皮秒激光对电荷耦合器件多脉冲损伤效应研究

邵俊峰，刘阳，王挺峰，郭劲

(1. 中国科学院 长春光学精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;3. 北方电子设备研究所，北京100191)

0 引言

电荷耦合器件(CCD)的光电系统广泛应用于工业、国防领域，但是CCD 极易受到激光的干扰与破坏而无法正常工作，因此开展激光对CCD 探测器件的干扰及破坏机理研究具有重要意义。国外系统地开展了激光辐照探测器件相关的研究［1-2］，并对硅材料的激光损伤开展了相关研究［3-5］。国内，近年来也在不同激光对各种类型探测器件的干扰阈值、损伤阈值及致盲阈值等方面开展了大量实验和理论分析工作［6-10］。郭少峰等［6］指出CCD 在飞秒激光作用下与纳秒激光相比，没有更多新现象。沈红斌等［7］指出CCD 在单脉冲激光作用下器件功能性失效机理由垂直转移电路之间的短路引起。理论方面，姜楠等［8］利用有限元方法分析了脉冲激光辐照CCD 多层结构的热应力分布。目前，对激光多脉冲累积造成器件功能性损伤的论文报道仍然较少。本文旨在分析重频皮秒激光对CCD 的损伤效应和机理。开展了8.0 ns、1.5 ns、400 ps 3 种脉冲宽度的单脉冲或多脉冲激光对CCD 的损伤效应研究。对单脉冲、多脉冲激光导致器件功能性失效的机理进行了初步分析，并重点讨论脉冲宽度、重频等因素的影响。

1 实验方法

为研究皮秒激光对CCD 多脉冲损伤效应和机理，建立了基于电动转台的实验测试平台。通过调整电动转台的转速实现多种脉冲宽度、重频等条件下的单脉冲和多脉冲损伤测试。

对损伤效应和机理进行分析需要获得较为精确的损伤阈值数据，需保证:1)到靶能量的准确测量。该方面可通过监视光路方式实现，实验中使用同一厂家Ophir 功率计，其精度为±3%;2)到靶光斑尺寸的准确测量。根据激光传输变换理论，激光通过光学系统的光斑尺寸与光学系统焦距F、口径D、光学系统离焦特性、激光束腰位置、波长λ、激光发散角θ 等因素密切相关，其光斑直径范围可从衍射极限2.44λF/D(微米量级)一直变化到Fθ(几十至百微米)，光斑面积变化可达100 倍以上。因此，对到靶光斑尺寸进行准确测量至关重要。

1.1 实验方案与仪器设备

实验系统由激光器系统、面阵相机成像系统(含光学镜头)和高速转台组成，如图1所示。激光器与光学系统之间的距离固定为2.5 m. 首先，使电动转台静止，调整激光器的摆放使激光指向光学系统入瞳，然后调整成像系统使激光器位于成像系统视场内，从而保证激光脉冲能够到达CCD 靶面。记录弱激光条件下到达CCD 靶面光斑分布。进行多脉冲激光实验时，开启电动转台控制入瞳激光到达探测器面的交汇时间，然后不断提高到达成像系统脉冲激光的脉冲能量，记录CCD 从点损伤、线损伤直至功能失效的全过程。

图1 损伤阈值测试方法Fig.1 Test equipment of laser damage threshold

实验中使用了脉冲宽度分别为8.0 ns、1.5 ns、400 ps共3 台绿光激光器。其中，8.0 ns 固体激光器波长532 nm，发散角为5.5 mrad，光束质量M2为16，最大单脉冲能量18 mJ，单脉冲外触发输出;1.5 ns固体激光器波长532 nm，发散角为1.5 mrad，光束质量M2为1.1，可实现单脉冲外触发、3 kHz 高重频输出，在3 kHz 条件下最大输出功率达10 mW;400 ps光纤激光器波长533 nm，激光发散角为4.1 mrad，光束质量M2为5.0，重频12 kHz(无法实现单脉冲输出)，最大输出功率250 mW. 实验中使用的相机为Wat-902B 型黑白模拟输出相机，其光电成像器件为高灵敏度的Sony ICX419AL 行间转移型标准1/2 英寸芯片，尺寸6.5 mm×5.9 mm，像元尺寸:高8.6 μm，宽8.3 μm. 芯片共20 管脚，垂直转移电路采用4 路高低电平实现，水平转移电路采用两路高低电平实现。实验中光学系统焦距F =50 mm、F/2.8，实验测定在532 nm、533 nm 处的光学透过率为0.770.所用高速电动转台转速可达1 000°/s，实验中固定转速201°/s，以保证不同重频下激光与相机具有相同的交汇时间。能量计Ophir PE-9、PE-50 灵敏度为纳焦，功率计Ophir 3W 灵敏度能达到10 μW.

1.2 光斑尺寸计算

这里利用二阶矩方法直接测量到达受试光学系统的到靶光斑。二阶矩范围内的光斑能量占比为86.5%，其定义为4 倍的能量分布标准差(x、y 方向独立计算)。

式中:dσx、dσy分别为x、y 方向光斑尺寸的直径;σ 为光斑能量分布的标准差。

标准差由激光能量分布的方差计算得到。方差的计算公式为

以实验中的一次具体过程给出计算过程。首先利用Matlab 软件提取出聚焦光斑的像素灰度值(均按照11×11 像元提取)，如图2所示。

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

多次测量计算结果如表1所示。其中前3 组数据中心灰度值较接近，相互之间误差较小为6%;但是最小灰度值57 与最大灰度值159 相比，相对误差为14%. 因此，选取不同中心灰度值测试结果存在一定误差。采用多组数据算数平均的方法获得光斑x、y 方向半径分别为9.36 μm、9.93 μm. 光斑半径计算误差为水平方向9%、垂直方向8%.

表1 到靶光斑尺寸测量记录Tab.1 The laser radius on CCD surface

根据夫琅和费衍射理论，到靶光斑尺寸δ 为焦距F 与激光发散角θ 之积。即

对8 ns 激光激光发散角为5.5 mrad，光学系统F=50 mm，多次测量算数平均值为0.345 mm. 利用Spiricon 光束质量分析仪(测试精度±5%)测得靶光斑尺寸为0.275 mm. 因此，理论值与实验值的误差为20.3%. 损伤阈值定义Dth(J/cm2)为

文中实验方法误差大，但具有克服同步测试难题的优势。对于光斑的测试，较为精确的方法是采用光束质量分析仪。商用光束质量分析仪测试精度一般为5%. 光束质量分析仪虽然较为精确，但却不能解决同步测量的问题。由于要损伤的器件是Wat-902B 型CCD，采用光束质量分析仪测量光斑之后更换成Wat-902B 型CCD 光斑尺寸可能会大幅变化。光斑尺寸对光学系统后截距特别敏感，轻微调焦后光斑直径范围可从衍射极限2.44λF/D(微米量级)可变化到Fθ(几十至百微米)，导致光斑面积变化可达100 倍以上。因此，光束质量分析仪测光斑方法并不适合这种场合下的应用。

该方法将受试对象CCD 同时作为测量器件和受试对象，能够避免更换测量器件光斑测试问题，能够把系统误差从2 个数量级降低到43%以内，测试精度有了质的提高。分析可知，该方法误差包括以下两个主要因素:1)该型号CCD 像素特征尺寸为8.3 μm，而光束质量分析仪使用的CCD 的像素尺寸一般为3 ～4 μm，分辨率的降低将引入较大的误差;2)该型号CCD 为普通模拟相机，其精度远低于经过仔细标定的光束质量分析仪，受试对象自身的像素不均匀性缺陷导致较大的误差，由此导致的实验误差较大。实验结果表明，激光多脉冲损伤积累损伤与单脉冲损伤阈值之间的区别显著。

2 实验结果

本文对“点、线、器件功能性失效(致盲)”定义与公开报道一致［9］，点损伤表现为CCD 单元像素或局部小区域内像素损伤，线损伤表现为CCD 垂直方向表现为若干列垂直转移方向像素损伤，而功能性失效表现为器件全部像素无法正常成像。实验过程以1.5 ns、3 kHz、532 nm 多脉冲激光作用为例，到靶激光能量密度8 mJ/cm2时在探测器靶面出现一条水平线，该永久性损伤水平线由多个点损伤相连造成，如图3(a)所示。随着到靶能量密度进一步提高至16 mJ/cm2，CCD 左1/4 位置出现了线损伤(见图3(b)所示)。随着能量密度进一步提高至49 mJ/cm2，器件大面积无法成像，相机重启后仍然无法恢复，此时器件出现功能性失效(致盲)。但从图3(c)可知，器件并未出现全白或者全黑的现象，背景隐约成像，表明器件的垂直和水平转移电路仍然能正常工作。在400 ps、12 kHz、533 nm 多脉冲激光作用下具有完全相同的损伤过程。

表2给出了损伤阈值测试实验结果。1.5 ns 与8.0 ns 激光作用下面阵相机的单脉冲致盲阈值基本相同，为470 ～800 mJ/cm2;高重频条件下的器件功能性失效阈值比单脉冲条件下显著下降，至24 ～49 mJ/cm2.损伤阈值表现为范围值，原因在于材料损伤具有随机性特性，这一方面已经有报道［11］，国际标准ISO 11254也对材料损伤阈值及随机特性处理进行了详细定义。考虑到实验样品有限造成致盲数据较少，难以在低成本基础上获得极为准确的阈值数据，但能够保证数量级上的准确性。

3 损伤机理分析

图3 1.5 ns、3 kHz、532 nm 激光对Wat-902B 型CCD 的损伤过程记录Fig.3 The damage process of 1.5 ns/3 kHz/532 nm laser on Wat-902B CCD

表2 脉冲激光对Wat-902B 型CCD 相机损伤阈值Tab.2 The damage threshold of ultra-short pulse laser on Wat-902B CCD

1.5 ns与8.0 ns激光作用下，面阵相机的单脉冲致盲阈值基本相同，为470 ～800 mJ/cm2，考虑到实验误差为43.3%，调整为263 ～1 146 mJ/cm2;高重频条件下的致盲阈值为24 ～84.5 mJ/cm2，考虑到损伤阈值单脉冲致盲阈值范围调整为13.6 ～121 mJ/cm2. 实现单脉冲损伤的最小值为实现高重频脉冲损伤最大值的2.1 倍，中位数更达到10.5 倍。可见，多脉冲器件功能性失效存在显著的损伤积累效应。

3.1 单脉冲器件功能性失效机理

采用8.0 ns、532 nm 激光单脉冲致盲Wat-902B时，能量密度增大到0.470 ～0.758 J/cm2时，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 已被完全损坏。测量水平转移时钟线间及其与地间的电阻，与损伤前完好CCD 的对应电阻值作比较，未发现电阻有明显变化。而测量发现垂直转移时钟线间及其与地间的电阻则发生了明显的变化，CCD 全靶面器件功能性失效前后的电阻值如表3所示，其中:Vi(i =1，2，3，4)为CCD 芯片垂直转移时钟输入引脚);NC 为正常状态;FD 为功能性损伤。

表3 垂直时钟线间的电阻值Tab.3 Resitance between vertical tranfer lines MΩ

CCD 全靶面功能失效后，水平转移时钟线间及其与地间的电阻值未发生显著变化，而垂直转移时钟线间及其与地间的电阻值显著变小，由23 MΩ 变为50 ～57 kΩ. 说明在皮秒激光脉冲的辐照下，垂直转移电荷电路V2、V4出现了短路或断路。这一结论与公开报道的纳秒激光损伤过程相同［7］，即硅电极短路是CCD 功能性失效的原因。

3.2 多脉冲器件功能性失效机理

1.5 ns、3 kHz 激光到靶能量密度达到24 ～49 mJ/cm2时，CCD 已经无法成像，如图3(c)所示。但后端采集图像和电子学测试表明，此时垂直转移电路电极并未发生损伤。同时，该阈值(24 ～49 mJ/cm2)与实验获得的线损伤阈值(16 ～25 mJ/cm2)相当。因此，功能性损伤归结为多条线损伤的叠加效应而不是多个脉冲作用到CCD 靶面同一位置的积累效应。不过，随着能量密度进一步提高(≥84.5 mJ/cm2)，显然仍可发生垂直电路电极短路的现象。

1.5 ns、3 kHz 高重频激光入射时不存在多个脉冲同时作用到靶面同一位置的现象。原因在于:在转台转速201°/s 时，CCD 靶面水平方向的长度为6.5 mm，到靶光斑水平方向直径为21.6 μm，在交汇时间37 ms 内到达探测器的脉冲个数为111 个，每个脉冲之间的距离为58 μm. 理论计算和实验点损伤测试均表明光斑之间确实存在间隙。400 ps、12 kHz高重频激光入射时，存在两个脉冲作用到CCD 靶面同一位置的现象。CCD 靶面水平方向的长度为6.5 mm，到靶光斑水平方向直径为20.0 μm，激光重频12 kHz，在交汇时间37 ms 内到达探测器的脉冲个数为444 个，每个脉冲之间的距离为14.6 μm. 可见，任意两个脉冲之间均有一部分重叠区域。但是在以上两种情况下3 kHz 与12 kHz 的高重频损伤阈值数据相当，脉冲重叠作用到CCD 靶面同一位置并没有造成损伤阈值进一步地显著降低。可能原因是由于不同脉冲之间的间隔较长(≥80 μs)，不足以造成损伤热积累。

实验中获得了两组损伤效果对照结果(单脉冲条件下8.0 ns 与1.5 ns 对照;多脉冲条件下1.5 ns、3 kHz与400 ps、12 kHz 对照)。傅里叶热力学理论表明，对于纳秒到长皮秒脉冲宽度(≥20 ps)，材料热损伤贡献占主要部分，并且损伤阈值Dth与脉冲宽度τ 的关系为Dth∝τ1/2，因此，单脉冲入射条件下，1.5 ns激光对应各种损伤阈值应低于8.0 ns 激光;而多脉冲入射条件下400 ps 激光对应各种损伤阈值应低于1.5 ns 激光。但实验中存在误差(特别是存在光斑尺寸误差)，这种趋势未能够明显体现。仍然有可能拓展本文采用测试方法的使用范围已进一步解决器件层次的热损伤机理，可行办法可能包括:1)对受试对象CCD 的像素灰度响应进行均匀性标定，提高其空间响应均匀性，进而降低其误差;2)通过平行光管成像实验标校的方法，固定光学系统后截距的位置，从而利用激光束腰、激光瑞利距离内的抛物线特征提高束腰位置的定位精度等。

4 结论

本文开展了短纳秒和皮秒激光对行间转移Wat-902B 型CCD 的损伤实验研究，并对损伤机理进行了分析。实验结果表明，考虑到43.3%的实验误差，1.5 ns、3 kHz、532 nm 高重频激光对CCD 的功能性损伤阈值13.6 ～71.0 mJ/cm2，400 ps、12 kHz、533 nm 激光对CCD 的功能性损伤阈值28.5 ～121.0 mJ/cm2，显著小于8.0 ns 和1.5 ns 的单脉冲器件功能性损伤阈值(263 ～1 146 mJ/cm2)。单脉冲全靶面损伤机理归结为电极间的短路;而多脉冲激光器件功能性失效机理与单脉冲损伤显著不同，表现为线损伤的积累过程。通过采用一定技术途径进一步提高损伤阈值测试精度，深入研究脉宽效应、高重频激光热积累损伤效应机理问题是下一步的工作重点。

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