面陣CCD相機的飛秒激光損傷分析

王 明，王挺峰 ，邵俊峰

(1.中國科學院長春光學機密機械與物理研究所激光與物質相互作用國家重點實驗室，吉林長春130033;2.中國科學院大學，北京100049)

1 引言

電荷耦合器件(CCD)已廣泛應用于軍事領域，以CCD探測器為核心的光電裝備極易受到激光的干擾和損傷，所以激光與CCD探測器件的相互作用一直是激光應用的重點研究內容。關于連續激光輻照和納秒脈沖激光輻照CCD的研究，已有大量的文獻報道［1-4］。近年來，人們開始關注飛秒激光對CCD的干擾和損傷效應:江繼軍等人通過實驗得到飛秒激光作用下CCD的損傷閾值比納秒激光作用下的損傷閾值低2～3個量級［5］;李文煜等人對飛秒激光損傷CCD開展了實驗研究，測得了部分損傷閾值，并且得到了隨著重復頻率的增加，損傷閾值降低的重要結論［6］;黃紹艷等人開展了500 fs超短脈沖激光對線陣CCD器件的輻照效應研究，得出了能量密度不同時，損傷原因分別為等離子體和電荷分離形成的電場的庫侖力［7］。不過現階段飛秒激光對CCD損傷閾值的測試數據仍不足，有必要對其損傷機理做進一步分析討論。本文主要利用100 fs脈沖激光輻照面陣CCD，得到了其損傷閾值，并分析了其損傷部位和損傷原理。

2 實驗原理

2.1 可見光CCD簡介

所使用的可見光面陣CCD芯片型號為Sony ICX055AL，其原理結構如圖1所示。構成CCD的基本單元是金屬-氧化物-半導體(MOS)結構，CCD由光敏元陣列、垂直CCD移位寄存器陣列及水平CCD移位寄存器陣列3部分構成。

圖1 ICX055AL CCD電路原理結構Fig.1 Block diagram and pin configuration of ICX055AL CCD

Sony ICX055AL采用行間信號電荷轉移方式。首先，光敏元受光后，在一定期間內進行光電轉換與存儲的信號電荷在垂直消隱的最后階段針對所有的像素轉移到相鄰的垂直移位寄存器陣列;接著，讀出移位到垂直移位寄存器陣列的信號電荷，在水平消隱期間，這些電荷逐行轉移到水平移位寄存器中，在水平圖像期間向FD放大器進行水平轉移，將像素逐一轉換成電壓后輸出，此時，完成光電轉換的信號電荷在垂直CCD移位寄存器陣列進行逐行轉移，光敏元進行下一個圖像的光電轉換。經后續視頻處理電路處理后，輸出信號成為視頻信號。

2.2 激光與CCD器件的相互作用

激光對CCD的影響主要分為干擾和損傷兩種類型。一般認為，干擾主要表現在光電材料或器件的功能退化或暫時失效，減弱或撤去光照后，CCD器件可恢復正常工作。損傷是指永久性破壞，撤去光照后，CCD器件無法恢復正常工作。

超短脈沖激光的飽和干擾與連續激光和納秒脈沖激光飽和干擾在機理上是相同的:像元飽和、串擾和全屏飽和是由CCD器件的結構所決定的。當輻照在CCD光敏元上的激光能量增大到一定程度時，將產生足夠多的電子-空穴對并填滿勢阱，此時的輸出電壓信號將達到飽和，即像元飽和。當激光能量繼續增加時，電子將穿越勢壘向鄰近的勢阱中擴散，使得未被輻照的像元也會有電信號輸出，即出現串擾。繼續增加激光能量，將會出現全屏飽和現象。對于前照明式CCD，激光對MOS結構CCD器件的破壞過程首先是對金屬鋁柵極膜和SiO2的破壞，最后才是與P型Si物質相互作用。與納秒脈沖激光相比，飛秒激光具有更短的脈沖，此時轉換成的熱量不能及時向外傳遞，并且飛秒激光還具有超高的峰值功率，即功率密度非常大，所以更容易造成CCD器件的永久性損傷［2，7］。

3 實驗裝置

實驗使用的激光波長是800 nm，脈寬為100 fs，單脈沖能量為 500 μJ，重頻為 1 kHz(可外觸發實現單脈沖輸出)，能量穩定度為5% 。CCD圖像傳感器采用Sony公司生產的行間轉移ICX055AL型面陣CCD。能量計為OPHIR公司的PE9F和PE50，量程分別為0.3～1 mJ和25 μJ～10 J。光學鏡頭型號是Nikon 18～105 mm(實驗中測得其對800 nm飛秒激光透過率為0.688)。示波器型號為TDS1012B-SC。實驗裝置如圖2所示。

圖2 飛秒激光對CCD損傷的原理圖Fig.2 Schematic diagram of femtosecond laser damage to the CCD

實驗中控制激光器實現單脈沖輸出，使用偏振片控制飛秒激光到達分光鏡的能量，經過分光鏡后光束分為兩束，一束經過衰減片到達能量計PE9F，另一束進入光學系統。實驗時先將能量計PE50放在光學系統前，進行能量比例標定。CCD的輸出信號被分成兩路，一路送入計算機，實時觀察并記錄圖像的變化，作為CCD損傷的判斷依據;另一路連接到示波器，觀察CCD的輸出波形變化，可以判斷損傷的效果。

4 實驗結果與分析

在開展損傷效應實驗前，先進行分光鏡分光比例的標定:將能量計PE50放在光學系統處，其測得的值與能量計PE9F測得的值的比值(分光比)為1.604。在實驗過程中為了觀察到CCD的工作狀態隨飛秒激光輻照能量密度變化的整個過程，首先要調節偏振片，使入射到CCD靶面的激光能量衰減到最小，然后調節偏振片，使入射到CCD靶面上的能量逐漸增加。在能量增加的過程中，CCD工作狀態從飽和到無法成像，根據CCD被破壞的情況不同，可以把CCD的硬破壞分為3個階段:第一階段是點損傷，在低能量密度的飛秒脈沖激光輻照下，首先會出現黑點，增大能量則會出現無法恢復的白斑;第二階段是線損傷，飛秒脈沖激光輻照后，在損傷的光斑處，沿時鐘線方向出現白色亮線，此時其他部位仍可正常成像;第三階段是全靶面損傷，在高能量密度的飛秒脈沖激光輻照后，CCD徹底被破壞，無法正常成像。

4.1 點損傷

在逐步提高到達CCD靶面能量的過程中，首先會觀察到CCD的像元飽和、串擾和全屏飽和，繼續提高到靶能量，當能量密度增大到109.1 mJ/cm2時，仍然會出現全屏飽和現象，當能量密度提高到151.2 mJ/cm2時，觀察視頻輸出圖像會發現表面出現了白色的亮斑，關閉鏡頭的光圈，白斑依然存在，如圖3所示:圖3(a)為CCD視頻輸出圖像;圖3(b)為CCD表面損傷情況。

圖3 飛秒激光對CCD點損傷后的CCD視頻輸出圖像及顯微照片Fig.3 Video image and microtopography of CCD after point damage

圖4 并排損傷達到3個白斑時的CCD視頻輸出圖像Fig.4 Video image of CCD after point damage with three points in a row

繼續提高到達CCD靶面的能量，發現隨著到達CCD靶面能量密度的增加，損傷的白色光斑也逐漸變大。當在水平方向(與垂直轉移時鐘線方向垂直)并排連續損傷達到3個白斑時，出現一條黑線，黑線穿過3個白斑，如圖4所示。

用萬用表測量CCD發生點損傷后垂直轉移時鐘線間及其與地間的電阻以及水平轉移時鐘線間及其與地間的電阻，在一定允許誤差下與損傷前完好CCD的對應電阻值比較，未發現時鐘信號線間及其與地間的電阻值有明顯的變化(測量電阻時CCD仍在電路板上)。

4.2 線損傷

提高到達CCD靶面的能量，當能量密度增大到508.2 mJ/cm2時，觀察飛秒脈沖激光輻照后CCD的視頻輸出圖像，可見在原飛秒激光光斑輻照的位置處，沿著垂直轉移時鐘線方向出現一條豎直的白色亮線，關閉鏡頭的光圈亮線依然存在，如圖5所示:圖5(a)為CCD視頻輸出圖像;圖5(b)為CCD表面損傷情況。繼續提高到達CCD靶面的能量，發現損傷造成的白色亮線變寬。

圖5 飛秒激光對CCD線損傷后的CCD視頻輸出圖像及顯微照片Fig.5 Video image and microtopography of CCD after line damage

用萬用表測量水平轉移時鐘線間及其與地間的電阻，在一定允許誤差下與損傷前完好CCD的對應電阻值比較，未發現電阻有明顯變化(測量電阻時CCD仍在電路板上);但發現垂直轉移時鐘線間及其與地間的電阻發生了明顯的變化，CCD線損傷前后的電阻值如表1所示:V1、V2、V3、V4為CCD芯片的垂直轉移時鐘信號輸入引腳;GND為CCD芯片上的地引腳。

表1 垂直時鐘線間及與地間的電阻值Table 1 Resistance values between vertical clock lines and the ground

4.3 全靶面損傷

當能量密度增大到5.91 J/cm2時，飛秒脈沖激光輻照后整個CCD視頻輸出圖像變白，數分鐘過后，CCD仍無法成像，說明CCD已被永久損傷。用顯微鏡觀察CCD表面，損傷情況如圖6所示。用萬用表測量水平轉移時鐘線間及其與地間的電阻，在一定的誤差允許下與損傷前完好CCD的對應電阻值比較，未發現電阻有明顯變化(測量電阻時CCD仍在電路板上)，但發現垂直轉移時鐘線間及其與地間的電阻發生了明顯的變化，CCD全靶面損傷前后的電阻值如表2所示。

圖6 飛秒激光對CCD全靶面損傷后的CCD視頻輸出圖像Fig.6 Video image of CCD after whole target surface damage

表2 垂直時鐘線間及與地間的電阻值Table 2 Resistance values between vertical clock lines and the ground

4.4 實驗結果分析

在能量的增加過程中，觀察到了同連續激光輻照和納秒脈沖激光輻照相同的實驗現象，首先出現像元飽和、串擾和全屏飽和現象，然后是點損傷和線損傷，最后CCD被完全破壞，無法成像。實驗測得飛秒脈沖激光損傷CCD的點損傷閾值為151.2 mJ/cm2(出現白斑時認為是點損傷)，對比參考文獻［1］和［8］，小于納秒脈沖激光損傷數據(～1 J/cm2)。

在點損傷后，利用萬用表測量轉移時鐘線間及其與地間的電阻，通過與損傷前完好CCD的電阻值比較發現:點損傷沒有使CCD芯片的時鐘線間及時鐘線與地間的電阻值發生變化。通過圖2右側CCD表面的損傷情況可以看出，點損傷時破壞了CCD表面的第一層;點損傷后，其它部位依然可以正常成像，可以推斷點損傷只是破壞了損傷部位的像元。通過表1可以看出，線損傷時水平轉移時鐘線間及其與地間的電阻值基本沒有發生變化，而垂直轉移時鐘線間及其與地間的電阻值明顯變小。通過圖4可以看出，線損傷時CCD表面的第一層已經完全脫落，內部的網格已經暴露出來。可以推斷線損傷時CCD的表面已經因為飛秒激光脈沖的輻照造成了電荷轉移電路的短路或斷路，致使垂直轉移時鐘線間及其與地間的電阻值明顯變小。線損傷時，除了白色亮線無法成像外，其余部分仍然可以成像，由此可知線損傷只是破壞了損傷部位的像元及其所在的電荷轉移電路，并沒有對其它部位的成像產生影響。全靶面損傷后，通過表2可以看出水平轉移時鐘線間及其與地間的電阻值基本沒有發生變化，而垂直轉移時鐘線間及其與地間的電阻值明顯變小。說明在飛秒激光脈沖的輻照下，垂直轉移電荷電路出現了短路或斷路，致使垂直轉移時鐘線間及其與地間的電阻值明顯變小。從圖5可以看出，全靶面損傷時CCD表面至少損壞到了第三層，第一層下面的網格也已經被破壞，破壞的程度比線損傷更加嚴重，已經使整個CCD像元的電荷儲存和轉移無法正常完成，導致CCD無法正常成像。

5 結論

本文利用脈寬為100 fs的飛秒激光對Sony公司ICX055AL型號的行間轉移型CCD探測器進行單脈沖損傷實驗，實驗中發現了與納秒脈沖激光損傷過程相同的損傷現象。實驗測得點損傷(剛出現白斑時)閾值為151.2 mJ/cm2，線損傷閾值為508.2 mJ/cm2，全靶面損傷閾值為5.91 J/cm2。實驗中測得線損傷和全靶面損傷CCD的垂直轉移時鐘線間及其與地間的電阻值變小，說明損傷部位的像元已經被破壞，像元所在的電荷轉移電路間及其與地間的電路發生了短路或斷路。當能量密度超過5.91 J/cm2時，CCD被嚴重損壞，電荷無法正常儲存和轉移，致使CCD無法成像。

［1］ ZHANG C Z，BLARRE L D，WALSER R M，et al..Mechanism for laser-induced functional damage to silicon charge-coupled imaging sensors［J］.Appl.Opt.，1993，32(27)：5201-5210.

［2］ 鐘海榮，陸啟生，文鐵峰，等.激光輻射CCD的破壞機理分析［J］.強激光與粒子束，1988，10(4):537-542.ZHONG H R，LU Q SH，WEN T F，et al..Review on the laser-induced damagemechanism of CCD detector［J］.High Power Laser and Particle Beams，1988，10(4):537-542.(in Chinese)

［3］ 倪曉武，陸建，賀安之.激光對CCD器件破壞時幾種閾值的測量［J］.激光技術，1994，18(3):153-156.NI X W，LU J，HE A ZH.Measurement of laser damaging thresholds of CCD devices［J］.Laser Technology，1994，18(3):153-156.(in Chinese)

［4］ 鐘海榮，劉天華，陸啟生.激光對光電探測器的破壞機理研究綜述［J］.強激光與粒子束，2000，12(4):423-428.ZHONG H R，LIU T H，LU Q SH.Review on the laser－ include damage mechanism study of photoelectric detector［J］.High Power Laser and Particle Beams，2000，12(4):423-428.(in Chinese)

［5］ 江繼軍，羅福，陳建國.CCD在fs激光輻照下的損傷研究［J］.強激光與粒子束，2005，17(4):515-517.JIANG J J，LUO F，CHEN J G.Research on femtosecond laser induced damage to CCD［J］.High Power Laser and Particle Beams，2005，17(4):515-517.(in Chinese)

［6］ 郭少鋒，程湘愛，傅喜泉，等.高重復頻率飛秒激光對面陣CCD的干擾和破壞［J］.強激光與粒子束，2007，19(11):1783-1786.GUO SH F，CHENG X A，FU X Q，et al..Failure of array CCD irradiated by high － repetitive femto-second laser［J］.High Power Laser and Particle Beams，2007，19(11):1783-1786.(in Chinese)

［7］ 黃紹艷，張永生，唐本奇，等.500 fs超短脈沖激光對CCD探測器的破壞效應［J］.強激光與粒子束，2005，17(10):1145-1148.HUANG SH Y，ZHANG Y SH，TANG B Q，et al..Damage effect on CCD detector irradiated by 500 fs laser pulse［J］.High Power Laser and Particle Beams，2005，17(10):1145-1148.(in Chinese)

［8］ 姜楠，張雛，牛燕雄，等.脈沖激光輻照CCD探測器的硬破壞效應數值模擬研究［J］.激光與紅外，2008，38(10):1004-1007.JIANG N，ZHANG CH，NIU Y X，et al..Numerical simulation of pulsed laser induced damage on CCD arrays［J］.Laser Infrared，2008，38(10):1004-1007.(in Chinese)

［9］ TIEN A C.Ultrafast electron dynamics in femtosecond laser dielectric breakdown［D］.Ann Arbor:University of Michigan，1999.

［10］ 蔡躍，葉錫生，馬志亮，等.170 ps激光脈沖輻照可見光面陣Si-CCD的實驗［J］.光學 精密工程，2011，19(2):457-462.CAI Y，YE X SH，MA ZH L，et al..Experiment of 170 ps laser pulse irradiation effect on visible plane array Si-CCD［J］.Opt.Precision Eng.，2011，19(2):457-462.(in Chinese)

［11］ 李文煜，王金寶，程湘愛，等.激光對面陣CCD器件破壞的一種新機理［J］.強激光與粒子束，2005，17(10):1457-1460.LI W Y，WANG J B，CHENG X A，et al..New analysis on laser-induced damage mechanism of array CCD device［J］.High Power Laser and Particle Beams，2005，17(10):1457-1460.(in Chinese)

［12］ 沈紅斌，沈學舉，周冰，等.532 nm脈沖激光輻照CCD實驗研究［J］.強激光與粒子束，2009，21(10):1449-1454.SHEN H B，SHEN X J，ZHOU B，et al..Experimental study of 532 nm pulsed laser irradiating CCD［J］.High Power Laser and Particle Beams，2009，21(10):1449-1454.(in Chinese)