ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值

徐立君,刘丽炜,姜传军,杨立鹏,周鸣岐,张喜和

(1.长春理工大学理学院,吉林长春130022;2.装甲兵技术学院,吉林长春130017)

ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值

徐立君1,刘丽炜1,姜传军2,杨立鹏1,周鸣岐1,张喜和1

(1.长春理工大学理学院,吉林长春130022;2.装甲兵技术学院,吉林长春130017)

以He-Ne激光作为参考光,采用反射光能量法,测量了ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值,并测量了不同功率密度的强激光辐照下探测器对参考光的反射率.实验结果表明,ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值为4.1×106W/cm2,在探测器被强激光损伤的初期阶段,探测器对参考光的反射率下降很快,继续增加入射激光的能量,探测器对参考光的反射率下降趋于平缓.

损伤阈值;强激光辐照;功率密度;反射率

1 引 言

随着光电对抗技术的发展,光电探测器越来越容易受到强激光的损伤.国内外学者对激光与物质相互作用进行了大量的研究.1965年苏联学者提出了激光维持的爆轰波(LSD)的重要概念,这是激光对光电探测器力学损伤的主要因素.1975年美国海军研究室的Bartoli[1-3]等研究了CO2激光器对 HgCd Te,PbSn Te光电探测器的损伤,并对光电探测器的损伤机理进行了分析.2002年Singh[4]等研究了超短脉冲对硅材料的表面损伤.2006年,杨集[5]等人测量了正面和背面入光PIN探测器的响应度激光导致的光学元件的损伤阈值,该内容一直是研究的热点[6-9].探测器激光损伤阈值的研究对于强光的探测与防护都具有重要意义.本文以 He-Ne激光作为参考光,采用反射光能量法,测量了ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值,并对强激光辐照下,探测器对参考光的反射率进行了实际测量,分析激光辐照半导体材料的损伤机理.

2 激光辐照探测器的损伤机理

激光作用于材料表面时,在中低功率密度(103～104W/cm2)激光作用下,材料表面仅发生加热现象;在中等功率密度(104～108W/cm2)激光作用下材料将发生熔融和汽化;在高功率密度(108W/cm2以上)激光的作用下,在材料表面产生具有高温高压的等离子体.

强激光辐照探测器会产生光学效应、热学效应和力学效应,而探测器的永久性损伤主要是由热学效应和力学效应导致的.

2.1 热学效应

激光热效应是激光与半导体相互作用过程中的主要现象,涉及到热能的产生、聚积和传导等过程.由热传导方程和瞬态圆环热源作用于半无限固体表面的温度分布函数,可导出高斯光束作用下,半导体内的温度分布函数 T为式中,α为材料对激光的吸收系数,R为表面反射率,K和k分别为材料的热导率和热扩散系数,d为光斑半径的 1.414倍,p0为峰值功率密度,p(t)为脉冲归一化函数,t为激光脉冲作用时间,r,z分别为柱坐标函数,r为离中心轴的距离,z的起点从入射面计算.光电探测器PN结处温度达熔点是造成其永久性损伤的必要条件.

2.2 力学效应

在激光辐照下,光电探测器内电子和晶格声子等吸收激光能量后首先达到热平衡,吸收的激光能量以热统计平均温度表现出来.由于温度分布不均匀和激光持续时间等因素,探测器内产生的热应变和热应力分布也不均匀,导致热应力波在探测器内传播.当某处热应力超过屈服极限,脆性材料在解理面上将产生裂纹.如果热应力不是很强,随着激光能量增加温度升高,将产生塑性变形,甚至熔化.激光辐照结束后,晶体再凝结时可能在解理面方向产生裂纹,也可能在表面出现波纹或褶皱、液滴凝固物等.如果入射激光功率较大,探测器会发生汽化现象,如果再进一步增加入射激光的功率密度探测器将产生等离子,等离子体迅速膨胀,对探测器形成冲击波,此时探测器将发生严重的损伤.

3 激光对光学元件的损伤判别

影响光学元件抗激光损伤阈值的因素很多,除了与辐照激光的波长、脉宽、光斑大小等参量有关外,还与光学元件的基板和膜层有密切关系.所以,光学元件的阈值测定是一项十分复杂而又必须十分仔细的重要工作.元件损伤的判定和损伤阈值的测定二者是密不可分的,要做好阈值测定,就必须正确地判断元件是否发生了光损伤.损伤的判别对损伤阈值有着直接的影响,按国际标准(草案)的定义,所谓“损伤”乃是试样表面特征的永久性变化.国际标准 (ISG 11254)[10]对于损伤的判断是:通过Nomarski型差分干涉相衬显微镜,放大100～150倍能观测到样品表面特征的任何激光诱导的变化.强激光对光电探测器的损伤多采用1-on-1的测试方式.

国内外学者根据各自的情况设计出了多种测量阈值的具体方法,如等离子体闪光法[11]、光热偏折法、全息或干涉法等.这些方法都有它们的局限性,例如:等离子体闪光法测量比较粗糙;光热偏折法[12],探测信号较弱,要进行放大;而全息或干涉法,虽然测试精度较高,但需要建立防震系统.反射光能量法[8-10]按反射光能量下降10%确定为光学元件的损伤阈值.本文采用反射光能量法测量ns激光辐照光电探测器的损伤阈值.

4 激光辐照光电探测器的损伤阈值

4.1 激光辐照光电探测器的实验装置

图1是激光辐照探测器的实验装置,采用He-Ne激光作为参考光,调节入射 He-Ne激光的功率使探测器工作在线性区.波长为1 064 nm的Nd∶YAG激光作为辐照激光,脉冲宽度为10 ns,重复10 Hz,激光能量按高斯分布,模式TEM00.通过衰减片可以调节入射激光的能量,分束透镜和能量计可以对入射激光能量进行实时监测.会聚前激光光斑的大小是6 mm,用焦距为150 mm的平凸透镜对入射激光进行会聚,使参考光和强激光的光斑重叠,并且使参考光的光斑略大,另一侧放置了功率计,用来监测反射光功率变化.实验中光电探测器的型号为 GT102,光敏面为 φ2 mm.

图1 激光辐照探测器的实验装置图

通过衰减片可以调节入射激光的能量,可以使辐照探测器的激光能量由低到高逐渐增加.每次辐照探测器结束后,记录参考光的反射功率,并且与最初的反射光功率值作比,所得比值即为探测器对参考光的反射率,根据强激光辐照前后探测器对参考光的反射率的变化来判断探测器的损伤情况.

4.2 实验结果与讨论

图2描述了入射激光功率密度与探测器对参考光反射率之间的关系.在功率密度低于2.1×106W/cm2的激光辐照后,探测器对参考光的反射率不发生变化;当激光功率密度超过2.4×106W/cm2强激光辐照后,探测器对参考光的反射率开始较快地下降;当激光功率密度达到1.1×107W/cm2强激光辐照后,探测器对参考光的反射率下降变得缓慢;当激光功率密度为3.4×107W/cm2强激光辐照后,探测器对参考光的反射率下降为62%.根据前面的损伤判断标准,反射光功率下降10%时,定义为探测器的损伤阈值,所以ns激光对硅PIN探测器的损伤阈值为4.1×106W/cm2.

图2 强激光辐照下探测器对参考光的反射率

探测器的表面经过加工工艺处理,都比较平整,对入射的平行参考光将发生镜面反射.因此,探测器没有被损伤前,反射光方向不改变,进入功率计探头的光通量不改变,所以探测器对参考光的反射率也不发生变化;当激光功率密度达到一定值时,探测器被损伤,发生熔融和再凝固,此时探测器表面产生形变,变得凸凹不平,参考光照射到探测器表面将产生漫反射,进入功率计探头的光线减少,所以反射率下降.随着损伤程度加重,反射率下降越大,因此,在损伤的初期反射率迅速下降.

继续增加入射激光的能量,探测器表面可能发生汽化或者产生等离子体,表面形变更加严重,但对入射参考光的改变已经很有限了,进入功率计探头的光通量并没有明显减少,所以,探测器对参考光的反射率下降相对平缓.

5 结束语

采用反射光能量法测量了Nd∶YAG激光辐照硅光电探测器的损伤阈值为4.1×106W/cm2,在探测器被强激光损伤的初期阶段,探测器对参考光的反射率下降很快,继续增加入射激光的能量,探测器对参考光的反射率下降趋于平缓,该方法测量的损伤阈值与用其他方法测得的数值在实验误差范围内是相符的[9-10].反射光能量法确定激光损伤阈值方便简捷,易于操作,但要监测强激光对探测器的整个损伤过程还需与其他方法配合使用.

[1]Bartoli F,Esterow itz L,Kruer M,et al.Irreversible laser damage in ir detector materials[J].App l.Op t.,1977,16(11):2 934-2 937.

[2]M eyer J R,Bartoli FJ,Kruer M R.Op tical heating in semiconducto rs[J].Phys.Rev.B,1980,21(4):1 559-1 568.

[3]Bartoli F J,Meyer J R,Hoffman C A,et al.Electron mobility in low-temperature Hg1-xCdxTe under high-intensity CO2laser excitation[J].Phys.Rev.B,1983,27(4):2 248-2 263.

[4]Singh A P,Kapoo r A,Tripathi K N,et al.Laser damage studies of silicon surfaces using ultra-sho rt laser pulses[J].Op tics and Laser Technology,2002,34(1):37-43.

[5]杨集,冯士维,李瑛,等.InP层对正面及背面入光PIN探测器响应度影响研究[J].光电工程,2006,33(12):141-144.

[6]Kruer M,Esterow itz L,A llen R,et al.Thermal models fo r laser damage in InSb pho tovoltaic and photoconductive detectors[J].Infrared Physics,1976,16(3):375-384.

[7]陈明君,庞启龙,刘新艳,等.KDP晶体微纳加工表层杂质对其激光损伤阈值影响的有限元分析[J].强激光与粒子束,2008,20(7):1 182-1 186.

[8]张红,薛建国,成斌,等.10.6μm CO2激光对HgCd Te探测器破坏阈值的实验研究[J].光电工程,2006,33(5):41-43.

[9]陈德章,张承铨,卿光弼,等.激光对光电探测器的损伤阈值研究[J].激光技术,1995,18(3):135-140.

[10]Becker J,Bernhardt A.ISO 11254:an international standard for the determination of the laserinduced damage threshold[J].SPIE,1994,2114:703-713.

[11]倪晓武,陆建,贺安之,等.激光与介质薄膜作用过程的等离子体诊断[J].光学学报,1990,10(4):322-327.

[12]周东平,范正修,刘立明,等.红外滤光片激光损伤的研究[J].中国激光,1994,21(11):893-896.

[13]高志山,陈进榜.激光损伤光学表面的检测研讨[J].激光技术,2000,24(3):185-188.

[14]高鸿奕,楼棋洪,董景星,等.实时测量308 nm激光对薄膜的损伤阈值[J].强激光与粒子束,1998,10(1):123-126.

[15]周业为,谢建,李育德.光学薄膜激光预处理及其机理的研究[J].激光杂志,1998,19(5):5-7.

[16]王广安,章玉珠,陆建.纳秒激光对铜靶环形损伤的实验研究[J].物理实验,2007,27(8):10-13.

[责任编辑:任德香]

Damage threshold of Si photoelectric detector irradiated by ns laser

XU Li-jun1,L IU Li-wei1,JIANG Chuan-jun2,YANG Li-peng1,ZHOU M ing-qi1,ZHANG Xi-he1
(1.School of Science,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China;2.A rmored Technique Institute of PLA,Changchun 130117,China)

Acco rding to the energy of the reflected beam,damage threshold of photoelectric detecto r under laser irradiation ismeasured.A fter irradiation of different pow er densities of He-Ne lasers,the reflectivity of the detecto r is measured.The experimental results indicate that ns laser damage threshold of photoelectric detector is 4.1×106W/cm2.In the first damage period,the reflectivity of the detector decreases rapidly,further increasing of the incident laser power intensity reduces the reflectivity of the detector smoothly.

damage threshold;intensive laser irradiation;power density;reflectivity

TN 241

A

1005-4642(2010)11-0008-04

2010-06-05;修改日期:2010-09-19

徐立君(1973-),男,吉林九台人,长春理工大学理学院讲师,博士研究生,主要从事激光与物质相互作用的研究.

张喜和(1973-),男,吉林农安人,长春理工大学理学院教授,博士,主要从事非线性光学方面的研究.