出射的脈沖激光依次通過激光器與CCD 探測器之間設(shè)置的通光孔、高透鏡、衰減片、匯聚透鏡，照射在CCD 探測器的靶面上。保持激光器與CCD 靶面的距離為5m，光闌的通光孔徑是4mm。實驗前，通過準直激光調(diào)整CCD 探測器位置，使出射光與整個光學(xué)系統(tǒng)的主光軸相平，最后照射CCD 探測器的靶面中心。待激光器輸出激光能量趨于穩(wěn)定后進行試驗，利用衰減片調(diào)節(jié)能量，使初始照射到CCD 探測器的能量在CCD 的線性工作區(qū)間。而后通過控制衰減片數(shù)量來調(diào)整到靶激光能量。衰減后的脈沖激光照射在CCD 靶面，之后將輸出的圖像傳輸?shù)接嬎銠C，再進行后續(xù)的提取、計算和處理。

2 實驗現(xiàn)象

CCD 探測器在較低能量的輻照時，仍然處在正常的工作狀態(tài)。隨著激光能量的逐漸增加，CCD 的飽和像元數(shù)逐漸增多，達到了CCD 飽和閾值。CCD 探測器開始出現(xiàn)光飽和、串擾等軟損傷現(xiàn)象，這一過程與連續(xù)激光輻照基本相似。所不同的是隨著脈沖激光能量的進一步提高，輸出結(jié)果出現(xiàn)了黑白屏現(xiàn)象，如圖2 所示。

圖2 脈沖激光輻照CCD 黑白屏實驗現(xiàn)象

實驗測得在脈沖激光作用下，CCD 的像元飽和閾值和完全飽和閾值分別為0.016J/cm2、0.21J/cm2。在此區(qū)間內(nèi)，脈沖激光的作用對探測器造成了軟損傷，圖像的信噪比大大下降，但是CCD 仍有信號輸出，經(jīng)過靜置后，很快便能恢復(fù)正常的工作。通過計算機將不同激光能量作用下的CCD 探測器成像結(jié)果進行采集，以灰度值255 作為像元飽和的分界值，計算出不同能量下像元飽和數(shù)在圖像中的占比情況，如圖3 所示。在激光器的輻照下，CCD 探測器像元極易響應(yīng)并達到飽和狀態(tài)。當入射激光能量增強，飽和區(qū)域面積逐漸增加，當飽和面積增加到70%左右，飽和像元數(shù)趨于穩(wěn)定，當進一步加強激光能量，飽和面積不再增加，CCD 達到完全飽和狀態(tài)。

圖3 脈沖激光能量與CCD 靶面飽和區(qū)域面積關(guān)系曲線

當達到飽和像元最大值時，繼續(xù)增加激光能量，視場內(nèi)的飽和像元開始逐漸均勻地向同一方向延伸，導(dǎo)致一側(cè)完全飽和；而另一側(cè)的信號輸出則會出現(xiàn)停滯，如圖2（a），我們稱之為黑白屏現(xiàn)象。黑白屏的分布是不均勻的，它與脈沖激光的作用效果有關(guān)，同一脈沖能量的多次作用，會導(dǎo)致黑屏區(qū)域的擴大，如圖2（b）所示。

隨著激光能量的逐漸提高，到靶能量達到毀傷閾值，造成靶面不可逆毀傷。圖4、5、6、7 分別為CCD 達到硬毀傷條件后的成像效果。通過逐漸增加入射光能量，激光對CCD 的局部照射導(dǎo)致了CCD 靶面受損情況逐漸加重，最終完全失效。當入射激光能量達到1.64mJ 時，輸出圖像出現(xiàn)不可恢復(fù)的較小的損傷亮斑，此時CCD 仍能正常工作，毀傷處對圖像有遮擋，圖像整體質(zhì)量變化不明顯，CCD 受到了不可恢復(fù)的點損傷；當入射激光能量達到1.86mJ 時，損傷區(qū)域進一步擴大，并在垂直方向出現(xiàn)類似于串擾的亮線，其余區(qū)域保持正常工作，CCD 造成了不可恢復(fù)的線損傷；當入射激光能量達到2.22mJ 時，輸出圖像在激光直接輻照處顯示出不可恢復(fù)的貫穿縱向亮線，并且在橫向顯示出非貫穿黑線，黑白二線以輻照點為中心十字交叉，整體圖像質(zhì)量有所下降，且在白線左側(cè)的區(qū)域像素曝光出現(xiàn)問題，撤除激光作用后，仍然不能恢復(fù)；調(diào)整激光能量至2.60mJ，CCD 靶面完全毀傷，不能繼續(xù)成像。由此可見，在激光打擊自動跟蹤系統(tǒng)CCD 時，可能導(dǎo)致時序脈沖或控制電極的短、斷路，隨著脈沖能量不斷增加，CCD 探測器毀傷情況不斷加劇，成像能力不斷削弱，直至完全喪失。當繼續(xù)增加激光能量時，CCD 探測器突然停止響應(yīng)，無法工作，撤去激光后依舊無法恢復(fù)，如圖7 所示，此時CCD 探測器徹底失效。從感光圖中可以發(fā)現(xiàn)，完全毀傷的CCD 探測器的損傷區(qū)域并沒有明顯的擴大，但是已經(jīng)造成的整個探測器的失效，說明局部的損傷是造成CCD 探測器失效的根本原因。

圖4 CCD 點毀傷感光圖及毀傷后成像效果

圖5 CCD 線毀傷感光圖及毀傷后成像效果

圖6 CCD 十字暗線毀傷感光圖及毀傷后成像效果

圖7 CCD 探測器完全毀傷后成像效果

根據(jù)激光能量密度計算公式：

式中，I 為到靶能量，A 為到靶光斑尺寸。根據(jù)實驗結(jié)果計算CCD 探測器達到點毀傷、線毀傷、暗線毀傷、完全毀傷相應(yīng)的毀傷閾值分別為0.366J/cm2、0.748J/cm2、0.897J/cm2，如表1 所示。入射激光能量密度達到0.366J/cm2（峰值功率36MW/cm2）時，CCD 靶面造成毀傷區(qū)域，出現(xiàn)不可恢復(fù)亮斑，隨著激光能量密度不斷提高，毀傷情況進一步加劇，直到能量密度達到0.91J/cm2（峰值功率91MW/cm2）時，CCD 探測器完全毀傷。

表1 CCD 探測器不同毀傷情況下的毀傷閾值

4 總結(jié)

當發(fā)生點毀傷時，毀傷閾值與文獻[9]、[10]、[11]的仿真值在脈沖作用下Si 材達到熔融點30MW/cm2的閾值接近，說明材料的熱熔融是造成硬毀傷的根本原因；當發(fā)生線毀傷時，毀傷閾值與仿真值在脈沖激光作用下Al 材達到熔融點70MW/cm2的閾值接近，可能是金屬電極的熔融，使信號傳遞過程出現(xiàn)了問題，導(dǎo)致了類似于不可恢復(fù)的“串擾”現(xiàn)象的線損傷的發(fā)生。

由于CCD 探測器的類型、廠家、結(jié)構(gòu)、工作方式不盡相同，導(dǎo)致得到的CCD 探測器的毀傷閾值也略有不同。但通過實驗，可以充分地了解到CCD 探測器在脈沖激光作用下造成的干擾、毀傷情況。初始時，CCD 探測器處在線性工作區(qū)域，僅有較少的能量吸收，可以正?？販兀３譁囟绕胶?，因此照射后亮斑能夠立即恢復(fù)，保證正常工作。隨著能量的增加，CCD 探測器為了保證正常溫度，需要將熱量向周圍進行傳導(dǎo)，導(dǎo)致光斑面積增大，進入飽和狀態(tài)，但是由于能量相對有限，未對靶材造成實質(zhì)性損傷，輻照結(jié)束后仍可恢復(fù)。當能量繼續(xù)升高，CCD 探測器的電極發(fā)生熔融、汽化等現(xiàn)象，材料性質(zhì)發(fā)生改變，使信號傳遞發(fā)生中斷，造成局部失效。能量再次升高，毀傷范圍擴大，整個器件的信號無法正常傳遞，造成探測器的完全失效。