TEA CO 2长波红外激光对红外凝视成像系统探测器组件的损伤效应

张 引，邵俊峰，汤 伟

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 光电对抗部，吉林 长春130033）

1 引 言

HgCd Te是一种直接带隙半导体，量子效率高、载流子迁移率高，可以实现弱光探测。同时它可以通过调节Cd的组份比例，完全覆盖3个重要的大气红外窗口波段。凭借着上述优点，磅镉汞成为第三代红外探测器的首先材料［1-3］。然而，HgCdTe红外探测器也面临很多问题，例如用于生长HgCdTe的外延衬底碲锌镉价格昂贵，使得整个HgCd Te探测器的价格居高不下；并且碲，镉和汞三者之间是通过较弱的离子键组合在一起，汞很不稳定，在350 K左右即会有Hg析出，破坏晶体结构造成材料缺陷，从而影响等效噪声功率等性能。此外，碲镉汞的熔点在993 K左右，超过该温度并吸收足够的熔化潜热，碲镉汞材料会熔化。尽管如此，HgCdTe红外探测器仍然广泛应用于军事领域，尤其是在精确制导、红外侦察等方面具有不可替代的作用［4-5］。这些应用推动了激光干扰和损伤HgCd Te红外探测器的发展。HgCd T红外探测器属于弱光探测器件，强激光的干扰和损伤容易导致器件不能正常工作，因此关于HgCd Te材料或器件的干扰及损伤机理成为国内外的研究热点之一。

强激光损伤探测器是一个十分复杂的过程，主要由激光参数和材料物理特性决定。其中，激光参数包含波长、脉宽、重频以及光束质量等；材料的物理特性主要涉及导热系数、密度、热容和吸收系数，尤其是导热系数和吸收系数，对温度非常敏感。激光辐照探测器主要表现为材料的加热，熔化、气化和烧蚀以及材料气化烧蚀引起的力学效应和微结构的改变等［6-7］。因此，脉冲CO2激光对长波红外探测器件的损伤效应涉及材料自身吸收、反射、热扩散等物理特性，用激光加热理论模型可定量描述材料温升、熔化等物理过程［7-8］。目前，国内外对9.3μm损伤碲镉汞红外探测器的研究较少，本文使用有限元软件建模仿真和实验相结合的方式，探究激光损伤效应，为之后开展其他波段激光损伤碲镉汞探测器的研究提供了9.3μm损伤碲镉汞红外探测器的参考。

2 理论分析

2.1 理论基础

HgCd Te探测器为4层结构，各层之间的热膨胀系数不同，当探测器内部出现局部温度升高，探测器内部层与层之间会产生热应力，严重时会导致芯片断裂。近年来，伴随着HgCdTe探测器的发展，其内部应力已经得到了比较好的控制。已有研究表明，激光辐照HgCdTe探测器引发的热熔融损伤要优先于应力损伤的发生［9］。

激光与材料相互作用，主要反应为材料对激光辐照的热吸收和热传导过程。激光辐照到HgCd Te探测器表面，碲锌镉层对激光吸收较少，与激光接触面温升并不高。透过碲锌镉层，由于HgCdTe材料的光电耦合时间只有1~2 ps，以及吸收系数比较大，所以HgCd Te可以快速吸收光子能量使材料温度升高，并很快通过热传导将热量传递给HgCdTe和铟柱接触面。因此HgCdTe温度场分布可以通过热传导微分方程求得［10］：

式中：T为晶体在t时刻的温度，k为材料的导热系数，ρ为密度，c为热容，α为吸收系数，I0为辐照激光功率密度。制冷型面阵HgCdTe器件通常封装在杜瓦瓶内且通过液氮进行制冷，其工作温度保持在77 K。

因此，初始条件满足：

边界条件满足：

其中L为器件内HgCdTe材料的厚度。

实际情况下，HgCdTe材料的物理参数会随入射波长、温度和Cd的比例而变化。Higgins通过实验研究发现HgCd Te密度随Cd组分呈线性变化，而随温度变化却非常小，并给出了HgCdTe材料密度的计算公式［11］。Chu等人给出了HgCdTe材料的折射率随温度、入射波长和Cd组分的拟合公式，经计算，HgCd Te材料在长波段的反射率R基本稳定在3.1。除此之外，他们还研究了HgCdTe吸收系数随温度和Cd组分的变化规律，给出了吸收系数α的经验公式［12］：

本文数值仿真和实验采用的碲镉汞Cd的组分比例x=0.2。

其中：T为温度，x为Cd比例。

关于测量HgCd Te热容和导热系数的实验比较多，研究发现它们随温度的变化比较大，当HgCd Te发生熔融时，其热容和导热系数会发生突变。本文不考虑HgCd Te发生熔融状态，并采用Holland等人给出的HgCd Te导热系数经验公式进行仿真研究［13］。

2.2 Bartoli理论分析

美、法等国对HgCd Te材料及单元探测器的激光损伤机理开展了系统的研究。其中，Bartoli在美国海军的支持下，系统性开展了多波长激光对多种红外探测器材料的损伤机理研究，建立了一维热传导理论模型，通过理论与实验相结合方式获得了CO2激光辐照下HgCd Te材料和器件的熔化破坏阈值，其研究为激光损伤探测器提供了基础数据和研究思路。Barteli建立的CO2激光对HgCdTe材料的热损伤模型［14］，方法简明、物理概念清晰且普适性较好，因此在国内外得到了广泛的应用。

Bartoli利用上述热传导微分方程推导出高斯光束作用于HgCd Te材料的热损伤阈值E0的计算公式：

其中：

式中：热扩散率k=0.09 cm2/s，从环境温度温升至热熔融温度707°C中间的差值为ΔTth=950 K，光敏面反射率R=0.31，热容c=0.15 J·g·K，密度ρ=7.6 g/cm3，脉冲宽度τ=100 ns，吸收系数α=8 000 m-1，光斑半径a0=60μm。

其中扩散长度D=（kτ）1/2=0.94μm，吸收深度L=1/αμm，高斯光斑到靶半径a0=60μm，因此扩散长度D≪吸收深度L，且扩散长D≪光斑半径a0。因而式（7）括号的右边第二项可以忽略，简化为式（8）。由该模型获得的损伤阈值理论数据与下节中实验结果的吻合度较好。

3 仿真计算

HgCdTe的熔点为993 K，当HgCdTe层温度达到熔点时，探测器单元将永久损伤。因此，以HgCdTe热熔化作为相对严格的器件损伤效果界定。在理论分析基础上，利用ANSYS软件建立了CO2激光对HgCd Te材料的三维温升有限元理论［15-16］仿真模型，获得了9.3μm激光照射下材料的温升三维分布，通过材料表面温升情况判定损伤阈值。

3.1 仿真条件设定

红外凝视成像系统探测器的组件材料参数如表1所示。由于HgCdTe材料的比热容、导热系数和吸收系数会随温度的升高而发生改变，故在此未列出，但模型中已引入。入射激光的波长为9.3μm，脉冲宽度为100 ns，光波模式为TEM00模，探测器表面的光斑半径为60μm。

表1 HgCd Te的材料参数Tab.1 Material parameters of HgCdTe

HgCdTe探测器组件模型分为4层，首先在Cd ZnTe层上生长一层HgCd Te晶体作为光敏元，然后焊接铟柱阵列，最上边是硅基，激光从下往上辐照。其中CdZnTe层厚50μm，HgCdTe光敏层厚10μm，In柱高10μm，直径为20μm，Si基厚50μm。考虑到仿真效果与真实探测器的一致性，为了有效利用计算机资源，HgCdTe探测器模型采用11×11个像素元［18］。制冷环境温度设置为77 K。具体模型参见图1。

图1 HgCdTe探测器三维模型Fig.1 T hree-dimensional model of HgCd Te detector

采用三节点三角形对模型进行网格剖分，三角形单元对复杂几何轮廓有较强的适应能力，很容易通过增加三角形网格数量来精确地逼近复杂的几何边界。光斑处参数如下：最大单元尺寸为0.5μm，最小单元尺寸为0.002μm，最大单元生长率为1.1。网格剖分效果如图2和图3所示。

图2 网格剖分图Fig.2 Mesh subdivision

图3 光斑处传热梯度采取网格加密处理Fig.3 Heat transfer gradient at spot treated with mesh encryption

3.2 9.3μm激光损伤仿真结果

以HgCd Te材料表面和中心温度达到熔点时激光的功率密度和能量密度作为损伤阈值的判定范围进行仿真实验。

激光辐照1μs时，HgCd Te表面处的温度变化曲线如图4所示，内部温度的分布情况如图5和图6所示。经计算，脉冲宽度为100 ns，激光功率密度达到0.54×107W/cm2时，光斑中心距离铟柱1μm处的HgCdTe材料温度达到熔点。此时激光能量密度为0.54 J/cm2。

图4 功率密度为0.54×107 W/cm2时光斑中心HgCd Te的温度变化Fig.4 HgCdTe temperature change at spot center with power density of 0.54×107 W/cm2

图5 1μs时探测器纵向剖分温度分布Fig.5 Longitudinal temperature distribution of detector at 1μs

图6 1μs时探测器横向剖分HgCdTe层的温度分布Fig.6 Lateral temperature distribution of HgCd Te layer at 1μs

激光辐照4μs时，激光功率密度提高到1.1×107W/cm2，对应的激光能量密度为1.1 J/cm2时，HgCdTe中心处达到熔点。图7显示了9.3μm激光辐照下HgCd Te材料中心处温度随时间的变化，在4μs处温度达到极值。

图7 波长为9.3 m，功率密度为1.1×107 W/cm2时光斑中心HgCd Te的温度变化Fig.7 HgCdTe temperature change at spot center with wavelength of 9.3 m and power density of 1.1×107 W/cm2

图8 和图9分别显示了9.3μm激光辐照在4 μs时探测器内部的温度分布，同样可以看到温度最高区域处于HgCd Te下层。

图8 4μs时探测器纵向剖分温度分布Fig.8 Longitudinal temperature distribution of detector at 4μs

图9 4μs时探测器横向剖分HgCdTe层的温度分布Fig.9 Lateral temperature distribution of HgCdTe layer at 4μs

分别以材料表面、材料中心达到熔点作为损伤阈值判据，计算得到仿真状态下HgCd Te的损伤功率密度为0.54×107~1.1×107W/cm2，损伤能量密度为0.54~1.1 J/cm2。

4 外场实验及结果分析

在理论分析与仿真计算基础上，为实际测量CO2激光对红外凝视成像系统探测器组件的损伤阈值，开展了外场实验。

4.1 实验条件及设备

CO2激光发射与受试设备两者点对点的距离为11.237 km，高程差为18 m。红外凝视成像系统探测器组件受试设备采用制冷型面阵长波红外成像系统，包括两个可以替换的光学镜头，具体参数见表2。

表2 光学镜头参数Tab.2 Parameters of optical lens

受试设备制冷型长波红外器件材料为HgCdTe，分 辨 率 为320×256，像 元 尺 寸 为30 μm，光谱响应波段为7.7~9.5μm，噪声等效功率为27 mK，经长春光机所光学中心检测为28 mK。

激光远场能量测试设备采用Newport公司生产的818E型能量计，其量程下限可达为1μJ，光谱响应范围为0.19~25μm，测量精度为3%。为提高远场能量测量精度，在能量计接收孔径前加装了口径为Ф100 mm的长波红外镜头，9.3 μm激光的透过率为0.77。

气象测量中使用了两种大气参数测量设备，一是WXT 520维萨拉气象传感器，每隔5 s记录一次大气温度和相对湿度，二是Belfort Model 6000能见度传感器，用于获得实时的大气能见度。

图10 9.3μm激光损伤实验外场观测图Fig.10 Field observation image in 9.3μm laser damage experiment

4.2 损伤实验结果

为准确获得激光对长波红外相机的损伤阈值，通过加装衰减片及孔径光阑对激光入瞳能量进行控制，最终观察到长波红外相机6次不同程度的损伤情况。

表3 六次损伤探测器对应的激光工作条件T ab.3 Laser working conditions of six damage detectors

光源为9.3μm的长波红外激光，可以调整的变量有激光输出重频以及激光发射时间。靶材端通过调整镜头的口径，开展不同焦距下的损伤实验。探测器端通过调整帧频探究激光对长波红外凝视成像系统探测器组件的损伤情况。

4.3 损伤阈值分析

损伤阈值计算主要受激光远场能量测量精度以及到靶光斑尺寸取值的影响。其中，远场激光能量测量误差约为3%，实际到靶光斑尺寸难以精确测量，计算时根据实测镜头光学传递函数估算；采用Φ50 mm镜头时，光斑半径约为1.5~2.0倍衍射限，误差为12.5%；采用Φ100 mm镜头时，到靶光斑半径约为1.2~1.3倍衍射限，误差为7%。因此，综合误差分别为20%，31%。

实验结果表明，在9.3μm激光重频为100，300，500 Hz，激光到靶的能量密度为0.54~2.48 J/cm2的条件下出现了多像元损伤现象。根据实验数据处理原则，大部分损伤情况发生在入瞳能量为170μJ以上，剔除离散性较大的数据，可认为170μJ为损伤发生的入瞳能量，对应到靶激光能量为176.67μJ，按激光在靶面上形成的光斑尺寸为58.5~90μm计算，对应的激光能量密度为0.69~1.23 J/cm2，可作为9.3μm激光的损伤阈值。

5 结 论

本文提出了通过有限元理论求解激光损伤HgCdTe探测器方法，对比经典的一维无限大模型和有限元模型仿真得到的损伤阈值结果，实验得到的9.3μm激光损伤阈值0.69~1.23 J/cm2与有限元仿真数值计算结果0.54~1.1 J/cm2较为符合，验证了该方法及研究模型的合理性，为之后开展其他波长，脉宽和重频效应研究提供了良好的仿真研究平台。该实验结果对研究长波红外激光损伤HgCdTe红外探测器有较高的参考价值。