大功率激光对CCD探测器损伤研究

程相正,邵 铭,曲卫东,邵俊峰,李武周,范 瑜

(1.中国人民解放军63891部队,河南 洛阳 471003;2.光电对抗测试评估技术重点实验室,河南 洛阳 471003;3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033)

1 引 言

自1960年第一台激光器问世,激光在军事领域的应用研究即随之展开,各种军用激光技术应运而生[1]。近年来,随着激光技术的发展,大功率激光武器成为各国研究的热点[2-3]。大功率激光武器通过对光电制导观瞄装备的探测器实施致盲损伤,从而达到降低敌作战能力的目的[4]。CCD探测器具有成像分辨率高、功耗和成本低、灵敏度高、动态范围大等特点,广泛应用于光电观瞄、光电制导等军事领域[5-6]。利用激光破坏CCD探测器的成像性能,是军事竞争双方削弱对方战斗力的重要手段之一。

激光对CCD的干扰损伤效应研究是近期研究热点。谭群[7]、袁航[8]、聂劲松[9]、易瑔[10]等学者开展了激光辐照CCD、TDI-CCD相机干扰损伤效应机理进行了仿真分析,建立了激光辐照CCD探测器的数学模型,利用有限元法分析了1.06 μm激光辐照CCD探测器中的温度和应力分布。但已有研究尚未分析连续激光损伤CCD多层结构的时间演化规律,尚未开展连续激光对CCD探测器损伤实验对仿真模型进行验证。本文选用波长为1080 nm的典型大功率连续激光,针对大功率激光辐照可见光成像探测器损伤机理,建立了连续激光对CCD探测器热效应损伤模型,仿真分析了连续激光损伤CCD多层结构的时间演化规律,开展了连续激光对CCD探测器损伤实验,分析了CCD探测器各层熔融情况,对模型仿真与损伤实验结果进行了对比,并分析了存在差异的原因。

2 连续激光对CCD探测器损伤模型仿真

2.1 连续激光对CCD探测器热效应损伤模型

典型CCD探测器结构如图1所示,按入射光线方向组成材料依次为微透镜层、金属遮光Al膜层、SiO2增厚层、Si电极层、SiO2绝缘层、基底Si层[10],其中构成微透镜的主要材料为聚酰亚胺PI。PI及SiO2对1080 nm的激光吸收率几乎为0,激光能量被微透镜通过金属层开口聚焦到基底Si表面,金属Al层不受激光辐照,基底Si对1080 nm激光有较强的吸收率[11]。因此,可以将激光辐照CCD看成是CCD基底Si上加了一个热源。基于这种思想,对CCD探测器热效应损伤模型进行简化。

图1 典型CCD探测器结构

连续激光损伤机理主要为热效应,可根据热传导理论模拟连续激光与CCD相互作用的过程。对于CCD探测器层状材料,热传导方程为:

Q(i=1,2,…)

(1)

式中,Ti(x,y,z,t)、ρi、ci、ki分别表示CCD第i层温度场分布、材料密度、比热容、热传导率;Q为沉积在基底硅层的激光体热源。

边界条件为:

(2)

初始条件为:

∂T(x,y,z,t)|t=0=T0

(3)

其中,T0为初始温度;假设为298 K。

各层材料之间满足温度连续及热流平衡条件材料均匀且各向同性,材料的各热学和力学参数不随温度的升高而变化,取为常数,则材料的热力学参数见表1。

表1 材料的热力学参数

由于PI、SiO2层对1080 nm激光的吸收系数很小,认为不吸收光能,故沉积在基底Si层的激光能量为:

Q=I0α(1-R)fSi(x,y)g(t)exp(-αz)

(4)

式中,I0为入射激光功率密度;硅层的吸收系数α为800 cm-1;反射系数R约为0.33;fSi(x,y)为沉积在Si层的激光能量空间分布;g(t)为激光能量时间分布。

2.2 损伤模型仿真结果

基于1080 nm激光辐照CCD探测器热效应损伤模型,固定激光辐照时间400 ms,设置的激光半径为5 μm,能量分布满足高斯分布,利用COMSOL Multiphasic软件对CCD瞬态温度场和应力场进行数值模拟,分析连续激光损伤CCD多层结构的时间演化规律。

t=0时刻,激光开始辐照探测器,光斑中心位置开始升温,但温升幅度非常小。热源加载到基底Si层,由于Si对1080 nm连续激光的吸收系数很小,材料层厚度很薄,因此激光对Si的穿透力很强,此时还没有出现明显的热传递现象,如图2所示。

图2 t=0时刻CCD内部热力学表面分布

从图2可以看出,除了光斑中心区域,其他区域材料的温度基本没有变化,非常接近初始值温度293.15 K。全域应力最大值为7.1×103N/m2,位置出现在SiO2和Si接触面附近,最大位移为1.7×10-7μm,位置出现在SiO2层。因此,在初始时刻全域基本没有温升和热传递发生,内部没有大的应力和位移形变。

时间t=160 ms时刻,模型全域最高温度达到721 K,最低温度超过720 K。最低温度出现在PI层,其已经熔化,但是PI层以外区域温度均未达到熔点因此并没有发生熔化,如图3所示。

图3 t=160 ms时刻CCD内部热力学表面分布

时间t=240 ms时刻,模型全域温度将近1000 K,超过了Al层的熔点,此时Al层发生熔化。从表面应力分布上来看,应力最大值出现在Al和SiO2层接触的附近,达到了1.77×109N/m2,说明在此温度下,模型内部已经出现了比较大的位移变形,如图4所示。

图4 t=240 ms时刻CCD内部热力学表面分布

时间t=400 ms时刻,模型全域温度达到1310 K,多晶Si和SiO2之间的应力值达到最大2.86×109N/m2,位移变形进一步扩大,但增长幅度有限,如图5所示。因此,从t=240 ms到t=400 ms,内部主要是以热传导的方式继续向周围进行扩散,直到其他区域Al层和PI层的温度超过熔点发生熔化。从仿真结果来看,探测器表面至少10×10像素范围内的PI层和Al层达到熔点,出现热烧蚀现象,已经到了面损伤层级,激光功率为1.45×106W/cm2,即1080 nm连续激光辐照可见光CCD探测器400 ms时的损伤阈值为1.45×106W/cm2。

图5 t=400 ms时刻CCD内部热力学表面分布

通过研究最高温度变化曲线可以得到内部的传热关系。图6为CCD模型各层结构在不同计算时间下的最高温度,可以看出各层最高温度随时间呈线线性变化。因此可以判断,如果激光继续加载,那各层最高温度将在此基础上继续线性变化。此外,可以看出各层之间最高温度的差距较小,说明长时间照射导致内部升温比较均匀,没有出现大的温差。

图6 各层最高温度随时间变化曲线

图7 各层最大应力随时间变化曲线

图8 各层最大位移随时间变化曲线

从最大应力图上看出,最大应力随时间同样呈现线性变化,最大应力在SiO2层,其次Al层,Si层和PI层应力最小。时间越长,温度越高,应力差距越大。从最大位移图上看出,最大位移随时间呈现线性变化,最大位移出现在PI层,其次Al层,Si层的位移变形量基本为0,变化最小。

3 连续激光对CCD探测器损伤实验

3.1 实验布局及步骤

实验选用光纤激光器输出1080 nm连续激光对CCD探测器进行损伤实验。光纤激光器的输出激光功率30 W～3000 W,连续波(CW)单模输出光,光束质量M2不大于1.2,功率不稳定性优于2 %。WAT-902b型CCD探测器光谱响应范围0.4 μm～1.1 μm,像元数752×582,像元尺寸8 μm。实验布局如图9所示,分束镜将一路激光导入功率计进行功率监测,另一路激光对CCD探测器进行直瞄式干扰,图像采集处理系统实时采集和存储CCD输出图像。实验时,利用光开关固定激光辐照时间400 ms(与仿真一致),通过衰减片、格兰棱镜、半波片逐步增大到靶激光功率,完成了连续激光对CCD探测器损伤实验。

图9 损伤实验布局图

3.2 损伤实验结果

逐步增大到靶激光功率,当功率密度增大至2.13×106W/cm2时,CCD探测器出现面损伤,输出图像如图10所示。因此,可得CCD探测器实验损伤阈值为2.13×106W/cm2。

图10 CCD输出图像(面损伤)

金相显微镜下可以观察到,CCD探测器烧蚀区域近乎圆形,直径约为71 μm,如图11所示。烧蚀边缘区域主要是PI层出现熔融现象,但并不彻底。在越靠近烧蚀中心区域,烧蚀现象越严重,受到金相显微镜物镜景深所限,不能够进一步观察清楚。

图11 损伤形貌(金相显微镜)

在扫描电子显微镜下,可以明显看清烧蚀后的内部结构,如图12所示。烧蚀区域的最外层是不完全烧蚀的PI层,该层由于PI层熔化从而铺满整个的外层区域,此时最外层区域的像素分界线无法分辨。从形貌上看,PI层呈现明显的中心向外的波浪形烧蚀形貌且较为平整,中心区域烧蚀形貌并不规则,烧蚀区域的中心层和外层存在明显的分割线。

图12 损伤形貌(扫描电镜)

图13 线元素分析结果

画一条贯穿损伤区域的直线对烧蚀区域进行线分析,结果显示烧蚀区域主要包含C元素、O元素和Si元素。在外层边缘区域相较于中心区域C和O元素含量明显更高,对应了烧蚀区域外层主要是不完全熔化后的PI层。烧蚀中心区域C和O元素含量明显低,Si含量比较高,这是由于在中心区域PI层烧蚀后露出了内部材料,由于元素中不再包含Al元素,说明烧蚀中心区域,不光发生了PI气化,遮光Al层也熔化后消失。Si元素的分布有所不同,除了在烧蚀中心区域会有明显的强度分布,烧蚀外围同样有强度分布,这是由PI层烧蚀不完全,厚度降低,其下方的Si元素的强度增加所导致。

4 仿真与实验结果比对

模型仿真和损伤实验结果均表明,CCD探测器在损伤前,PI层都出现有大规模的烧蚀现象,金属Al膜层均发生了融化。1080 nm连续激光辐照可见光CCD探测器400 ms时的仿真损伤阈值为1.45×106W/cm2,实验损伤阈值2.13×106W/cm2,误差约为31.9 %,验证了仿真模型的科学性、准确性。

经分析,仿真与实验损伤阈值存在偏差的原因主要有两个方面:一方面,模型仿真时CCD各层材料比热容、热传导率等参数均设定为常数,没有考虑材料的参数随温度的变化,因而造成了一定的误差。另一方面,虽然CCD的某层结构已经被损伤破坏,但实际损伤实验时,该材料并未消失,仍然会对激光的辐照造成一定的影响,而模型仿真中,忽略了残留物质对激光入射的影响。此外,仿真计算时,圆形激光光斑扩展后,模拟激光正面直接辐照;在实际的损伤实验中,不能够保证绝对精准的正面入射,因此实际烧蚀形貌并非绝对的的圆形。

5 结 论

本文主要以1080 nm连续激光辐照损伤CCD探测器为例,开展了模型仿真及损伤实验。首先,基于CCD典型结构及各层材料特性,建立了连续激光对CCD探测器热效应损伤模型,仿真模拟了CCD各层瞬态温度场和应力场分布;其次,开展了连续激光对CCD探测器损伤实验,获取了CCD损伤阈值,并利用金相显微镜、扫描电镜对CCD探测器各层熔融情况进行了分析;最后,对模型仿真与损伤实验结果进行了对比。结果表明,1080 nm连续激光辐照可见光CCD探测器400 ms时的仿真损伤阈值为1.45×106W/cm2,实验损伤阈值2.13×106W/cm2,误差约为31.9 %,验证了仿真模型的准确性。CCD探测器热效应损伤模型对预估探测器损伤阈值具有一定的参考意义,仿真与实验结果对探究大功率激光辐照CCD探测器损伤机理、评估干扰效果具有一定的参考意义。