脉冲激光辐照CCD探测器饱和阈值分析

雷 威， 王海晏，2， 牛 翀

(1.空军工程大学工程学院，西安 710038;2.西安电子科技大学，西安 710071)

0 引言

激光干扰是光电对抗技术的重要组成部分，是现代战争必不可少的高技术之一。本文利用有源设备对电视制导武器的CCD导引头实施扰乱欺骗作为光电对抗设备。分析仿真脉冲激光对CCD饱和阈值的影响，为实际对抗电视制导武器的研究提供理论基础。

1 CCD基本工作原理

CCD是由在硅片上整齐排列的光敏二极管单元组成的，它们排成一矩形方阵，其中每一个光敏单元称为像元，当光照射到硅片上的方阵时，每一个像元中的原子在具有一定能量的光子作用下，电子从原子中逃逸，形成了一对自由电子和失去电子的原子空穴。投射到光敏单元上的光线越强，产生的电子－空穴越多。在硅片上这些电子可以和空穴分离，并可以收集起来，电子－空穴对的分离和收集用半导体中的势阱就可以完成，就像用水桶收集雨水一样。光敏单元收集由光子作用产生的电子。电子数主要取决于光照强度和收集(积分)时间的长短，收集完成后，最后的光敏单元将电荷注入设在输出端的电子测量单元，电荷/电压转换单元将电子转换成相应的电压，形成了一个像元的视频信号。光敏单元将电子倒空后，又可以接收新的电子，这样相邻光敏单元之间不断向输出端倒换(移位)电荷，直至倒换(移位)到输出端的电子测量单元，转换成像元电压。

2 脉冲激光各参数对CCD的影响

研究脉冲激光对CCD饱和阈值影响，就必须研究脉冲激光各项性能对CCD饱和的影响。由于脉冲激光与连续激光相比具有脉冲峰值功率很高且脉冲作用时间极短的特点，因此，脉冲激光对CCD作用会出现瞬间加热效应，而瞬间产生的热量很难在短时间内传递出去，从而导致CCD出现局部升温现象，当这个温度升高到一定程度会导致CCD失效。这只是CCD热效应的损伤，本文主要研究CCD光电效应的饱和。

下面列举实验条件下，可见光硅CCD在波长为1.064μm YAG脉冲激光辐照作用下的饱和效应，得到探测器的像元饱和阈值及实验现象［1－4］。

图1为YAG脉冲激光辐照CCD的干扰实验装置原理图。实验中，激光器为Nd:YAG激光器，其波长为1.064μm，脉冲宽度可调，实验中脉冲宽度为 10 ns。激光器的重复频率为1 Hz。CCD为KA-320型面阵CCD探测器，该探测器为1/3 in(注:1in=2.54 cm)靶面，像素为752×582。示波器为Tektronix的TDS 3052数字示波器，该示波器可实时监测CCD的输出响应，也可与计算机一样存储实验结果。能量计采用美国相干公司的激光能量计，用来监测激光输出的能量，能量计可测量的能量范围为0.5～5 mJ，可探测的激光波长为0.19 ～20μm，分辨率为 10μJ，测量精度为 ± 5%。为避免强脉冲激光对CCD的硬破坏，光路中放置了光阑、衰减片组及滤光片以衰减到达CCD光敏面上的激光能量，分光板的透反比为1.42∶1。实验前，需调整光学元件，以使光束穿过其几何中心，调整方法为采用不同口径的光阑放置于光路上的每个光学元件前进行实验。实验过程中对CCD探测器发生饱和现象的判断依据是:连续增加辐照激光的能量密度，在激光辐照过程中探测器前后两次输出的信号电压基本相同。

图1 脉冲激光对CCD的辐照干扰实验装置示意图Fig.1 Experiment of CCD irradiated by pulse laser

开始辐照时，调整激光器能量至探测器处于正常工作状态，然后不断减小衰减量并观察示波器显示的视频信号以判断CCD正好发生饱和现象，此时的探测器光敏面的激光能量密度即为探测器的饱和阈值，记录此时的激光能量密度并转换为光敏面处的激光能量密度，得到KA-320型面阵CCD在YAG脉冲激光辐照下的饱和阈值为1.3×10－6J/cm2。当继续减小衰减量至CCD光敏面的激光能量密度为0.6 J/cm2时，CCD开始出现局部损伤。因此，在上面所说的特定条件下，KA-320型CCD在YAG脉冲激光辐照下发生饱和从而失去成像能力时的激光能量密度范围为1.3×10－6～0.6 J/cm2。

实验过程中证实了CCD在脉冲激光辐照下出现了饱和现象，同时在垂直的时钟线方向上伴随有“光饱和串音现象”(也称之为“弥散”现象)的出现。由于脉冲激光峰值功率较高，且其脉冲宽度只有100 ns，因此激光辐照产生的热量难以及时传递而易造成辐照域局部出现损伤。不过从CCD出现像元饱和现象到局部损伤时的激光能量范围相差很大，存在5个数量级的差别。

可以认为，CCD的每个像元等效于一个电容，当其结构确定后，势阱中所能容纳和处理的最大电子电荷数就是一定的，当强激光辐照CCD的局部时，CCD的光积分时间极短，约为几微秒到几百微秒，而光生载流子产生时间却只需几个皮秒，这就使得光生载流子有足够的时间向邻近势阱发生“溢流”现象。

可假设条件:可见光硅CCD探测器光敏元全部受激光照射，当探测器达到饱和阈值，同时探测器内光生电荷Qs的值也为最大值，也就是说，当有饱和像元出现，此时的探测器已经是全屏饱和。

下面将脉冲宽度、峰值功率、重复频率等影响探测器饱和阈值的因素进行量化分析，用仿真模型得出结论。

2.1 脉冲宽度［5］

对于激光损伤光学材料，已有大量实验数据表明，光学材料的激光功率损伤阈值Ith随激光脉冲宽度tp的增大而降低，大致为(Ith∝)，n值与激光对光学材料的损伤机制有关。根据目前比较流行的三种损伤机理:电子崩电离、多光子吸收和自由等离子体吸收进行的理论计算［6］，n 分别为 －0.035，－0.155 和 －0.25。一般来讲，短脉冲激光下(tp＜30 ns)，多光子吸收电离是引起光学材料激光损伤的主要原因。对于长脉冲激光，等离子体吸收则是主要原因。现在已经有超短脉宽(fs量级)的激光损伤探测器的研究［1］。

研究脉冲宽度tp和探测器饱和阈值的关系，在单脉冲情况下，也就是研究辐射能量与饱和阈值的关系，当峰值功率不变，脉冲宽度逐渐减小，辐射能量则同时减小。

分别取10 ns，50 ns，80 ns脉宽的调Q激光和100μs，200μs，500μs脉宽的长脉冲激光，为研究方便，假设当脉宽为10 ns和100μs时的激光峰值功率为500 W，对探测器进行干扰，由后面的仿真模型，得出脉冲宽度与饱和阈值的关系。

2.2 峰值功率

在单脉冲时，激光能量:

式中:p(t)为瞬时功率;p(t)max为峰值功率;tp是激光脉冲宽度。而脉冲的平均功率:

在对探测器进行照射时，都采用的是脉冲激光的峰值功率，峰值功率是瞬时功率中的最大值。图2是脉冲激光的平均功率波形图，图3是峰值功率波形图。

图2 平均功率波形图Fig.2 Curve of average power

图3 峰值功率波形图Fig.3 Curve of peak power

由图3可以看出，在脉冲宽度较小的情况下，正是由于峰值功率较高，很容易使探测器短时间内达到电荷饱和，由于假设是全屏照射，一旦探测器像元饱和，就无法成像。

2.3 重复频率

多脉冲激光对探测器的损伤规律与单脉冲情形有很大差别。一般说来，随着激光脉冲个数的增加，激光损伤阈值变小。目前，对多脉冲激光损伤的机理有两种解释:一种认为多脉冲激光损伤是一个热积累过程，每一个激光脉冲都使被辐照材料升温，当温度达到一定程度(如熔点等)，造成材料的宏观破坏;另一种观点认为多脉冲激光损伤是材料内部微观缺陷吸收激光后的非线性发展积累过程。一般的材料在制备和加工过程中，存在大量的微观缺陷，它们具有比材料本征吸收大得多的吸收率，在材料与激光脉冲相互作用的过程中，缺陷吸收占主导地位，却先吸收在材料内形成局部高温，局部高温达到一定程度，就会造成材料缺陷处首先发生热爆炸、电子崩电离等过程，从而使缺陷进一步扩大。激光损伤是材料局部或者整体的结构及物性并没有发生宏观损伤，只是引起材料内微观缺陷的发展和爆炸，初始时这种微观损伤破坏程度很小，对材料光学特性的影响很小，用比较先进的手段才能够发现这种变化(扫描电镜等)。然而每个微观缺陷的发展和爆炸，都将增加对后续激光脉冲的吸收，并导致更大的微观损伤发生，最终导致材料发生灾难性损伤。值得一提的是，每个激光脉冲强度都不能低于一个最小值，否则材料中不会产生微观损伤，再多的激光脉冲也不能发生宏观损伤。

本文只研究激光照射探测器时的光电效应，对于热效应暂不考虑。考虑重复频率对探测器饱和效应影响，在脉冲宽度一定时，峰值功率不变化，变化的是辐照能量，在功率不变时，作用时间与辐照能量成正比W=pt。此时的功率p是指平均功率。

分别取1 kHz，10 kHz，50 kHz的高重频脉冲激光照射CCD，具体的结果在接下来的仿真中得到。

3 脉冲激光对CCD的干扰仿真

与连续激光不同的是，脉冲激光对探测的阈值分析一般都是用能量密度，单脉冲时激光作用时间就是脉冲宽度，而多脉冲的作用时间，则是脉冲宽度乘以重复频率。

如图4所示，当辐射激光为脉冲激光时，用入射光能量上限替代入射光功率密度上限与时间的乘积:

图4 脉冲激光照射CCD探测器仿真图Fig.4 Simulation of CCD irradiated by pulse laser

则图4变为图5。

图5 入射光能量上限求解阈值电压图Fig.5 Solution of threshold voltage by using upper limit energy of incident laser

利用图4，将10 ns，50 ns，80 ns脉宽的调Q 激光作为入射光，与图5所得阈值电压进行比较，得出图6。

图6 调Q激光脉冲宽度与饱和阈值电压关系图Fig.6 Relation of Q-laser’s pulse width and threshold voltage

同理将 100μs，200μs，500μs 脉宽的长脉冲激光作为入射光，与图5所得阈值电压进行比较，得出图7。

图7 长脉冲激光脉冲宽度与饱和阈值电压关系图Fig.7 Relation of long pulse laser’s pulse width and saturation threshold voltage

在单脉冲作用，脉冲宽度为10 ns时，峰值功率的变化与饱和阈值电压的关系如图8所示。

图8 峰值功率与饱和阈值电压关系图Fig.8 Relation of peak power and saturation threshold voltage

重复频率为1 kHz，10 kHz，50 kHz时，假设脉冲宽度为10 ns，峰值功率为500 W，这时的能量变化完全随着重复频率的增大而增加，图9便是重频与饱和阈值的关系图。

4 仿真结果分析

正如假设条件所述，在确定了探测器的类型以后，探测器的每个像元都可视为一个电容，而每个电容所能容纳的电量一定，最终的饱和阈值所对应的电压值也是一个定量，这就大大地方便了对激光参数引起探测器饱和阈值变化规律的研究。

图9 重复频率与饱和阈值电压的关系图Fig.9 Relation of repetition rate and saturation threshold voltage

在图6～图9中，无论调Q激光还是长脉冲激光照射CCD时，若峰值功率不随脉宽而变，为常值，则脉冲宽度越大，意味着作用时间越长，也就越容易达到饱和阈值。但比较图6和图7后可知，在相同的单脉冲能量、重复频率下，调Q激光更易造成探测器饱和。在研究峰值功率时，又假定脉冲宽度不变，只是峰值功率的改变，同上脉宽所述，峰值越大的激光，能量越大，越能引起探测器饱和。相对多脉冲时候，脉冲宽度取10 ns，峰值功率取500 W，照射在CCD探测器上的能量是多个单脉冲能量之和，当然可以看出，重复频率越高，饱和阈值越大。

上述激光参数都是在没有定激光器类型时的分析。实际运用过程中，当脉冲宽度越小时，峰值功率也就越大。所以，实际上，选用重频高，脉宽短的激光器就越能使CCD探测器饱和。

5 结束语

本文主要研究的是脉冲激光对于CCD探测器的饱和效应。

首先，选用文献的实际实验，论述了实验中，引起探测器饱和阈值变化的各项因素，列举了探测器光饱和阈值，串音阈值，损伤阈值时的激光能量数据，为后续仿真分析打下基础。

然后，分别对峰值功率、脉冲宽度、重复频率这些脉冲激光特有参数进行了定量分析，就单个参数对探测器的饱和阈值影响进行了分析，运用仿真模型，对应仿真结果图形，得出结论:调Q激光比长脉冲激光在同样的重复频率与单脉冲能量时，更易使探测器饱和，但无论是调Q激光还是长脉冲激光，若脉宽改变，峰值功率不变时，脉宽越大，峰值功率越高，重复频率越大，越能使探测器达到饱和状态。而对应的假设条件，全屏照射时，CCD探测器达到了饱和状态，就达到了串音状态，也是全屏饱和。这就使成像系统无法再成像，达到干扰目的。

最后，指出了结论中与实际不同之处，在没有规定激光器类型的情况下，假定脉冲宽度的变化，不引起峰值功率的改变，这是为研究理论时的情况而定。在实际中，激光器的脉冲宽度越小，峰值功率越大。所以，在实际运用中，应当选用脉冲宽度越小、峰值功率越高、脉冲频率越大的激光器，这样越能使探测器达到饱和状态。

［1］周建民.激光对光电制导武器跟踪系统的干扰技术仿真研究［D］.北京:中国科学院研究生院，2004.

［2］刘晶，周晓东，纪淑波.电视制导武器的激光软杀伤分析［J］.电光与控制，2005，12(5):62-65.

［3］王世勇，付有余，郭劲，等.脉冲激光对CCD图像跟踪系统干扰效果评估［J］.激光与红外，2002，32(1):20-22.

［4］宋振铎，文长江，齐占元.脉冲激光对CCD器件干扰与损伤研究［C］//第十五届全国红外科学技术交流会全国光电技术学术交流会论文集，2001:481.

［5］MA Guobin，TAN Weihan，WANG Zhanshan.Calculation of threshold dependence of laser-induced damage upon pusle duration［J］.Optics and Precision Engineering，1998，6(3):22-27.

［6］BECKER M，ZHANG Chenzhi，BLARRE L，et al.Laserinduced functional damage to silicon CCD sensor arrays［J］.SPIE，1991，1624:67-79.