星載激光器對HgCdTe探測器的干擾損傷研究

任曉東，雷武虎

(1.脈沖功率激光技術國家重點實驗室，安徽 合肥 230037；2.安徽省電子制約技術重點實驗室，安徽 合肥 230037)

0 引言

2017年5月31日，美國攔截洲際彈道導彈的導彈防御測試取得了成功。美國五角大樓的導彈防御局局長敘林中將說：“能夠成功攔截一個復雜的、而且有著巨大威脅的洲際彈道導彈目標，這是一項驚人成就。”攔截彈道導彈，尤其是洲際導彈，是一個復雜的系統工程，需要動用陸基、海基、空中和天基等設備來協同完成。在導彈攔截過程中，天基紅外系統[1](SBIRS)在探測、發現、跟蹤、鎖定導彈目標的過程中發揮了關鍵性作用，其關鍵技術和特點是采用了雙波段高速掃描探測器和高分辨率凝視型探測器(24000光敏元凝視焦平面陣列)。其中的紅外探測器主要為HgCdTe探測器。

紅外探測器是預警衛星的關鍵部件，同時也是最易受到干擾的部件。由于光電探測器是一種弱光探測系統，且光學系統對工作波段內激光具有很大的光學增益，因此可以通過激光輻照對抗的手段來實現對星載紅外探測器的干擾和破壞。當探測器響應率下降2個數量級時認為激光對探測器形成了有效的瞬時干擾[2]。當探測器表面發生熔融時認為激光對探測器形成了永久損傷。Arora[3]研究得出結論：當探測器溫升為70℃時響應率下降2個數量級；探測器溫升720℃達到熔點993K時，HgCdTe達到熔點開始融化，探測器徹底損壞。基于此，開展了星載激光對HgCdTe紅外探測器的干擾、損傷研究。

1 激光干擾探測器的解析推導

1.1 激光體制的選擇

首先激光波長應該在探測器的響應波段內。在激光體制選擇方面，激光有連續輸出狀態和脈沖工作狀態。連續狀態是指從激光器開啟直到激光器關閉，激光光束無間歇地連續不斷地輸出。脈沖工作狀態指的是激光器開啟后只在一定的時間間隔內有能量輸出，其余時間均無激光輸出；或者每隔一段時間輸出一束光束，相當于發射了一串脈沖。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遠大于連續激光的功率，甚至能達到幾千倍。柯常軍[4]研究表明，在相同平均功率密度條件下，高重頻脈沖激光對探測器的損傷效果遠遠大于連續激光。因此選擇脈沖激光能更容易實現對探測器的干擾損傷。同時考慮到[5]星載探測器是高速運動的，激光束在探測器上駐留時間短，對于掃描型探測器更是如此，因此為了保證在短暫的駐留時間內能有更多的激光脈沖輻照到探測器上，對抗載荷可采用高重頻脈沖激光器作為干擾源。

1.2 激光干擾遠場能量估計

針對星載激光，首先估計激光遠場光斑尺寸，設激光光束發散角為θ，則：

(1)

式中，θy為衍射發散角，可表示為：

θy=1.22(λ/D0)β

(2)

式中，β為光束質量因子，λ為激光波長，D0為激光發射口徑。θd為激光光源抖動引起的發散角。

通常可以假設：

θd=θy/2

(3)

假設激光器對準探測器，激光器距離星載紅外探測器的距離為L，激光束到達星載紅外探測器表面處的光斑直徑為D，則：

D≈Lθ

(4)

從而得到垂直于探測器表面的激光光斑面積St為：

(5)

在仿真中假設激光對準探測器表面[6]，光斑中心與探測器中心重合。則探測器表面被激光完全覆蓋，覆蓋面積即為探測器表面積，記為S，則：

(6)

式中，D1為探測器口徑。

設激光器的輸出功率為P0，則入射到衛星探測器表面的激光能量P1為：

P1=0.9P0S/St

(7)

式中,0.9為過程因子。入射到探測器表面的激光能量還要經過光學系統才能入射到探測器的光敏面，設光學系統的透過率為τ2，Airy斑第一暗環內部的激光能量占入射總能量的百分比為83.8%。設P2為最后入射到探測器光敏面的激光能量，則：

P2=0.838τ2P1

(8)

設激光在探測器光敏面的直徑為d1，則激光在探測器光敏面形成的光斑面積Sφ表示為：

(9)

根據文獻[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為光學系統焦距。

從而得到最終到達天基紅外系統紅外探測器光敏面的激光功率密度P3為：

P3=P2/Sφ

(12)

令P3等于相應的干擾、損傷閾值功率密度就可以求得相應的參量。

1.3 HgCdTe探測器干擾損傷閾值分析

Bartoli建立了光伏型HgCdTe探測器的激光損傷模型[8-10]， 在遠場情況下假設激光垂直均勻輻照探測器光敏面，功率密度為P3，τ為激光脈沖寬度，即單脈沖輻照時間，z為距探測器表面的距離，T(z,τ)表示在距探測器表面z處、激光輻照τ時探測器的溫度。在探測器表面z=0時，激光輻照τ時探測器的溫升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，K為熱傳導系數，k為熱擴散系數，erfc(x)為補充糾錯函數，且有關系式k=K/ρc，ρ為材料密度，c為材料的比熱容，假設材料參數為常數(不隨溫度變化)。

構造常數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τ≤τ0時式(14)化簡為：

ΔT(0,τ)=α(1-R)P3τ/(ρc)

(15)

當τ≥τ0時式(14)化簡為：

ΔT(0,τ)=α(1-R)P3(ττ0)1/2/(ρc)

(16)

根據前文，令ΔT(0,τ)=ΔT干擾=70℃、ΔT(0,τ)=ΔT損傷=720℃時即可實現對探測器的干擾、損傷。

2 仿真結果及分析

在仿真中假定探測器為8～14μm波段HgCdTe探測器，激光器波長λ=10.6μm，脈寬τ=240ns，重頻為1kHz，光束質量因子β=3，激光器發射口徑D0=2cm，根據查閱的天基紅外系統紅外探測器的資料數據，設定探測器光學系統口徑D1=0.5m，探測器光學系統透過率τ2=0.86，探測器光學系統焦距f=1m，HgCdTe密度ρ=7.6kg/cm3，HgCdTe反射系數R=0.31，HgCdTe吸收系數α=1000/cm，HgCdTe比熱容c=150J/kgK，熱擴散率k=0.01cm2/s。當激光器距探測器的距離L=150km時，聯立公式(1)～(14)仿真計算了激光器輸出功率P0與探測器溫升ΔT之間的關系，如圖1所示。

圖1 激光器輸出功率與探測器表面溫升之間的關系 (L=150km)

從圖1中可以看到，探測器光敏面溫升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P0=1kW時溫升ΔT約為70℃，從而能實現對探測器的干擾，當P0=10.4kW時，探測器溫升為720℃達到熔點，從而實現對探測器的損傷。

在激光器輸出功率為固定值P0=1kW情況下，仿真計算了探測器光敏面溫升ΔT與激光器和探測器距離L之間的關系曲線。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，探測器光敏面的溫升近似成指數下降。在L=150km時溫升約為ΔT=70℃,從而實現干擾。當L=46km時溫升ΔT=734℃>720℃,實現損傷。

圖2 激光器、探測器間距離與探測器表面溫升之間的關系 (P=1kW)

3 結束語

本文研究表明，通過合理地設置高重頻脈沖激光的輸出功率以及實施干擾損傷的作用位置和距離，可以實現對HgCdTe紅外探測器的干擾、損傷，為星載脈沖激光干擾損傷探測器提供一定的參考。■

[1] 高桂清，向進，李勇翔，等.激光對天基紅外系統預警衛星光電探測器的干擾效能研究[J].激光與紅外，2010，40(2)：174-177.

[2] 張英遠，鄭榮山,劉勁松.脈沖激光對星載探測器的干擾和損傷分析[J].電子與信息學報，2006，28(9)：1759-1761.

[3] Arora VK，Dawar AL. Effect of laser irradiation on theresponsivity of HgCdTe detectors[J]. Infrared Physics &Technology，1996，37：245-249.

[4] 柯常軍，萬重怡. 紅外光電探測器的激光損傷分析[J].光學技術，2002，28(2)：118-122.

[5] 王世勇.激光對 C C D 探測器干擾損傷的研究及模糊評估[D].北京：中國科學院研究生院，2002.

[6] 何中柱，張占月，王宏新，等.掃描型星載光電探測器激光干擾建模與仿真[J].現代電子技術，2012，35(20)：106-108.

[7] 鄭玉翔，陳良堯.近代光學[M].北京：電子工業出版社，2011.

[8] Bartoli F，Esterowitz L，Kruer M，et al. Thermal modelling of laser damage in 8～14μm HgCdTe photoconductive and PbSnTe photovoltaic detectors[J].Appl. Physics，1975，46(10):4519-4525.

[9] Kruer M，Esterowitz L，Bartoli F，et al. Thermal analysis of laser damage in thinfilm photoconductors[J]. Appl. Physics，1976，47(8):2867-2874.

[10] Bartoli F，Esterowitz L，Allen R，et al.A generalized thermal model for laser damage in infrared detectors[J]. Appl. Physics，1976，47(8):2875-2882.