面阵CCD相机的飞秒激光损伤分析

王 明，王挺峰 ，邵俊峰

(1.中国科学院长春光学机密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林长春130033;2.中国科学院大学，北京100049)

1 引言

电荷耦合器件(CCD)已广泛应用于军事领域，以CCD探测器为核心的光电装备极易受到激光的干扰和损伤，所以激光与CCD探测器件的相互作用一直是激光应用的重点研究内容。关于连续激光辐照和纳秒脉冲激光辐照CCD的研究，已有大量的文献报道［1-4］。近年来，人们开始关注飞秒激光对CCD的干扰和损伤效应:江继军等人通过实验得到飞秒激光作用下CCD的损伤阈值比纳秒激光作用下的损伤阈值低2～3个量级［5］;李文煜等人对飞秒激光损伤CCD开展了实验研究，测得了部分损伤阈值，并且得到了随着重复频率的增加，损伤阈值降低的重要结论［6］;黄绍艳等人开展了500 fs超短脉冲激光对线阵CCD器件的辐照效应研究，得出了能量密度不同时，损伤原因分别为等离子体和电荷分离形成的电场的库仑力［7］。不过现阶段飞秒激光对CCD损伤阈值的测试数据仍不足，有必要对其损伤机理做进一步分析讨论。本文主要利用100 fs脉冲激光辐照面阵CCD，得到了其损伤阈值，并分析了其损伤部位和损伤原理。

2 实验原理

2.1 可见光CCD简介

所使用的可见光面阵CCD芯片型号为Sony ICX055AL，其原理结构如图1所示。构成CCD的基本单元是金属-氧化物-半导体(MOS)结构，CCD由光敏元阵列、垂直CCD移位寄存器阵列及水平CCD移位寄存器阵列3部分构成。

图1 ICX055AL CCD电路原理结构Fig.1 Block diagram and pin configuration of ICX055AL CCD

Sony ICX055AL采用行间信号电荷转移方式。首先，光敏元受光后，在一定期间内进行光电转换与存储的信号电荷在垂直消隐的最后阶段针对所有的像素转移到相邻的垂直移位寄存器阵列;接着，读出移位到垂直移位寄存器阵列的信号电荷，在水平消隐期间，这些电荷逐行转移到水平移位寄存器中，在水平图像期间向FD放大器进行水平转移，将像素逐一转换成电压后输出，此时，完成光电转换的信号电荷在垂直CCD移位寄存器阵列进行逐行转移，光敏元进行下一个图像的光电转换。经后续视频处理电路处理后，输出信号成为视频信号。

2.2 激光与CCD器件的相互作用

激光对CCD的影响主要分为干扰和损伤两种类型。一般认为，干扰主要表现在光电材料或器件的功能退化或暂时失效，减弱或撤去光照后，CCD器件可恢复正常工作。损伤是指永久性破坏，撤去光照后，CCD器件无法恢复正常工作。

超短脉冲激光的饱和干扰与连续激光和纳秒脉冲激光饱和干扰在机理上是相同的:像元饱和、串扰和全屏饱和是由CCD器件的结构所决定的。当辐照在CCD光敏元上的激光能量增大到一定程度时，将产生足够多的电子-空穴对并填满势阱，此时的输出电压信号将达到饱和，即像元饱和。当激光能量继续增加时，电子将穿越势垒向邻近的势阱中扩散，使得未被辐照的像元也会有电信号输出，即出现串扰。继续增加激光能量，将会出现全屏饱和现象。对于前照明式CCD，激光对MOS结构CCD器件的破坏过程首先是对金属铝栅极膜和SiO2的破坏，最后才是与P型Si物质相互作用。与纳秒脉冲激光相比，飞秒激光具有更短的脉冲，此时转换成的热量不能及时向外传递，并且飞秒激光还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器件的永久性损伤［2，7］。

3 实验装置

实验使用的激光波长是800 nm，脉宽为100 fs，单脉冲能量为 500 μJ，重频为 1 kHz(可外触发实现单脉冲输出)，能量稳定度为5% 。CCD图像传感器采用Sony公司生产的行间转移ICX055AL型面阵CCD。能量计为OPHIR公司的PE9F和PE50，量程分别为0.3～1 mJ和25 μJ～10 J。光学镜头型号是Nikon 18～105 mm(实验中测得其对800 nm飞秒激光透过率为0.688)。示波器型号为TDS1012B-SC。实验装置如图2所示。

图2 飞秒激光对CCD损伤的原理图Fig.2 Schematic diagram of femtosecond laser damage to the CCD

实验中控制激光器实现单脉冲输出，使用偏振片控制飞秒激光到达分光镜的能量，经过分光镜后光束分为两束，一束经过衰减片到达能量计PE9F，另一束进入光学系统。实验时先将能量计PE50放在光学系统前，进行能量比例标定。CCD的输出信号被分成两路，一路送入计算机，实时观察并记录图像的变化，作为CCD损伤的判断依据;另一路连接到示波器，观察CCD的输出波形变化，可以判断损伤的效果。

4 实验结果与分析

在开展损伤效应实验前，先进行分光镜分光比例的标定:将能量计PE50放在光学系统处，其测得的值与能量计PE9F测得的值的比值(分光比)为1.604。在实验过程中为了观察到CCD的工作状态随飞秒激光辐照能量密度变化的整个过程，首先要调节偏振片，使入射到CCD靶面的激光能量衰减到最小，然后调节偏振片，使入射到CCD靶面上的能量逐渐增加。在能量增加的过程中，CCD工作状态从饱和到无法成像，根据CCD被破坏的情况不同，可以把CCD的硬破坏分为3个阶段:第一阶段是点损伤，在低能量密度的飞秒脉冲激光辐照下，首先会出现黑点，增大能量则会出现无法恢复的白斑;第二阶段是线损伤，飞秒脉冲激光辐照后，在损伤的光斑处，沿时钟线方向出现白色亮线，此时其他部位仍可正常成像;第三阶段是全靶面损伤，在高能量密度的飞秒脉冲激光辐照后，CCD彻底被破坏，无法正常成像。

4.1 点损伤

在逐步提高到达CCD靶面能量的过程中，首先会观察到CCD的像元饱和、串扰和全屏饱和，继续提高到靶能量，当能量密度增大到109.1 mJ/cm2时，仍然会出现全屏饱和现象，当能量密度提高到151.2 mJ/cm2时，观察视频输出图像会发现表面出现了白色的亮斑，关闭镜头的光圈，白斑依然存在，如图3所示:图3(a)为CCD视频输出图像;图3(b)为CCD表面损伤情况。

图3 飞秒激光对CCD点损伤后的CCD视频输出图像及显微照片Fig.3 Video image and microtopography of CCD after point damage

图4 并排损伤达到3个白斑时的CCD视频输出图像Fig.4 Video image of CCD after point damage with three points in a row

继续提高到达CCD靶面的能量，发现随着到达CCD靶面能量密度的增加，损伤的白色光斑也逐渐变大。当在水平方向(与垂直转移时钟线方向垂直)并排连续损伤达到3个白斑时，出现一条黑线，黑线穿过3个白斑，如图4所示。

用万用表测量CCD发生点损伤后垂直转移时钟线间及其与地间的电阻以及水平转移时钟线间及其与地间的电阻，在一定允许误差下与损伤前完好CCD的对应电阻值比较，未发现时钟信号线间及其与地间的电阻值有明显的变化(测量电阻时CCD仍在电路板上)。

4.2 线损伤

提高到达CCD靶面的能量，当能量密度增大到508.2 mJ/cm2时，观察飞秒脉冲激光辐照后CCD的视频输出图像，可见在原飞秒激光光斑辐照的位置处，沿着垂直转移时钟线方向出现一条竖直的白色亮线，关闭镜头的光圈亮线依然存在，如图5所示:图5(a)为CCD视频输出图像;图5(b)为CCD表面损伤情况。继续提高到达CCD靶面的能量，发现损伤造成的白色亮线变宽。

图5 飞秒激光对CCD线损伤后的CCD视频输出图像及显微照片Fig.5 Video image and microtopography of CCD after line damage

用万用表测量水平转移时钟线间及其与地间的电阻，在一定允许误差下与损伤前完好CCD的对应电阻值比较，未发现电阻有明显变化(测量电阻时CCD仍在电路板上);但发现垂直转移时钟线间及其与地间的电阻发生了明显的变化，CCD线损伤前后的电阻值如表1所示:V1、V2、V3、V4为CCD芯片的垂直转移时钟信号输入引脚;GND为CCD芯片上的地引脚。

表1 垂直时钟线间及与地间的电阻值Table 1 Resistance values between vertical clock lines and the ground

4.3 全靶面损伤

当能量密度增大到5.91 J/cm2时，飞秒脉冲激光辐照后整个CCD视频输出图像变白，数分钟过后，CCD仍无法成像，说明CCD已被永久损伤。用显微镜观察CCD表面，损伤情况如图6所示。用万用表测量水平转移时钟线间及其与地间的电阻，在一定的误差允许下与损伤前完好CCD的对应电阻值比较，未发现电阻有明显变化(测量电阻时CCD仍在电路板上)，但发现垂直转移时钟线间及其与地间的电阻发生了明显的变化，CCD全靶面损伤前后的电阻值如表2所示。

图6 飞秒激光对CCD全靶面损伤后的CCD视频输出图像Fig.6 Video image of CCD after whole target surface damage

表2 垂直时钟线间及与地间的电阻值Table 2 Resistance values between vertical clock lines and the ground

4.4 实验结果分析

在能量的增加过程中，观察到了同连续激光辐照和纳秒脉冲激光辐照相同的实验现象，首先出现像元饱和、串扰和全屏饱和现象，然后是点损伤和线损伤，最后CCD被完全破坏，无法成像。实验测得飞秒脉冲激光损伤CCD的点损伤阈值为151.2 mJ/cm2(出现白斑时认为是点损伤)，对比参考文献［1］和［8］，小于纳秒脉冲激光损伤数据(～1 J/cm2)。

在点损伤后，利用万用表测量转移时钟线间及其与地间的电阻，通过与损伤前完好CCD的电阻值比较发现:点损伤没有使CCD芯片的时钟线间及时钟线与地间的电阻值发生变化。通过图2右侧CCD表面的损伤情况可以看出，点损伤时破坏了CCD表面的第一层;点损伤后，其它部位依然可以正常成像，可以推断点损伤只是破坏了损伤部位的像元。通过表1可以看出，线损伤时水平转移时钟线间及其与地间的电阻值基本没有发生变化，而垂直转移时钟线间及其与地间的电阻值明显变小。通过图4可以看出，线损伤时CCD表面的第一层已经完全脱落，内部的网格已经暴露出来。可以推断线损伤时CCD的表面已经因为飞秒激光脉冲的辐照造成了电荷转移电路的短路或断路，致使垂直转移时钟线间及其与地间的电阻值明显变小。线损伤时，除了白色亮线无法成像外，其余部分仍然可以成像，由此可知线损伤只是破坏了损伤部位的像元及其所在的电荷转移电路，并没有对其它部位的成像产生影响。全靶面损伤后，通过表2可以看出水平转移时钟线间及其与地间的电阻值基本没有发生变化，而垂直转移时钟线间及其与地间的电阻值明显变小。说明在飞秒激光脉冲的辐照下，垂直转移电荷电路出现了短路或断路，致使垂直转移时钟线间及其与地间的电阻值明显变小。从图5可以看出，全靶面损伤时CCD表面至少损坏到了第三层，第一层下面的网格也已经被破坏，破坏的程度比线损伤更加严重，已经使整个CCD像元的电荷储存和转移无法正常完成，导致CCD无法正常成像。

5 结论

本文利用脉宽为100 fs的飞秒激光对Sony公司ICX055AL型号的行间转移型CCD探测器进行单脉冲损伤实验，实验中发现了与纳秒脉冲激光损伤过程相同的损伤现象。实验测得点损伤(刚出现白斑时)阈值为151.2 mJ/cm2，线损伤阈值为508.2 mJ/cm2，全靶面损伤阈值为5.91 J/cm2。实验中测得线损伤和全靶面损伤CCD的垂直转移时钟线间及其与地间的电阻值变小，说明损伤部位的像元已经被破坏，像元所在的电荷转移电路间及其与地间的电路发生了短路或断路。当能量密度超过5.91 J/cm2时，CCD被严重损坏，电荷无法正常储存和转移，致使CCD无法成像。

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