脉冲激光对CCD 探测器的毁伤实验研究

白浩 BAI Hao

（国防大学联合作战学院，北京 100000）

0 引言

关于CCD 探测器的激光毁伤效应研究，自上个世纪80年代末、90年代初被公开报道至今，一直被人们所关注[1-3]。它揭示了CCD 探测器的强光辐照现象，促使人们更加充分地来了解激光与光学传感器件之间的作用机理。

激光对CCD 探测器的损伤机制有两种,分别为软破坏和硬破坏[4-5]。组成的CCD 探测器的半导体材料中存在着大量处于杂质能带的电子，这些电子由于吸收了激光的能量而向导带跃迁,这就导致了暗电流的增加，最终使器件失效甚至烧毁，造成探测器系统的功能性退化或者暂时不能正常工作，这种状态称为软破坏[6]。硬破坏是由于能量较强的激光束作用在探测器的表面，而造成材料的内部结构受到损伤，而这种损伤并不能恢复，是不可逆的，所以称为硬破坏[7]。

CCD 探测器在各领域都有重大应用，与国家的安全和利益息息相关。但是光电探测器由于灵敏度高，极易受到激光的干扰和破坏。国内外学者使用毫秒、纳秒、皮秒、飞秒等不同脉宽激光开展了大量的CCD 探测器激光毁伤效应研究，获得了点损伤、线损伤、完全失效等典型破坏模式，给出了损伤阈值，分析了典型器件的损伤机理[8]。但迄今为止，人们对激光对毁伤现象及毁伤阈值规律还未建立一个直观的认识，关于激光对CCD 探测器的毁伤实验研究还不够系统。

1 实验装置及平台搭建

脉冲激光的瞬时热效应效果显著，可以实现CCD 探测器短时间内快速大幅的温升。由于瞬时间的大量热量积累无法快速转移，会对自身跟踪系统造成局部损伤甚至完全失效。为深入探究脉冲激光打击自动跟踪系统CCD 的实际情况，设计如下实验。实验装置如图1 所示。

图1 YAG 脉冲激光辐照CCD 实验装置图

实验中采用脉冲激光器为DGTQ-1 型电光调Q 固体脉冲激光器，可以得到波长1.06μm，脉宽10ns，频率1Hz的脉冲激光，激光能量可随泵浦电压调节。激光光斑直径2.0mm。实验应用中科院生产的LPE-161-J 型能量计对脉冲激光的能量进行探测，能量探头可探测范围0.2mJ～10J，误差±3%，分辨率2μJ，可探测激光波长范围0.2～20μm。

从激光器出射的脉冲激光依次通过激光器与CCD 探测器之间设置的通光孔、高透镜、衰减片、汇聚透镜，照射在CCD 探测器的靶面上。保持激光器与CCD 靶面的距离为5m，光阑的通光孔径是4mm。实验前，通过准直激光调整CCD 探测器位置，使出射光与整个光学系统的主光轴相平，最后照射CCD 探测器的靶面中心。待激光器输出激光能量趋于稳定后进行试验，利用衰减片调节能量，使初始照射到CCD 探测器的能量在CCD 的线性工作区间。而后通过控制衰减片数量来调整到靶激光能量。衰减后的脉冲激光照射在CCD 靶面，之后将输出的图像传输到计算机，再进行后续的提取、计算和处理。

2 实验现象

CCD 探测器在较低能量的辐照时，仍然处在正常的工作状态。随着激光能量的逐渐增加，CCD 的饱和像元数逐渐增多，达到了CCD 饱和阈值。CCD 探测器开始出现光饱和、串扰等软损伤现象，这一过程与连续激光辐照基本相似。所不同的是随着脉冲激光能量的进一步提高，输出结果出现了黑白屏现象，如图2 所示。

图2 脉冲激光辐照CCD 黑白屏实验现象

实验测得在脉冲激光作用下，CCD 的像元饱和阈值和完全饱和阈值分别为0.016J/cm2、0.21J/cm2。在此区间内，脉冲激光的作用对探测器造成了软损伤，图像的信噪比大大下降，但是CCD 仍有信号输出，经过静置后，很快便能恢复正常的工作。通过计算机将不同激光能量作用下的CCD 探测器成像结果进行采集，以灰度值255 作为像元饱和的分界值，计算出不同能量下像元饱和数在图像中的占比情况，如图3 所示。在激光器的辐照下，CCD 探测器像元极易响应并达到饱和状态。当入射激光能量增强，饱和区域面积逐渐增加，当饱和面积增加到70%左右，饱和像元数趋于稳定，当进一步加强激光能量，饱和面积不再增加，CCD 达到完全饱和状态。

图3 脉冲激光能量与CCD 靶面饱和区域面积关系曲线

当达到饱和像元最大值时，继续增加激光能量，视场内的饱和像元开始逐渐均匀地向同一方向延伸，导致一侧完全饱和；而另一侧的信号输出则会出现停滞，如图2（a），我们称之为黑白屏现象。黑白屏的分布是不均匀的，它与脉冲激光的作用效果有关，同一脉冲能量的多次作用，会导致黑屏区域的扩大，如图2（b）所示。

随着激光能量的逐渐提高，到靶能量达到毁伤阈值，造成靶面不可逆毁伤。图4、5、6、7 分别为CCD 达到硬毁伤条件后的成像效果。通过逐渐增加入射光能量，激光对CCD 的局部照射导致了CCD 靶面受损情况逐渐加重，最终完全失效。当入射激光能量达到1.64mJ 时，输出图像出现不可恢复的较小的损伤亮斑，此时CCD 仍能正常工作，毁伤处对图像有遮挡，图像整体质量变化不明显，CCD 受到了不可恢复的点损伤；当入射激光能量达到1.86mJ 时，损伤区域进一步扩大，并在垂直方向出现类似于串扰的亮线，其余区域保持正常工作，CCD 造成了不可恢复的线损伤；当入射激光能量达到2.22mJ 时，输出图像在激光直接辐照处显示出不可恢复的贯穿纵向亮线，并且在横向显示出非贯穿黑线，黑白二线以辐照点为中心十字交叉，整体图像质量有所下降，且在白线左侧的区域像素曝光出现问题，撤除激光作用后，仍然不能恢复；调整激光能量至2.60mJ，CCD 靶面完全毁伤，不能继续成像。由此可见，在激光打击自动跟踪系统CCD 时，可能导致时序脉冲或控制电极的短、断路，随着脉冲能量不断增加，CCD 探测器毁伤情况不断加剧，成像能力不断削弱，直至完全丧失。当继续增加激光能量时，CCD 探测器突然停止响应，无法工作，撤去激光后依旧无法恢复，如图7 所示，此时CCD 探测器彻底失效。从感光图中可以发现，完全毁伤的CCD 探测器的损伤区域并没有明显的扩大，但是已经造成的整个探测器的失效，说明局部的损伤是造成CCD 探测器失效的根本原因。

图4 CCD 点毁伤感光图及毁伤后成像效果

图5 CCD 线毁伤感光图及毁伤后成像效果

图6 CCD 十字暗线毁伤感光图及毁伤后成像效果

图7 CCD 探测器完全毁伤后成像效果

根据激光能量密度计算公式：

式中，I 为到靶能量，A 为到靶光斑尺寸。根据实验结果计算CCD 探测器达到点毁伤、线毁伤、暗线毁伤、完全毁伤相应的毁伤阈值分别为0.366J/cm2、0.748J/cm2、0.897J/cm2，如表1 所示。入射激光能量密度达到0.366J/cm2（峰值功率36MW/cm2）时，CCD 靶面造成毁伤区域，出现不可恢复亮斑，随着激光能量密度不断提高，毁伤情况进一步加剧，直到能量密度达到0.91J/cm2（峰值功率91MW/cm2）时，CCD 探测器完全毁伤。

表1 CCD 探测器不同毁伤情况下的毁伤阈值

4 总结

当发生点毁伤时，毁伤阈值与文献[9]、[10]、[11]的仿真值在脉冲作用下Si 材达到熔融点30MW/cm2的阈值接近，说明材料的热熔融是造成硬毁伤的根本原因；当发生线毁伤时，毁伤阈值与仿真值在脉冲激光作用下Al 材达到熔融点70MW/cm2的阈值接近，可能是金属电极的熔融，使信号传递过程出现了问题，导致了类似于不可恢复的“串扰”现象的线损伤的发生。

由于CCD 探测器的类型、厂家、结构、工作方式不尽相同，导致得到的CCD 探测器的毁伤阈值也略有不同。但通过实验，可以充分地了解到CCD 探测器在脉冲激光作用下造成的干扰、毁伤情况。初始时，CCD 探测器处在线性工作区域，仅有较少的能量吸收，可以正常控温，保持温度平衡，因此照射后亮斑能够立即恢复，保证正常工作。随着能量的增加，CCD 探测器为了保证正常温度，需要将热量向周围进行传导，导致光斑面积增大，进入饱和状态，但是由于能量相对有限，未对靶材造成实质性损伤，辐照结束后仍可恢复。当能量继续升高，CCD 探测器的电极发生熔融、汽化等现象，材料性质发生改变，使信号传递发生中断，造成局部失效。能量再次升高，毁伤范围扩大，整个器件的信号无法正常传递，造成探测器的完全失效。