ns激光輻照硅光電探測器的損傷閾值

徐立君,劉麗煒,姜傳軍,楊立鵬,周鳴岐,張喜和

(1.長春理工大學理學院,吉林長春130022;2.裝甲兵技術學院,吉林長春130017)

ns激光輻照硅光電探測器的損傷閾值

徐立君1,劉麗煒1,姜傳軍2,楊立鵬1,周鳴岐1,張喜和1

(1.長春理工大學理學院,吉林長春130022;2.裝甲兵技術學院,吉林長春130017)

以He-Ne激光作為參考光,采用反射光能量法,測量了ns激光輻照硅光電探測器的損傷閾值,并測量了不同功率密度的強激光輻照下探測器對參考光的反射率.實驗結果表明,ns激光輻照硅光電探測器的損傷閾值為4.1×106W/cm2,在探測器被強激光損傷的初期階段,探測器對參考光的反射率下降很快,繼續增加入射激光的能量,探測器對參考光的反射率下降趨于平緩.

損傷閾值;強激光輻照;功率密度;反射率

1 引 言

隨著光電對抗技術的發展,光電探測器越來越容易受到強激光的損傷.國內外學者對激光與物質相互作用進行了大量的研究.1965年蘇聯學者提出了激光維持的爆轟波(LSD)的重要概念,這是激光對光電探測器力學損傷的主要因素.1975年美國海軍研究室的Bartoli[1-3]等研究了CO2激光器對 HgCd Te,PbSn Te光電探測器的損傷,并對光電探測器的損傷機理進行了分析.2002年Singh[4]等研究了超短脈沖對硅材料的表面損傷.2006年,楊集[5]等人測量了正面和背面入光PIN探測器的響應度激光導致的光學元件的損傷閾值,該內容一直是研究的熱點[6-9].探測器激光損傷閾值的研究對于強光的探測與防護都具有重要意義.本文以 He-Ne激光作為參考光,采用反射光能量法,測量了ns激光輻照硅光電探測器的損傷閾值,并對強激光輻照下,探測器對參考光的反射率進行了實際測量,分析激光輻照半導體材料的損傷機理.

2 激光輻照探測器的損傷機理

激光作用于材料表面時,在中低功率密度(103～104W/cm2)激光作用下,材料表面僅發生加熱現象;在中等功率密度(104～108W/cm2)激光作用下材料將發生熔融和汽化;在高功率密度(108W/cm2以上)激光的作用下,在材料表面產生具有高溫高壓的等離子體.

強激光輻照探測器會產生光學效應、熱學效應和力學效應,而探測器的永久性損傷主要是由熱學效應和力學效應導致的.

2.1 熱學效應

激光熱效應是激光與半導體相互作用過程中的主要現象,涉及到熱能的產生、聚積和傳導等過程.由熱傳導方程和瞬態圓環熱源作用于半無限固體表面的溫度分布函數,可導出高斯光束作用下,半導體內的溫度分布函數 T為式中,α為材料對激光的吸收系數,R為表面反射率,K和k分別為材料的熱導率和熱擴散系數,d為光斑半徑的 1.414倍,p0為峰值功率密度,p(t)為脈沖歸一化函數,t為激光脈沖作用時間,r,z分別為柱坐標函數,r為離中心軸的距離,z的起點從入射面計算.光電探測器PN結處溫度達熔點是造成其永久性損傷的必要條件.

2.2 力學效應

在激光輻照下,光電探測器內電子和晶格聲子等吸收激光能量后首先達到熱平衡,吸收的激光能量以熱統計平均溫度表現出來.由于溫度分布不均勻和激光持續時間等因素,探測器內產生的熱應變和熱應力分布也不均勻,導致熱應力波在探測器內傳播.當某處熱應力超過屈服極限,脆性材料在解理面上將產生裂紋.如果熱應力不是很強,隨著激光能量增加溫度升高,將產生塑性變形,甚至熔化.激光輻照結束后,晶體再凝結時可能在解理面方向產生裂紋,也可能在表面出現波紋或褶皺、液滴凝固物等.如果入射激光功率較大,探測器會發生汽化現象,如果再進一步增加入射激光的功率密度探測器將產生等離子,等離子體迅速膨脹,對探測器形成沖擊波,此時探測器將發生嚴重的損傷.

3 激光對光學元件的損傷判別

影響光學元件抗激光損傷閾值的因素很多,除了與輻照激光的波長、脈寬、光斑大小等參量有關外,還與光學元件的基板和膜層有密切關系.所以,光學元件的閾值測定是一項十分復雜而又必須十分仔細的重要工作.元件損傷的判定和損傷閾值的測定二者是密不可分的,要做好閾值測定,就必須正確地判斷元件是否發生了光損傷.損傷的判別對損傷閾值有著直接的影響,按國際標準(草案)的定義,所謂“損傷”乃是試樣表面特征的永久性變化.國際標準 (ISG 11254)[10]對于損傷的判斷是:通過Nomarski型差分干涉相襯顯微鏡,放大100～150倍能觀測到樣品表面特征的任何激光誘導的變化.強激光對光電探測器的損傷多采用1-on-1的測試方式.

國內外學者根據各自的情況設計出了多種測量閾值的具體方法,如等離子體閃光法[11]、光熱偏折法、全息或干涉法等.這些方法都有它們的局限性,例如:等離子體閃光法測量比較粗糙;光熱偏折法[12],探測信號較弱,要進行放大;而全息或干涉法,雖然測試精度較高,但需要建立防震系統.反射光能量法[8-10]按反射光能量下降10%確定為光學元件的損傷閾值.本文采用反射光能量法測量ns激光輻照光電探測器的損傷閾值.

4 激光輻照光電探測器的損傷閾值

4.1 激光輻照光電探測器的實驗裝置

圖1是激光輻照探測器的實驗裝置,采用He-Ne激光作為參考光,調節入射 He-Ne激光的功率使探測器工作在線性區.波長為1 064 nm的Nd∶YAG激光作為輻照激光,脈沖寬度為10 ns,重復10 Hz,激光能量按高斯分布,模式TEM00.通過衰減片可以調節入射激光的能量,分束透鏡和能量計可以對入射激光能量進行實時監測.會聚前激光光斑的大小是6 mm,用焦距為150 mm的平凸透鏡對入射激光進行會聚,使參考光和強激光的光斑重疊,并且使參考光的光斑略大,另一側放置了功率計,用來監測反射光功率變化.實驗中光電探測器的型號為 GT102,光敏面為 φ2 mm.

圖1 激光輻照探測器的實驗裝置圖

通過衰減片可以調節入射激光的能量,可以使輻照探測器的激光能量由低到高逐漸增加.每次輻照探測器結束后,記錄參考光的反射功率,并且與最初的反射光功率值作比,所得比值即為探測器對參考光的反射率,根據強激光輻照前后探測器對參考光的反射率的變化來判斷探測器的損傷情況.

4.2 實驗結果與討論

圖2描述了入射激光功率密度與探測器對參考光反射率之間的關系.在功率密度低于2.1×106W/cm2的激光輻照后,探測器對參考光的反射率不發生變化;當激光功率密度超過2.4×106W/cm2強激光輻照后,探測器對參考光的反射率開始較快地下降;當激光功率密度達到1.1×107W/cm2強激光輻照后,探測器對參考光的反射率下降變得緩慢;當激光功率密度為3.4×107W/cm2強激光輻照后,探測器對參考光的反射率下降為62%.根據前面的損傷判斷標準,反射光功率下降10%時,定義為探測器的損傷閾值,所以ns激光對硅PIN探測器的損傷閾值為4.1×106W/cm2.

圖2 強激光輻照下探測器對參考光的反射率

探測器的表面經過加工工藝處理,都比較平整,對入射的平行參考光將發生鏡面反射.因此,探測器沒有被損傷前,反射光方向不改變,進入功率計探頭的光通量不改變,所以探測器對參考光的反射率也不發生變化;當激光功率密度達到一定值時,探測器被損傷,發生熔融和再凝固,此時探測器表面產生形變,變得凸凹不平,參考光照射到探測器表面將產生漫反射,進入功率計探頭的光線減少,所以反射率下降.隨著損傷程度加重,反射率下降越大,因此,在損傷的初期反射率迅速下降.

繼續增加入射激光的能量,探測器表面可能發生汽化或者產生等離子體,表面形變更加嚴重,但對入射參考光的改變已經很有限了,進入功率計探頭的光通量并沒有明顯減少,所以,探測器對參考光的反射率下降相對平緩.

5 結束語

采用反射光能量法測量了Nd∶YAG激光輻照硅光電探測器的損傷閾值為4.1×106W/cm2,在探測器被強激光損傷的初期階段,探測器對參考光的反射率下降很快,繼續增加入射激光的能量,探測器對參考光的反射率下降趨于平緩,該方法測量的損傷閾值與用其他方法測得的數值在實驗誤差范圍內是相符的[9-10].反射光能量法確定激光損傷閾值方便簡捷,易于操作,但要監測強激光對探測器的整個損傷過程還需與其他方法配合使用.

[1]Bartoli F,Esterow itz L,Kruer M,et al.Irreversible laser damage in ir detector materials[J].App l.Op t.,1977,16(11):2 934-2 937.

[2]M eyer J R,Bartoli FJ,Kruer M R.Op tical heating in semiconducto rs[J].Phys.Rev.B,1980,21(4):1 559-1 568.

[3]Bartoli F J,Meyer J R,Hoffman C A,et al.Electron mobility in low-temperature Hg1-xCdxTe under high-intensity CO2laser excitation[J].Phys.Rev.B,1983,27(4):2 248-2 263.

[4]Singh A P,Kapoo r A,Tripathi K N,et al.Laser damage studies of silicon surfaces using ultra-sho rt laser pulses[J].Op tics and Laser Technology,2002,34(1):37-43.

[5]楊集,馮士維,李瑛,等.InP層對正面及背面入光PIN探測器響應度影響研究[J].光電工程,2006,33(12):141-144.

[6]Kruer M,Esterow itz L,A llen R,et al.Thermal models fo r laser damage in InSb pho tovoltaic and photoconductive detectors[J].Infrared Physics,1976,16(3):375-384.

[7]陳明君,龐啟龍,劉新艷,等.KDP晶體微納加工表層雜質對其激光損傷閾值影響的有限元分析[J].強激光與粒子束,2008,20(7):1 182-1 186.

[8]張紅,薛建國,成斌,等.10.6μm CO2激光對HgCd Te探測器破壞閾值的實驗研究[J].光電工程,2006,33(5):41-43.

[9]陳德章,張承銓,卿光弼,等.激光對光電探測器的損傷閾值研究[J].激光技術,1995,18(3):135-140.

[10]Becker J,Bernhardt A.ISO 11254:an international standard for the determination of the laserinduced damage threshold[J].SPIE,1994,2114:703-713.

[11]倪曉武,陸建,賀安之,等.激光與介質薄膜作用過程的等離子體診斷[J].光學學報,1990,10(4):322-327.

[12]周東平,范正修,劉立明,等.紅外濾光片激光損傷的研究[J].中國激光,1994,21(11):893-896.

[13]高志山,陳進榜.激光損傷光學表面的檢測研討[J].激光技術,2000,24(3):185-188.

[14]高鴻奕,樓棋洪,董景星,等.實時測量308 nm激光對薄膜的損傷閾值[J].強激光與粒子束,1998,10(1):123-126.

[15]周業為,謝建,李育德.光學薄膜激光預處理及其機理的研究[J].激光雜志,1998,19(5):5-7.

[16]王廣安,章玉珠,陸建.納秒激光對銅靶環形損傷的實驗研究[J].物理實驗,2007,27(8):10-13.

[責任編輯:任德香]

Damage threshold of Si photoelectric detector irradiated by ns laser

XU Li-jun1,L IU Li-wei1,JIANG Chuan-jun2,YANG Li-peng1,ZHOU M ing-qi1,ZHANG Xi-he1
(1.School of Science,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China;2.A rmored Technique Institute of PLA,Changchun 130117,China)

Acco rding to the energy of the reflected beam,damage threshold of photoelectric detecto r under laser irradiation ismeasured.A fter irradiation of different pow er densities of He-Ne lasers,the reflectivity of the detecto r is measured.The experimental results indicate that ns laser damage threshold of photoelectric detector is 4.1×106W/cm2.In the first damage period,the reflectivity of the detector decreases rapidly,further increasing of the incident laser power intensity reduces the reflectivity of the detector smoothly.

damage threshold;intensive laser irradiation;power density;reflectivity

TN 241

A

1005-4642(2010)11-0008-04

2010-06-05;修改日期:2010-09-19

徐立君(1973-),男,吉林九臺人,長春理工大學理學院講師,博士研究生,主要從事激光與物質相互作用的研究.

張喜和(1973-),男,吉林農安人,長春理工大學理學院教授,博士,主要從事非線性光學方面的研究.