皮秒激光對電荷耦合器件多脈沖損傷效應研究

邵俊峰，劉陽，王挺峰，郭勁

(1. 中國科學院 長春光學精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;3. 北方電子設備研究所，北京100191)

0 引言

電荷耦合器件(CCD)的光電系統廣泛應用于工業、國防領域，但是CCD 極易受到激光的干擾與破壞而無法正常工作，因此開展激光對CCD 探測器件的干擾及破壞機理研究具有重要意義。國外系統地開展了激光輻照探測器件相關的研究［1-2］，并對硅材料的激光損傷開展了相關研究［3-5］。國內，近年來也在不同激光對各種類型探測器件的干擾閾值、損傷閾值及致盲閾值等方面開展了大量實驗和理論分析工作［6-10］。郭少峰等［6］指出CCD 在飛秒激光作用下與納秒激光相比，沒有更多新現象。沈紅斌等［7］指出CCD 在單脈沖激光作用下器件功能性失效機理由垂直轉移電路之間的短路引起。理論方面，姜楠等［8］利用有限元方法分析了脈沖激光輻照CCD 多層結構的熱應力分布。目前，對激光多脈沖累積造成器件功能性損傷的論文報道仍然較少。本文旨在分析重頻皮秒激光對CCD 的損傷效應和機理。開展了8.0 ns、1.5 ns、400 ps 3 種脈沖寬度的單脈沖或多脈沖激光對CCD 的損傷效應研究。對單脈沖、多脈沖激光導致器件功能性失效的機理進行了初步分析，并重點討論脈沖寬度、重頻等因素的影響。

1 實驗方法

為研究皮秒激光對CCD 多脈沖損傷效應和機理，建立了基于電動轉臺的實驗測試平臺。通過調整電動轉臺的轉速實現多種脈沖寬度、重頻等條件下的單脈沖和多脈沖損傷測試。

對損傷效應和機理進行分析需要獲得較為精確的損傷閾值數據，需保證:1)到靶能量的準確測量。該方面可通過監視光路方式實現，實驗中使用同一廠家Ophir 功率計，其精度為±3%;2)到靶光斑尺寸的準確測量。根據激光傳輸變換理論，激光通過光學系統的光斑尺寸與光學系統焦距F、口徑D、光學系統離焦特性、激光束腰位置、波長λ、激光發散角θ 等因素密切相關，其光斑直徑范圍可從衍射極限2.44λF/D(微米量級)一直變化到Fθ(幾十至百微米)，光斑面積變化可達100 倍以上。因此，對到靶光斑尺寸進行準確測量至關重要。

1.1 實驗方案與儀器設備

實驗系統由激光器系統、面陣相機成像系統(含光學鏡頭)和高速轉臺組成，如圖1所示。激光器與光學系統之間的距離固定為2.5 m. 首先，使電動轉臺靜止，調整激光器的擺放使激光指向光學系統入瞳，然后調整成像系統使激光器位于成像系統視場內，從而保證激光脈沖能夠到達CCD 靶面。記錄弱激光條件下到達CCD 靶面光斑分布。進行多脈沖激光實驗時，開啟電動轉臺控制入瞳激光到達探測器面的交匯時間，然后不斷提高到達成像系統脈沖激光的脈沖能量，記錄CCD 從點損傷、線損傷直至功能失效的全過程。

圖1 損傷閾值測試方法Fig.1 Test equipment of laser damage threshold

實驗中使用了脈沖寬度分別為8.0 ns、1.5 ns、400 ps共3 臺綠光激光器。其中，8.0 ns 固體激光器波長532 nm，發散角為5.5 mrad，光束質量M2為16，最大單脈沖能量18 mJ，單脈沖外觸發輸出;1.5 ns固體激光器波長532 nm，發散角為1.5 mrad，光束質量M2為1.1，可實現單脈沖外觸發、3 kHz 高重頻輸出，在3 kHz 條件下最大輸出功率達10 mW;400 ps光纖激光器波長533 nm，激光發散角為4.1 mrad，光束質量M2為5.0，重頻12 kHz(無法實現單脈沖輸出)，最大輸出功率250 mW. 實驗中使用的相機為Wat-902B 型黑白模擬輸出相機，其光電成像器件為高靈敏度的Sony ICX419AL 行間轉移型標準1/2 英寸芯片，尺寸6.5 mm×5.9 mm，像元尺寸:高8.6 μm，寬8.3 μm. 芯片共20 管腳，垂直轉移電路采用4 路高低電平實現，水平轉移電路采用兩路高低電平實現。實驗中光學系統焦距F =50 mm、F/2.8，實驗測定在532 nm、533 nm 處的光學透過率為0.770.所用高速電動轉臺轉速可達1 000°/s，實驗中固定轉速201°/s，以保證不同重頻下激光與相機具有相同的交匯時間。能量計Ophir PE-9、PE-50 靈敏度為納焦，功率計Ophir 3W 靈敏度能達到10 μW.

1.2 光斑尺寸計算

這里利用二階矩方法直接測量到達受試光學系統的到靶光斑。二階矩范圍內的光斑能量占比為86.5%，其定義為4 倍的能量分布標準差(x、y 方向獨立計算)。

式中:dσx、dσy分別為x、y 方向光斑尺寸的直徑;σ 為光斑能量分布的標準差。

標準差由激光能量分布的方差計算得到。方差的計算公式為

以實驗中的一次具體過程給出計算過程。首先利用Matlab 軟件提取出聚焦光斑的像素灰度值(均按照11×11 像元提取)，如圖2所示。

圖2 光斑像素提取Fig.2 Energy distribution DN read-out

多次測量計算結果如表1所示。其中前3 組數據中心灰度值較接近，相互之間誤差較小為6%;但是最小灰度值57 與最大灰度值159 相比，相對誤差為14%. 因此，選取不同中心灰度值測試結果存在一定誤差。采用多組數據算數平均的方法獲得光斑x、y 方向半徑分別為9.36 μm、9.93 μm. 光斑半徑計算誤差為水平方向9%、垂直方向8%.

表1 到靶光斑尺寸測量記錄Tab.1 The laser radius on CCD surface

根據夫瑯和費衍射理論，到靶光斑尺寸δ 為焦距F 與激光發散角θ 之積。即

對8 ns 激光激光發散角為5.5 mrad，光學系統F=50 mm，多次測量算數平均值為0.345 mm. 利用Spiricon 光束質量分析儀(測試精度±5%)測得靶光斑尺寸為0.275 mm. 因此，理論值與實驗值的誤差為20.3%. 損傷閾值定義Dth(J/cm2)為

文中實驗方法誤差大，但具有克服同步測試難題的優勢。對于光斑的測試，較為精確的方法是采用光束質量分析儀。商用光束質量分析儀測試精度一般為5%. 光束質量分析儀雖然較為精確，但卻不能解決同步測量的問題。由于要損傷的器件是Wat-902B 型CCD，采用光束質量分析儀測量光斑之后更換成Wat-902B 型CCD 光斑尺寸可能會大幅變化。光斑尺寸對光學系統后截距特別敏感，輕微調焦后光斑直徑范圍可從衍射極限2.44λF/D(微米量級)可變化到Fθ(幾十至百微米)，導致光斑面積變化可達100 倍以上。因此，光束質量分析儀測光斑方法并不適合這種場合下的應用。

該方法將受試對象CCD 同時作為測量器件和受試對象，能夠避免更換測量器件光斑測試問題，能夠把系統誤差從2 個數量級降低到43%以內，測試精度有了質的提高。分析可知，該方法誤差包括以下兩個主要因素:1)該型號CCD 像素特征尺寸為8.3 μm，而光束質量分析儀使用的CCD 的像素尺寸一般為3 ～4 μm，分辨率的降低將引入較大的誤差;2)該型號CCD 為普通模擬相機，其精度遠低于經過仔細標定的光束質量分析儀，受試對象自身的像素不均勻性缺陷導致較大的誤差，由此導致的實驗誤差較大。實驗結果表明，激光多脈沖損傷積累損傷與單脈沖損傷閾值之間的區別顯著。

2 實驗結果

本文對“點、線、器件功能性失效(致盲)”定義與公開報道一致［9］，點損傷表現為CCD 單元像素或局部小區域內像素損傷，線損傷表現為CCD 垂直方向表現為若干列垂直轉移方向像素損傷，而功能性失效表現為器件全部像素無法正常成像。實驗過程以1.5 ns、3 kHz、532 nm 多脈沖激光作用為例，到靶激光能量密度8 mJ/cm2時在探測器靶面出現一條水平線，該永久性損傷水平線由多個點損傷相連造成，如圖3(a)所示。隨著到靶能量密度進一步提高至16 mJ/cm2，CCD 左1/4 位置出現了線損傷(見圖3(b)所示)。隨著能量密度進一步提高至49 mJ/cm2，器件大面積無法成像，相機重啟后仍然無法恢復，此時器件出現功能性失效(致盲)。但從圖3(c)可知，器件并未出現全白或者全黑的現象，背景隱約成像，表明器件的垂直和水平轉移電路仍然能正常工作。在400 ps、12 kHz、533 nm 多脈沖激光作用下具有完全相同的損傷過程。

表2給出了損傷閾值測試實驗結果。1.5 ns 與8.0 ns 激光作用下面陣相機的單脈沖致盲閾值基本相同，為470 ～800 mJ/cm2;高重頻條件下的器件功能性失效閾值比單脈沖條件下顯著下降，至24 ～49 mJ/cm2.損傷閾值表現為范圍值，原因在于材料損傷具有隨機性特性，這一方面已經有報道［11］，國際標準ISO 11254也對材料損傷閾值及隨機特性處理進行了詳細定義?？紤]到實驗樣品有限造成致盲數據較少，難以在低成本基礎上獲得極為準確的閾值數據，但能夠保證數量級上的準確性。

3 損傷機理分析

圖3 1.5 ns、3 kHz、532 nm 激光對Wat-902B 型CCD 的損傷過程記錄Fig.3 The damage process of 1.5 ns/3 kHz/532 nm laser on Wat-902B CCD

表2 脈沖激光對Wat-902B 型CCD 相機損傷閾值Tab.2 The damage threshold of ultra-short pulse laser on Wat-902B CCD

1.5 ns與8.0 ns激光作用下，面陣相機的單脈沖致盲閾值基本相同，為470 ～800 mJ/cm2，考慮到實驗誤差為43.3%，調整為263 ～1 146 mJ/cm2;高重頻條件下的致盲閾值為24 ～84.5 mJ/cm2，考慮到損傷閾值單脈沖致盲閾值范圍調整為13.6 ～121 mJ/cm2. 實現單脈沖損傷的最小值為實現高重頻脈沖損傷最大值的2.1 倍，中位數更達到10.5 倍?？梢姡嗝}沖器件功能性失效存在顯著的損傷積累效應。

3.1 單脈沖器件功能性失效機理

采用8.0 ns、532 nm 激光單脈沖致盲Wat-902B時，能量密度增大到0.470 ～0.758 J/cm2時，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 已被完全損壞。測量水平轉移時鐘線間及其與地間的電阻，與損傷前完好CCD 的對應電阻值作比較，未發現電阻有明顯變化。而測量發現垂直轉移時鐘線間及其與地間的電阻則發生了明顯的變化，CCD 全靶面器件功能性失效前后的電阻值如表3所示，其中:Vi(i =1，2，3，4)為CCD 芯片垂直轉移時鐘輸入引腳);NC 為正常狀態;FD 為功能性損傷。

表3 垂直時鐘線間的電阻值Tab.3 Resitance between vertical tranfer lines MΩ

CCD 全靶面功能失效后，水平轉移時鐘線間及其與地間的電阻值未發生顯著變化，而垂直轉移時鐘線間及其與地間的電阻值顯著變小，由23 MΩ 變為50 ～57 kΩ. 說明在皮秒激光脈沖的輻照下，垂直轉移電荷電路V2、V4出現了短路或斷路。這一結論與公開報道的納秒激光損傷過程相同［7］，即硅電極短路是CCD 功能性失效的原因。

3.2 多脈沖器件功能性失效機理

1.5 ns、3 kHz 激光到靶能量密度達到24 ～49 mJ/cm2時，CCD 已經無法成像，如圖3(c)所示。但后端采集圖像和電子學測試表明，此時垂直轉移電路電極并未發生損傷。同時，該閾值(24 ～49 mJ/cm2)與實驗獲得的線損傷閾值(16 ～25 mJ/cm2)相當。因此，功能性損傷歸結為多條線損傷的疊加效應而不是多個脈沖作用到CCD 靶面同一位置的積累效應。不過，隨著能量密度進一步提高(≥84.5 mJ/cm2)，顯然仍可發生垂直電路電極短路的現象。

1.5 ns、3 kHz 高重頻激光入射時不存在多個脈沖同時作用到靶面同一位置的現象。原因在于:在轉臺轉速201°/s 時，CCD 靶面水平方向的長度為6.5 mm，到靶光斑水平方向直徑為21.6 μm，在交匯時間37 ms 內到達探測器的脈沖個數為111 個，每個脈沖之間的距離為58 μm. 理論計算和實驗點損傷測試均表明光斑之間確實存在間隙。400 ps、12 kHz高重頻激光入射時，存在兩個脈沖作用到CCD 靶面同一位置的現象。CCD 靶面水平方向的長度為6.5 mm，到靶光斑水平方向直徑為20.0 μm，激光重頻12 kHz，在交匯時間37 ms 內到達探測器的脈沖個數為444 個，每個脈沖之間的距離為14.6 μm. 可見，任意兩個脈沖之間均有一部分重疊區域。但是在以上兩種情況下3 kHz 與12 kHz 的高重頻損傷閾值數據相當，脈沖重疊作用到CCD 靶面同一位置并沒有造成損傷閾值進一步地顯著降低?？赡茉蚴怯捎诓煌}沖之間的間隔較長(≥80 μs)，不足以造成損傷熱積累。

實驗中獲得了兩組損傷效果對照結果(單脈沖條件下8.0 ns 與1.5 ns 對照;多脈沖條件下1.5 ns、3 kHz與400 ps、12 kHz 對照)。傅里葉熱力學理論表明，對于納秒到長皮秒脈沖寬度(≥20 ps)，材料熱損傷貢獻占主要部分，并且損傷閾值Dth與脈沖寬度τ 的關系為Dth∝τ1/2，因此，單脈沖入射條件下，1.5 ns激光對應各種損傷閾值應低于8.0 ns 激光;而多脈沖入射條件下400 ps 激光對應各種損傷閾值應低于1.5 ns 激光。但實驗中存在誤差(特別是存在光斑尺寸誤差)，這種趨勢未能夠明顯體現。仍然有可能拓展本文采用測試方法的使用范圍已進一步解決器件層次的熱損傷機理，可行辦法可能包括:1)對受試對象CCD 的像素灰度響應進行均勻性標定，提高其空間響應均勻性，進而降低其誤差;2)通過平行光管成像實驗標校的方法，固定光學系統后截距的位置，從而利用激光束腰、激光瑞利距離內的拋物線特征提高束腰位置的定位精度等。

4 結論

本文開展了短納秒和皮秒激光對行間轉移Wat-902B 型CCD 的損傷實驗研究，并對損傷機理進行了分析。實驗結果表明，考慮到43.3%的實驗誤差，1.5 ns、3 kHz、532 nm 高重頻激光對CCD 的功能性損傷閾值13.6 ～71.0 mJ/cm2，400 ps、12 kHz、533 nm 激光對CCD 的功能性損傷閾值28.5 ～121.0 mJ/cm2，顯著小于8.0 ns 和1.5 ns 的單脈沖器件功能性損傷閾值(263 ～1 146 mJ/cm2)。單脈沖全靶面損傷機理歸結為電極間的短路;而多脈沖激光器件功能性失效機理與單脈沖損傷顯著不同，表現為線損傷的積累過程。通過采用一定技術途徑進一步提高損傷閾值測試精度，深入研究脈寬效應、高重頻激光熱積累損傷效應機理問題是下一步的工作重點。

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