大功率激光對CCD探測器損傷研究

程相正,邵 銘,曲衛東,邵俊峰,李武周,范 瑜

(1.中國人民解放軍63891部隊,河南 洛陽 471003;2.光電對抗測試評估技術重點實驗室,河南 洛陽 471003;3.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033)

1 引 言

自1960年第一臺激光器問世,激光在軍事領域的應用研究即隨之展開,各種軍用激光技術應運而生[1]。近年來,隨著激光技術的發展,大功率激光武器成為各國研究的熱點[2-3]。大功率激光武器通過對光電制導觀瞄裝備的探測器實施致盲損傷,從而達到降低敵作戰能力的目的[4]。CCD探測器具有成像分辨率高、功耗和成本低、靈敏度高、動態范圍大等特點,廣泛應用于光電觀瞄、光電制導等軍事領域[5-6]。利用激光破壞CCD探測器的成像性能,是軍事競爭雙方削弱對方戰斗力的重要手段之一。

激光對CCD的干擾損傷效應研究是近期研究熱點。譚群[7]、袁航[8]、聶勁松[9]、易瑔[10]等學者開展了激光輻照CCD、TDI-CCD相機干擾損傷效應機理進行了仿真分析,建立了激光輻照CCD探測器的數學模型,利用有限元法分析了1.06 μm激光輻照CCD探測器中的溫度和應力分布。但已有研究尚未分析連續激光損傷CCD多層結構的時間演化規律,尚未開展連續激光對CCD探測器損傷實驗對仿真模型進行驗證。本文選用波長為1080 nm的典型大功率連續激光,針對大功率激光輻照可見光成像探測器損傷機理,建立了連續激光對CCD探測器熱效應損傷模型,仿真分析了連續激光損傷CCD多層結構的時間演化規律,開展了連續激光對CCD探測器損傷實驗,分析了CCD探測器各層熔融情況,對模型仿真與損傷實驗結果進行了對比,并分析了存在差異的原因。

2 連續激光對CCD探測器損傷模型仿真

2.1 連續激光對CCD探測器熱效應損傷模型

典型CCD探測器結構如圖1所示,按入射光線方向組成材料依次為微透鏡層、金屬遮光Al膜層、SiO2增厚層、Si電極層、SiO2絕緣層、基底Si層[10],其中構成微透鏡的主要材料為聚酰亞胺PI。PI及SiO2對1080 nm的激光吸收率幾乎為0,激光能量被微透鏡通過金屬層開口聚焦到基底Si表面,金屬Al層不受激光輻照,基底Si對1080 nm激光有較強的吸收率[11]。因此,可以將激光輻照CCD看成是CCD基底Si上加了一個熱源。基于這種思想,對CCD探測器熱效應損傷模型進行簡化。

圖1 典型CCD探測器結構

連續激光損傷機理主要為熱效應,可根據熱傳導理論模擬連續激光與CCD相互作用的過程。對于CCD探測器層狀材料,熱傳導方程為:

Q(i=1,2,…)

(1)

式中,Ti(x,y,z,t)、ρi、ci、ki分別表示CCD第i層溫度場分布、材料密度、比熱容、熱傳導率;Q為沉積在基底硅層的激光體熱源。

邊界條件為:

(2)

初始條件為:

?T(x,y,z,t)|t=0=T0

(3)

其中,T0為初始溫度;假設為298 K。

各層材料之間滿足溫度連續及熱流平衡條件材料均勻且各向同性,材料的各熱學和力學參數不隨溫度的升高而變化,取為常數,則材料的熱力學參數見表1。

表1 材料的熱力學參數

由于PI、SiO2層對1080 nm激光的吸收系數很小,認為不吸收光能,故沉積在基底Si層的激光能量為:

Q=I0α(1-R)fSi(x,y)g(t)exp(-αz)

(4)

式中,I0為入射激光功率密度;硅層的吸收系數α為800 cm-1;反射系數R約為0.33;fSi(x,y)為沉積在Si層的激光能量空間分布;g(t)為激光能量時間分布。

2.2 損傷模型仿真結果

基于1080 nm激光輻照CCD探測器熱效應損傷模型,固定激光輻照時間400 ms,設置的激光半徑為5 μm,能量分布滿足高斯分布,利用COMSOL Multiphasic軟件對CCD瞬態溫度場和應力場進行數值模擬,分析連續激光損傷CCD多層結構的時間演化規律。

t=0時刻,激光開始輻照探測器,光斑中心位置開始升溫,但溫升幅度非常小。熱源加載到基底Si層,由于Si對1080 nm連續激光的吸收系數很小,材料層厚度很薄,因此激光對Si的穿透力很強,此時還沒有出現明顯的熱傳遞現象,如圖2所示。

圖2 t=0時刻CCD內部熱力學表面分布

從圖2可以看出,除了光斑中心區域,其他區域材料的溫度基本沒有變化,非常接近初始值溫度293.15 K。全域應力最大值為7.1×103N/m2,位置出現在SiO2和Si接觸面附近,最大位移為1.7×10-7μm,位置出現在SiO2層。因此,在初始時刻全域基本沒有溫升和熱傳遞發生,內部沒有大的應力和位移形變。

時間t=160 ms時刻,模型全域最高溫度達到721 K,最低溫度超過720 K。最低溫度出現在PI層,其已經熔化,但是PI層以外區域溫度均未達到熔點因此并沒有發生熔化,如圖3所示。

圖3 t=160 ms時刻CCD內部熱力學表面分布

時間t=240 ms時刻,模型全域溫度將近1000 K,超過了Al層的熔點,此時Al層發生熔化。從表面應力分布上來看,應力最大值出現在Al和SiO2層接觸的附近,達到了1.77×109N/m2,說明在此溫度下,模型內部已經出現了比較大的位移變形,如圖4所示。

圖4 t=240 ms時刻CCD內部熱力學表面分布

時間t=400 ms時刻,模型全域溫度達到1310 K,多晶Si和SiO2之間的應力值達到最大2.86×109N/m2,位移變形進一步擴大,但增長幅度有限,如圖5所示。因此,從t=240 ms到t=400 ms,內部主要是以熱傳導的方式繼續向周圍進行擴散,直到其他區域Al層和PI層的溫度超過熔點發生熔化。從仿真結果來看,探測器表面至少10×10像素范圍內的PI層和Al層達到熔點,出現熱燒蝕現象,已經到了面損傷層級,激光功率為1.45×106W/cm2,即1080 nm連續激光輻照可見光CCD探測器400 ms時的損傷閾值為1.45×106W/cm2。

圖5 t=400 ms時刻CCD內部熱力學表面分布

通過研究最高溫度變化曲線可以得到內部的傳熱關系。圖6為CCD模型各層結構在不同計算時間下的最高溫度,可以看出各層最高溫度隨時間呈線線性變化。因此可以判斷,如果激光繼續加載,那各層最高溫度將在此基礎上繼續線性變化。此外,可以看出各層之間最高溫度的差距較小,說明長時間照射導致內部升溫比較均勻,沒有出現大的溫差。

圖6 各層最高溫度隨時間變化曲線

圖7 各層最大應力隨時間變化曲線

圖8 各層最大位移隨時間變化曲線

從最大應力圖上看出,最大應力隨時間同樣呈現線性變化,最大應力在SiO2層,其次Al層,Si層和PI層應力最小。時間越長,溫度越高,應力差距越大。從最大位移圖上看出,最大位移隨時間呈現線性變化,最大位移出現在PI層,其次Al層,Si層的位移變形量基本為0,變化最小。

3 連續激光對CCD探測器損傷實驗

3.1 實驗布局及步驟

實驗選用光纖激光器輸出1080 nm連續激光對CCD探測器進行損傷實驗。光纖激光器的輸出激光功率30 W～3000 W,連續波(CW)單模輸出光,光束質量M2不大于1.2,功率不穩定性優于2 %。WAT-902b型CCD探測器光譜響應范圍0.4 μm～1.1 μm,像元數752×582,像元尺寸8 μm。實驗布局如圖9所示,分束鏡將一路激光導入功率計進行功率監測,另一路激光對CCD探測器進行直瞄式干擾,圖像采集處理系統實時采集和存儲CCD輸出圖像。實驗時,利用光開關固定激光輻照時間400 ms(與仿真一致),通過衰減片、格蘭棱鏡、半波片逐步增大到靶激光功率,完成了連續激光對CCD探測器損傷實驗。

圖9 損傷實驗布局圖

3.2 損傷實驗結果

逐步增大到靶激光功率,當功率密度增大至2.13×106W/cm2時,CCD探測器出現面損傷,輸出圖像如圖10所示。因此,可得CCD探測器實驗損傷閾值為2.13×106W/cm2。

圖10 CCD輸出圖像(面損傷)

金相顯微鏡下可以觀察到,CCD探測器燒蝕區域近乎圓形,直徑約為71 μm,如圖11所示。燒蝕邊緣區域主要是PI層出現熔融現象,但并不徹底。在越靠近燒蝕中心區域,燒蝕現象越嚴重,受到金相顯微鏡物鏡景深所限,不能夠進一步觀察清楚。

圖11 損傷形貌(金相顯微鏡)

在掃描電子顯微鏡下,可以明顯看清燒蝕后的內部結構,如圖12所示。燒蝕區域的最外層是不完全燒蝕的PI層,該層由于PI層熔化從而鋪滿整個的外層區域,此時最外層區域的像素分界線無法分辨。從形貌上看,PI層呈現明顯的中心向外的波浪形燒蝕形貌且較為平整,中心區域燒蝕形貌并不規則,燒蝕區域的中心層和外層存在明顯的分割線。

圖12 損傷形貌(掃描電鏡)

圖13 線元素分析結果

畫一條貫穿損傷區域的直線對燒蝕區域進行線分析,結果顯示燒蝕區域主要包含C元素、O元素和Si元素。在外層邊緣區域相較于中心區域C和O元素含量明顯更高,對應了燒蝕區域外層主要是不完全熔化后的PI層。燒蝕中心區域C和O元素含量明顯低,Si含量比較高,這是由于在中心區域PI層燒蝕后露出了內部材料,由于元素中不再包含Al元素,說明燒蝕中心區域,不光發生了PI氣化,遮光Al層也熔化后消失。Si元素的分布有所不同,除了在燒蝕中心區域會有明顯的強度分布,燒蝕外圍同樣有強度分布,這是由PI層燒蝕不完全,厚度降低,其下方的Si元素的強度增加所導致。

4 仿真與實驗結果比對

模型仿真和損傷實驗結果均表明,CCD探測器在損傷前,PI層都出現有大規模的燒蝕現象,金屬Al膜層均發生了融化。1080 nm連續激光輻照可見光CCD探測器400 ms時的仿真損傷閾值為1.45×106W/cm2,實驗損傷閾值2.13×106W/cm2,誤差約為31.9 %,驗證了仿真模型的科學性、準確性。

經分析,仿真與實驗損傷閾值存在偏差的原因主要有兩個方面:一方面,模型仿真時CCD各層材料比熱容、熱傳導率等參數均設定為常數,沒有考慮材料的參數隨溫度的變化,因而造成了一定的誤差。另一方面,雖然CCD的某層結構已經被損傷破壞,但實際損傷實驗時,該材料并未消失,仍然會對激光的輻照造成一定的影響,而模型仿真中,忽略了殘留物質對激光入射的影響。此外,仿真計算時,圓形激光光斑擴展后,模擬激光正面直接輻照;在實際的損傷實驗中,不能夠保證絕對精準的正面入射,因此實際燒蝕形貌并非絕對的的圓形。

5 結 論

本文主要以1080 nm連續激光輻照損傷CCD探測器為例,開展了模型仿真及損傷實驗。首先,基于CCD典型結構及各層材料特性,建立了連續激光對CCD探測器熱效應損傷模型,仿真模擬了CCD各層瞬態溫度場和應力場分布;其次,開展了連續激光對CCD探測器損傷實驗,獲取了CCD損傷閾值,并利用金相顯微鏡、掃描電鏡對CCD探測器各層熔融情況進行了分析;最后,對模型仿真與損傷實驗結果進行了對比。結果表明,1080 nm連續激光輻照可見光CCD探測器400 ms時的仿真損傷閾值為1.45×106W/cm2,實驗損傷閾值2.13×106W/cm2,誤差約為31.9 %,驗證了仿真模型的準確性。CCD探測器熱效應損傷模型對預估探測器損傷閾值具有一定的參考意義,仿真與實驗結果對探究大功率激光輻照CCD探測器損傷機理、評估干擾效果具有一定的參考意義。