连续波CO2激光对多晶硅探测器干扰损伤实验研究

王 东，张恒伟，覃小虎，张岩岫，王 非

（中国洛阳电子装备试验中心 光电对抗测试评估技术重点实验室，河南 洛阳471003）

引言

红外热成像系统可将物体自然发射的红外辐射转变为可见的热图像，从而使人眼视觉范围扩展到中波、长波红外波段。迄今为止，红外成像技术在军事上早就突破了作为夜视器材的应用范围，广泛应用于搜索、跟踪、制导等多种领域。作为微弱光电信号探测器，红外探测器在受强激光干扰条件下极易出现饱和致盲，甚至损伤无法正常工作。因此，研究激光干扰红外探测器具有十分重要的意义［1－3］。

近年来，有关激光对长波红外探测器干扰的研究 已 有 不 少 报 道［4－7］。 文 献 ［4］在 实 验 室 用10.6μm脉冲CO2激光辐照PC型HgCdTe光电探测器，得出了HgCdTe探测器的损伤阈值；文献［5］在3km距离采用脉冲CO2（10.6μm）激光器对长波红外HgCdTe探测器进行辐照，得出了干扰与损伤阈值，该结果与利用二维半无限大模型计算得到的阈值可相互验证；文献［6］用波段外连续波CO2激光辐照HgCdTe探测器（PC，PV），研究表明，波段内激光辐照探测器时，探测器的主要响应机制是光效应，而波段外激光辐照探测器时，热效应起主要作用。这些工作大都集中于CO2激光对HgCdTe探测器的干扰损伤的研究，而连续波CO2激光对多晶硅探测器的损伤阈值研究仍未见报道。文献［7］采用漫反射方式，用10.6μm脉冲CO2激光对320×240多晶硅非制冷焦平面红外热像仪进行干扰，得到了饱和干扰阈值。

多晶硅非制冷焦平面探测器属微测辐射热计探测器，其主要通过测量薄膜电阻随温度的变化情况来探测红外辐射。为了提高其器件的绝热性，其一般采用悬桥结构［8－10］。本文采用10.6μm连续波CO2激光对多晶硅非制冷焦平面探测器进行干扰。通过实验得出了干扰、损伤阈值，分析了不同干扰功率及不同干扰时间的干扰效果，得到了干扰激光功率与干扰光斑面积的关系，并依据受干扰程度对干扰等级进行了划分。

1 实验系统

实验采用连续波CO2激光器作为干扰源，激光波长10.6μm，输出功率50W，连续出光时间不小于10min，光束发散角不大于4mrad。干扰对象为工作波段8μm～14μm的红外热像仪，320×240多晶硅非制冷微测辐射热计探测器，像元大小为45 μm×45μm，视场8.3°×6.2°，光学系统焦距100 mm，通光孔径Φ100mm，光学系统光谱透过率≥82%。衰减器由一系列衰减片组成，工作波段10.6 μm，单个衰减片衰减倍率从1.41倍到20倍不等；激光分束器工作波段10.6μm，透反比1∶1。实验系统示意图如图1。测试前用Rk－5700双通道激光功率计对激光分束器分光比、衰减器衰减倍率进行标定；测试时逐步减小激光器出光口处的激光衰减量，同步记录热像仪受干扰图像和对应的干扰激光功率，直到探测器干扰受损为止。

图1 实验系统布局图Fig.1 Schematic of experiment setup

2 实验结果及分析

2.1 实验结果

实验时每次激光辐照时间为1s，实验过程随着干扰激光功率不断增大，出现了如下4种干扰现象，如图2（图片像素146×112）所示。

1）当入射到多晶硅探测器靶面的激光功率密度达到5.55×10－4W／cm2时，激光辐照点中心区域灰度值刚好达到255，此时探测器刚好达到饱和，干扰光斑为一亮斑，激光辐照结束后亮斑随即消失；

2）当入射到多晶硅探测器靶面的激光功率密度达到5.55×10－4W／cm2～3.68×10－2W／cm2之间时，干扰光斑开始向四周弥散，随着入射激光功率的增大，亮斑面积也相应增大，激光辐照结束后亮斑随即消失；

3）当入射到多晶硅探测器靶面的激光功率密度达到4.88×10－2W／cm2～3.47×10－1W／cm2之间时，随着入射激光功率的增大，亮斑面积继续增大，激光辐照刚结束后亮斑无法立刻恢复，导致辐照位置的探测器不能正常工作，但经过一段时间后亮斑可完全恢复正常；

4）当入射到多晶硅探测器靶面的激光功率密度达到0.48W／cm2时，辐照点出现黑斑，激光辐照刚结束后，亮斑和黑斑均不能立刻恢复，经过一段时间后亮斑可完全恢复正常，但黑斑始终不能消失。

依据上述4种干扰现象，将10.6μm脉冲激光对多晶硅探测器的干扰划分为点饱和、中度饱和、重度饱和与点损伤4个等级。点饱和即探测器刚好达到饱和；中度饱和为探测器受到较严重的饱和干扰，其特征为干扰结束后干扰光斑可随即消失；重度饱和为探测器受到严重的饱和干扰，其特征为干扰结束一段时间后干扰光斑可完全消失；点损伤为探测器受到严重干扰，其特征为激光辐照时同时出现亮斑和黑斑，干扰结束一段时间后亮斑可完全恢复，但黑斑始终不能消失，既探测器个别单元损伤，无法正常输出图像。

图2 激光干扰红外探测器图像Fig.2 Infrared image jammed by laser

2.2 结果分析

激光辐照点的光斑变化情况可作如下解释：当探测器在线性区域工作及达到点饱和、中度饱和时，由于吸收的热量较少，此时探测器可完成正常控温，因此辐照点的亮斑能立刻恢复；当探测器达到中度饱和时，探测器吸收的热量增多，此时探测器已无法正常控温，热量开始以热传导、对流和辐射等形式向周围传递，导致探测器输出的激光光斑面积增大，但是由于此时探测器吸收的热量仍相对较少，激光辐照结束后，热量仍可迅速转移，因此辐照点的亮斑也可以立刻恢复；当探测器达到重度饱和时，由于探测器吸收大量热量，导致温升较高，输出的激光光斑面积继续增大，激光辐照结束后，由于探测器控温能力有限，探测器靶面Si材料及热敏电阻特性发生变化，导致激光辐照点的亮斑无法立刻恢复。

当探测器达到损伤时，由于探测器靶面温度过高，Si材料会由于热分解、烧焦或热应力产生作用，引起辐照点探测器信号传输出现断路，从而性能完全失效。点损伤属于激光对多晶硅探测器的硬损伤，但是仅会造成探测器个别成像单元的损伤。此时辐照点探测器已不能正常输出图像，像元灰度值几乎为零。由于点损伤仅仅破坏了多晶硅探测器少量成像单元，不影响其他成像单元成像，因此多晶硅探测器在整体上仍具备成像能力。

2.3 重度饱和后探测器恢复情况

图3给出了重度饱和后干扰光斑灰度值随时间变化情况。从图中可以看出，干扰光斑的恢复需要较长时间，从干扰结束的最大灰度值255恢复到灰度值为122经历了40min，恢复到正常状态则需要更长时间，可见实施重度饱和干扰，将严重影响热成像系统探测器对目标的正常成像。

图3 探测器恢复情况Fig.3 Resuming curve of detector

2.4 辐照时间对损伤阈值的影响

以上实验给出了激光辐照1s的条件下多晶硅探测器的点损伤阈值。由于连续激光功率较低，它对探测器的损伤主要为长作用时间的热累积效应。因此，随着激光辐照时间的增大，探测器的损伤阈值应随之降低。为了验证这一点，我们开展了激光辐照3s条件下的点损伤阈实验。实验发现激光辐照3s条件下，当入射到探测器靶面激光功率密度达到0.30W／cm2时，探测器达到点损伤，为1s的条件下点损伤阈值的62.5%，可见长时间的激光辐照会造成探测器热累积加剧，从而导致其损伤阈值下降。

3 对红外成像系统干扰效果分析

经实验，在激光辐照时，随着入射激光功率的增加，辐照位置干扰光斑面积随之增大。图4给出了干扰光斑面积随干扰激光功率变化实验测试结果，从图中可以看出，点饱和时干扰光斑只占约5个像元，但在中度饱和情况下，干扰光斑已经增大了2～6倍；重度饱和情况下，干扰光斑增大了7～10倍；达到点损伤时干扰光斑增大了10倍以上。经分析，干扰光斑面积与入射激光功率按幂函数关系变化，通过数据拟合，二者关系为y＝76.3×x0.29。

图4 干扰光斑面积与激光功率关系Fig.4 Facula area when laser power density varies

对于红外成像系统，远距离侦察目标时，目标在其视场中很小，只占据很少的像元，如果在这段时间里对其在图像上造成干扰，此时中度饱和干扰就可能使其无法分辨目标，达到干扰的目的；在重度饱和干扰甚至损伤的情况下，更易使目标淹没于干扰光斑中，导致红外成像系统无法正常提取目标。

4 结束语

本文利用10.6μm连续CO2激光对多晶硅光电探测器进行辐照，通过实验发现10.6μm连续激光对多晶硅探测器的损伤主要表现为热效应损伤。对于连续激光，延长的激光辐照时间会造成多晶硅探测器损伤阈值下降，这也从另一个方面说明10.6μm连续激光对多晶硅探测器损伤主要以热效应为主。依据探测器受干扰程度，提出将干扰划分为点饱和、中度饱和、重度饱和与点损伤几个等级。通过对试验数据拟合，证明干扰光斑面积与入射激光功率按幂函数的关系变化。

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