脈沖激光輻照CCD探測器飽和閾值分析

雷 威， 王海晏，2， 牛 翀

(1.空軍工程大學工程學院，西安 710038;2.西安電子科技大學，西安 710071)

0 引言

激光干擾是光電對抗技術的重要組成部分，是現代戰爭必不可少的高技術之一。本文利用有源設備對電視制導武器的CCD導引頭實施擾亂欺騙作為光電對抗設備。分析仿真脈沖激光對CCD飽和閾值的影響，為實際對抗電視制導武器的研究提供理論基礎。

1 CCD基本工作原理

CCD是由在硅片上整齊排列的光敏二極管單元組成的，它們排成一矩形方陣，其中每一個光敏單元稱為像元，當光照射到硅片上的方陣時，每一個像元中的原子在具有一定能量的光子作用下，電子從原子中逃逸，形成了一對自由電子和失去電子的原子空穴。投射到光敏單元上的光線越強，產生的電子－空穴越多。在硅片上這些電子可以和空穴分離，并可以收集起來，電子－空穴對的分離和收集用半導體中的勢阱就可以完成，就像用水桶收集雨水一樣。光敏單元收集由光子作用產生的電子。電子數主要取決于光照強度和收集(積分)時間的長短，收集完成后，最后的光敏單元將電荷注入設在輸出端的電子測量單元，電荷/電壓轉換單元將電子轉換成相應的電壓，形成了一個像元的視頻信號。光敏單元將電子倒空后，又可以接收新的電子，這樣相鄰光敏單元之間不斷向輸出端倒換(移位)電荷，直至倒換(移位)到輸出端的電子測量單元，轉換成像元電壓。

2 脈沖激光各參數對CCD的影響

研究脈沖激光對CCD飽和閾值影響，就必須研究脈沖激光各項性能對CCD飽和的影響。由于脈沖激光與連續激光相比具有脈沖峰值功率很高且脈沖作用時間極短的特點，因此，脈沖激光對CCD作用會出現瞬間加熱效應，而瞬間產生的熱量很難在短時間內傳遞出去，從而導致CCD出現局部升溫現象，當這個溫度升高到一定程度會導致CCD失效。這只是CCD熱效應的損傷，本文主要研究CCD光電效應的飽和。

下面列舉實驗條件下，可見光硅CCD在波長為1.064μm YAG脈沖激光輻照作用下的飽和效應，得到探測器的像元飽和閾值及實驗現象［1－4］。

圖1為YAG脈沖激光輻照CCD的干擾實驗裝置原理圖。實驗中，激光器為Nd:YAG激光器，其波長為1.064μm，脈沖寬度可調，實驗中脈沖寬度為 10 ns。激光器的重復頻率為1 Hz。CCD為KA-320型面陣CCD探測器，該探測器為1/3 in(注:1in=2.54 cm)靶面，像素為752×582。示波器為Tektronix的TDS 3052數字示波器，該示波器可實時監測CCD的輸出響應，也可與計算機一樣存儲實驗結果。能量計采用美國相干公司的激光能量計，用來監測激光輸出的能量，能量計可測量的能量范圍為0.5～5 mJ，可探測的激光波長為0.19 ～20μm，分辨率為 10μJ，測量精度為 ± 5%。為避免強脈沖激光對CCD的硬破壞，光路中放置了光闌、衰減片組及濾光片以衰減到達CCD光敏面上的激光能量，分光板的透反比為1.42∶1。實驗前，需調整光學元件，以使光束穿過其幾何中心，調整方法為采用不同口徑的光闌放置于光路上的每個光學元件前進行實驗。實驗過程中對CCD探測器發生飽和現象的判斷依據是:連續增加輻照激光的能量密度，在激光輻照過程中探測器前后兩次輸出的信號電壓基本相同。

圖1 脈沖激光對CCD的輻照干擾實驗裝置示意圖Fig.1 Experiment of CCD irradiated by pulse laser

開始輻照時，調整激光器能量至探測器處于正常工作狀態，然后不斷減小衰減量并觀察示波器顯示的視頻信號以判斷CCD正好發生飽和現象，此時的探測器光敏面的激光能量密度即為探測器的飽和閾值，記錄此時的激光能量密度并轉換為光敏面處的激光能量密度，得到KA-320型面陣CCD在YAG脈沖激光輻照下的飽和閾值為1.3×10－6J/cm2。當繼續減小衰減量至CCD光敏面的激光能量密度為0.6 J/cm2時，CCD開始出現局部損傷。因此，在上面所說的特定條件下，KA-320型CCD在YAG脈沖激光輻照下發生飽和從而失去成像能力時的激光能量密度范圍為1.3×10－6～0.6 J/cm2。

實驗過程中證實了CCD在脈沖激光輻照下出現了飽和現象，同時在垂直的時鐘線方向上伴隨有“光飽和串音現象”(也稱之為“彌散”現象)的出現。由于脈沖激光峰值功率較高，且其脈沖寬度只有100 ns，因此激光輻照產生的熱量難以及時傳遞而易造成輻照域局部出現損傷。不過從CCD出現像元飽和現象到局部損傷時的激光能量范圍相差很大，存在5個數量級的差別。

可以認為，CCD的每個像元等效于一個電容，當其結構確定后，勢阱中所能容納和處理的最大電子電荷數就是一定的，當強激光輻照CCD的局部時，CCD的光積分時間極短，約為幾微秒到幾百微秒，而光生載流子產生時間卻只需幾個皮秒，這就使得光生載流子有足夠的時間向鄰近勢阱發生“溢流”現象。

可假設條件:可見光硅CCD探測器光敏元全部受激光照射，當探測器達到飽和閾值，同時探測器內光生電荷Qs的值也為最大值，也就是說，當有飽和像元出現，此時的探測器已經是全屏飽和。

下面將脈沖寬度、峰值功率、重復頻率等影響探測器飽和閾值的因素進行量化分析，用仿真模型得出結論。

2.1 脈沖寬度［5］

對于激光損傷光學材料，已有大量實驗數據表明，光學材料的激光功率損傷閾值Ith隨激光脈沖寬度tp的增大而降低，大致為(Ith∝)，n值與激光對光學材料的損傷機制有關。根據目前比較流行的三種損傷機理:電子崩電離、多光子吸收和自由等離子體吸收進行的理論計算［6］，n 分別為 －0.035，－0.155 和 －0.25。一般來講，短脈沖激光下(tp＜30 ns)，多光子吸收電離是引起光學材料激光損傷的主要原因。對于長脈沖激光，等離子體吸收則是主要原因。現在已經有超短脈寬(fs量級)的激光損傷探測器的研究［1］。

研究脈沖寬度tp和探測器飽和閾值的關系，在單脈沖情況下，也就是研究輻射能量與飽和閾值的關系，當峰值功率不變，脈沖寬度逐漸減小，輻射能量則同時減小。

分別取10 ns，50 ns，80 ns脈寬的調Q激光和100μs，200μs，500μs脈寬的長脈沖激光，為研究方便，假設當脈寬為10 ns和100μs時的激光峰值功率為500 W，對探測器進行干擾，由后面的仿真模型，得出脈沖寬度與飽和閾值的關系。

2.2 峰值功率

在單脈沖時，激光能量:

式中:p(t)為瞬時功率;p(t)max為峰值功率;tp是激光脈沖寬度。而脈沖的平均功率:

在對探測器進行照射時，都采用的是脈沖激光的峰值功率，峰值功率是瞬時功率中的最大值。圖2是脈沖激光的平均功率波形圖，圖3是峰值功率波形圖。

圖2 平均功率波形圖Fig.2 Curve of average power

圖3 峰值功率波形圖Fig.3 Curve of peak power

由圖3可以看出，在脈沖寬度較小的情況下，正是由于峰值功率較高，很容易使探測器短時間內達到電荷飽和，由于假設是全屏照射，一旦探測器像元飽和，就無法成像。

2.3 重復頻率

多脈沖激光對探測器的損傷規律與單脈沖情形有很大差別。一般說來，隨著激光脈沖個數的增加，激光損傷閾值變小。目前，對多脈沖激光損傷的機理有兩種解釋:一種認為多脈沖激光損傷是一個熱積累過程，每一個激光脈沖都使被輻照材料升溫，當溫度達到一定程度(如熔點等)，造成材料的宏觀破壞;另一種觀點認為多脈沖激光損傷是材料內部微觀缺陷吸收激光后的非線性發展積累過程。一般的材料在制備和加工過程中，存在大量的微觀缺陷，它們具有比材料本征吸收大得多的吸收率，在材料與激光脈沖相互作用的過程中，缺陷吸收占主導地位，卻先吸收在材料內形成局部高溫，局部高溫達到一定程度，就會造成材料缺陷處首先發生熱爆炸、電子崩電離等過程，從而使缺陷進一步擴大。激光損傷是材料局部或者整體的結構及物性并沒有發生宏觀損傷，只是引起材料內微觀缺陷的發展和爆炸，初始時這種微觀損傷破壞程度很小，對材料光學特性的影響很小，用比較先進的手段才能夠發現這種變化(掃描電鏡等)。然而每個微觀缺陷的發展和爆炸，都將增加對后續激光脈沖的吸收，并導致更大的微觀損傷發生，最終導致材料發生災難性損傷。值得一提的是，每個激光脈沖強度都不能低于一個最小值，否則材料中不會產生微觀損傷，再多的激光脈沖也不能發生宏觀損傷。

本文只研究激光照射探測器時的光電效應，對于熱效應暫不考慮。考慮重復頻率對探測器飽和效應影響，在脈沖寬度一定時，峰值功率不變化，變化的是輻照能量，在功率不變時，作用時間與輻照能量成正比W=pt。此時的功率p是指平均功率。

分別取1 kHz，10 kHz，50 kHz的高重頻脈沖激光照射CCD，具體的結果在接下來的仿真中得到。

3 脈沖激光對CCD的干擾仿真

與連續激光不同的是，脈沖激光對探測的閾值分析一般都是用能量密度，單脈沖時激光作用時間就是脈沖寬度，而多脈沖的作用時間，則是脈沖寬度乘以重復頻率。

如圖4所示，當輻射激光為脈沖激光時，用入射光能量上限替代入射光功率密度上限與時間的乘積:

圖4 脈沖激光照射CCD探測器仿真圖Fig.4 Simulation of CCD irradiated by pulse laser

則圖4變為圖5。

圖5 入射光能量上限求解閾值電壓圖Fig.5 Solution of threshold voltage by using upper limit energy of incident laser

利用圖4，將10 ns，50 ns，80 ns脈寬的調Q 激光作為入射光，與圖5所得閾值電壓進行比較，得出圖6。

圖6 調Q激光脈沖寬度與飽和閾值電壓關系圖Fig.6 Relation of Q-laser’s pulse width and threshold voltage

同理將 100μs，200μs，500μs 脈寬的長脈沖激光作為入射光，與圖5所得閾值電壓進行比較，得出圖7。

圖7 長脈沖激光脈沖寬度與飽和閾值電壓關系圖Fig.7 Relation of long pulse laser’s pulse width and saturation threshold voltage

在單脈沖作用，脈沖寬度為10 ns時，峰值功率的變化與飽和閾值電壓的關系如圖8所示。

圖8 峰值功率與飽和閾值電壓關系圖Fig.8 Relation of peak power and saturation threshold voltage

重復頻率為1 kHz，10 kHz，50 kHz時，假設脈沖寬度為10 ns，峰值功率為500 W，這時的能量變化完全隨著重復頻率的增大而增加，圖9便是重頻與飽和閾值的關系圖。

4 仿真結果分析

正如假設條件所述，在確定了探測器的類型以后，探測器的每個像元都可視為一個電容，而每個電容所能容納的電量一定，最終的飽和閾值所對應的電壓值也是一個定量，這就大大地方便了對激光參數引起探測器飽和閾值變化規律的研究。

圖9 重復頻率與飽和閾值電壓的關系圖Fig.9 Relation of repetition rate and saturation threshold voltage

在圖6～圖9中，無論調Q激光還是長脈沖激光照射CCD時，若峰值功率不隨脈寬而變，為常值，則脈沖寬度越大，意味著作用時間越長，也就越容易達到飽和閾值。但比較圖6和圖7后可知，在相同的單脈沖能量、重復頻率下，調Q激光更易造成探測器飽和。在研究峰值功率時，又假定脈沖寬度不變，只是峰值功率的改變，同上脈寬所述，峰值越大的激光，能量越大，越能引起探測器飽和。相對多脈沖時候，脈沖寬度取10 ns，峰值功率取500 W，照射在CCD探測器上的能量是多個單脈沖能量之和，當然可以看出，重復頻率越高，飽和閾值越大。

上述激光參數都是在沒有定激光器類型時的分析。實際運用過程中，當脈沖寬度越小時，峰值功率也就越大。所以，實際上，選用重頻高，脈寬短的激光器就越能使CCD探測器飽和。

5 結束語

本文主要研究的是脈沖激光對于CCD探測器的飽和效應。

首先，選用文獻的實際實驗，論述了實驗中，引起探測器飽和閾值變化的各項因素，列舉了探測器光飽和閾值，串音閾值，損傷閾值時的激光能量數據，為后續仿真分析打下基礎。

然后，分別對峰值功率、脈沖寬度、重復頻率這些脈沖激光特有參數進行了定量分析，就單個參數對探測器的飽和閾值影響進行了分析，運用仿真模型，對應仿真結果圖形，得出結論:調Q激光比長脈沖激光在同樣的重復頻率與單脈沖能量時，更易使探測器飽和，但無論是調Q激光還是長脈沖激光，若脈寬改變，峰值功率不變時，脈寬越大，峰值功率越高，重復頻率越大，越能使探測器達到飽和狀態。而對應的假設條件，全屏照射時，CCD探測器達到了飽和狀態，就達到了串音狀態，也是全屏飽和。這就使成像系統無法再成像，達到干擾目的。

最后，指出了結論中與實際不同之處，在沒有規定激光器類型的情況下，假定脈沖寬度的變化，不引起峰值功率的改變，這是為研究理論時的情況而定。在實際中，激光器的脈沖寬度越小，峰值功率越大。所以，在實際運用中，應當選用脈沖寬度越小、峰值功率越高、脈沖頻率越大的激光器，這樣越能使探測器達到飽和狀態。

［1］周建民.激光對光電制導武器跟蹤系統的干擾技術仿真研究［D］.北京:中國科學院研究生院，2004.

［2］劉晶，周曉東，紀淑波.電視制導武器的激光軟殺傷分析［J］.電光與控制，2005，12(5):62-65.

［3］王世勇，付有余，郭勁，等.脈沖激光對CCD圖像跟蹤系統干擾效果評估［J］.激光與紅外，2002，32(1):20-22.

［4］宋振鐸，文長江，齊占元.脈沖激光對CCD器件干擾與損傷研究［C］//第十五屆全國紅外科學技術交流會全國光電技術學術交流會論文集，2001:481.

［5］MA Guobin，TAN Weihan，WANG Zhanshan.Calculation of threshold dependence of laser-induced damage upon pusle duration［J］.Optics and Precision Engineering，1998，6(3):22-27.

［6］BECKER M，ZHANG Chenzhi，BLARRE L，et al.Laserinduced functional damage to silicon CCD sensor arrays［J］.SPIE，1991，1624:67-79.