脉冲激光对星载探测器的干扰和损伤分析

该文采用高斯光束辐照半无限固体的温升模型,研究了探测器表面温升与激光干扰和损伤阈值的变化关系。发现脉冲CO2激光对探测器的干扰和损伤与脉宽无关,只与脉冲能量密度有关,探测器表面温升与入射激光脉冲能量密度成正比关系,干扰阈值比损伤阈值要低一个数量级。通过理论分析,求出了干扰和损伤星载HgCdTe探测器所需CO2激光的脉冲能量。定性分析结果表明高平均功率重频脉冲激光更容易对星载探测器造成有效干扰和永久性损伤。     

脉宽及重频对HgCdTe探测器损伤阈值影响分析

为了研究脉宽及重频对HgCdTe探测器损伤阈值影响,采用有限元法对HgCdTe红外探测器进行2维建模,以及激光辐照探测器温度场的仿真,得到了波段内外脉宽从10ns~1000ns的单脉冲激光损伤阈值。由于采用实验测定所有脉宽激光损伤阈值的办法不现实,故通过仿真计算,给出了从ns~μs量级不同激光脉宽的单脉冲探测器损伤阈值公式。结果表明,波段外单脉冲损伤阈值为9MW/cm2~0.9MW/cm2,波段内为150MW/cm2~15MW/cm2,并且探测器单脉冲损伤阈值与激光脉冲宽度呈负指数关系;当采用重频激光辐照探测器时,在相同的重复频率下,因长脉冲激光比窄脉冲宽激的脉冲间隔小,故长脉冲激光辐照时更容易出现温度积累效应,从而出现大面积损伤。这为进一步研究探测器的热应力场热弹性波和激光防护等提供了重要的理论分析依据。     

高重频CO2激光对Hg0.826Cd0.174Te晶体的损伤

开展了HgCdTe 晶体的多脉冲热损伤问题的实验研究。采用形貌学方法对脉宽为300 ns 重复频率可调的CO2 激光器对Hg0.826Cd0.174Te 晶体的损伤阈值进行了实验测量,并建立了高重频脉冲CO2 激光辐照Hg0.826Cd0.174Te 晶体的三维热传导理论模型,分析了激光重复频率和辐照时间对晶体损伤特性的影响。研究表明:300 ns 的CO2 激光辐照时间大于10 s时,Hg0.826Cd0.174Te 晶体的损伤阈值不随辐照时间的增加而改变,其损伤阈值为1.421 4103W/cm2;激光重频对晶体的损伤阈值的影响较小,损伤阈值主要取决于辐照激光的平均功率密度。SEM 损伤结果显示:晶体损伤为热熔损伤,表面未发现由热应力造成的裂缝。理论模型获得的损伤数据和温升规律支持实验结果。该研究可为高重频CO2 激光应用、激光防护等提供参考。     

激光辐照对HgCdTe长波光导探测器性能的影响

对HgCdTe长波光导探测器进行了变功率激光辐照,对激光辐照前后的探测器性能进行了测试。结果表明在受到功率高于暂时损伤阈值但低于永久损伤阈值的激光辐照后,探测器性能有较大的下降。     

10.6 μm脉冲激光对多晶硅探测器干扰损伤实验

用10.6 μm脉冲CO2激光辐照多晶硅光电探测器,进行了干扰与损伤阈值实验研究,得到了对多晶硅探测器的干扰、损伤阈值;分析了不同干扰能量的干扰效果,研究了干扰损伤机理,依据受干扰程度对干扰等级进行了划分;通过干扰激光能量与干扰光斑面积的关系,重度饱和后探测器随时间恢复情况,探讨了各干扰等级下10.6 μm脉冲激光对红外成像系统的干扰效果。     

CO2激光辐照HgCdTe探测器的实验研究

采用CO2激光分别对PC型和PV型HgCdTe探测器进行干扰实验,得到了不同入射激光功率密度下的响应波形,给出了两种探测器的热效应干扰阈值和饱和阈值,并对实验结果进行了分析。     

激光辐照锑化铟红外探测器的热应力损伤研究

通过介绍锑化铟红外探测器的基本构成及其材料热力学相关特征,阐述了激光辐照锑化铟红外探测器造成的损伤机理,采用有限元分析法,分析相关的辐照环境和条件并建立了一种三维仿真模型。仿真模拟了波长为10.6 μm的CO2激光辐照锑化铟红外探测器时各部分的温度变化及应力变化情况,通过数值分析比较了在光斑面积一定的情况下经过不同功率的激光辐照后锑化铟探测器表面径向及内部轴向发生的温度场变化及应力场变化;探测器表面应力值经过106 W/cm2的激光辐照后很快达到最高点,造成损伤,锑化铟与铟柱接触部分的应力值随光斑半径大小不同而有所变化。将锑化铟探测器材料的应力损伤阈值及变化趋势同已有实验数据进行对比,验证了模型的精确性。     

CO2激光对HgCdTe焦平面器件热力作用的理论分析

利用有限元分析方法,对CO2连续激光辐照HgCdTe红外焦平面器件的温升效应和热应力效应进行模拟计算,模型的建立加入了In柱对实验的影响.对温度及热应力分布进行分析,结果表明,探测器的温度分布随着激光辐照时间的增加而出现明显的变化.在感光层与In柱阵列的交界面上所产生的热应力对HgCdTe红外焦平面器件造成的损伤有可能先于温升损伤而发生.     

大功率激光对CCD探测器损伤研究

针对大功率激光辐照可见光成像探测器损伤机理,开展了1080nm波段大功率连续激光对CCD探测器损伤模型仿真与实验研究。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,分析了连续激光损伤CCD多层结构的时间演化规律;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,并分析了损伤阈值存在差异的原因。结果表明,1080nm连续激光辐照可见光CCD探测器400ms时的仿真损伤阈值为145×106W/cm2,实验损伤阈值213×106W/cm2,误差约为319。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。     

Theoretical analysis of thermal-stress effect of HgCdTe infrared focal plane device induced by 10.6 μm laser

建立了HgCdTe红外焦平面器件的多膜层理论模型,利用有限元分析的方法,对10.6 μm激光辐照下HgCdTe红外焦平面器件的升温情况与热应力分布情况进行模拟,并通过参考已有文献的实验结果,验证了理论模型的合理性.理论分析结果表明:激光作用时探测器的温度场变化剧烈,200 W/cm2连续激光作用1 s后,HgCdTe感光层所受热应力为-986 MPa;脉宽100 ns,功率密度15 MW/cm2脉冲激光作用后,HgCdTe感光层所受热应力为-1300 MPa,都比器件制造过程中由于热失配而产生的热应力大;应力损伤发生的概率增大,可能比热损伤先发生,是HgCdTe红外焦平面器件激光损伤中的重要原因.     

中波红外激光器的近场远场测试方法及应用

高重频3~5 m中波红外固体激光器由于其多方面的潜在应用而受到了广泛的重视。但该波段激光器输出具有较大的技术难度并且人眼不可见,因此对于此种激光器的近远场测试方法的报道很少。文中首先简要介绍此类激光器的产生原理,然后对激光器近场参数进行了详细测试。最后,在室外180 m距离上通过单点探测器采样进行了中波红外激光器的远场绝对功率密度测量,并与Fresnel衍射积分的理论结果进行了对比。理论和实验结果表明,此激光器波长为3.9 m,具有高平均功率和高重频的特点,功率不稳定度为10%。远场测试结果和理论计算都表明此激光器在远场具有准高斯的光强分布。考虑大气影响,测试得到远场平均能量密度为6.367 nJ/cm2,比大气经验模型计算的结果大1.3倍。该研究将对测试中波红外激光器的参数提供有益的参考,并对此激光器圆场探测器干扰阈值评估具有一定的借鉴作用。     

脉冲激光辐照CCD面阵探测器系统局部的干扰效应研究

采用脉冲激光对面阵CCD探测器系统进行干扰,研究了脉冲激光辐照CCD系统局部时,系统工作状态的变化,测量了CCD探测器系统的饱和阈值范围,分析了饱和的原因.在实验中观察到"光饱和串音”现象,实验验证了不同干扰频率对CCD探测系统具有不同的效果.     

高斯激光辐照焦平面探测器温度场分析与仿真

为了研究激光辐照焦平面探测器的温度效应,采用ANSYS有限元软件建立高斯脉冲激光辐照锑化铟红外焦平面探测器的3维结构分析模型,并对该探测器3维温度场效应进行了研究。结果表明,激光辐照下,探测器最大温度出现在最上层的锑化铟芯片上,探测器最大温度达到锑化铟芯片熔点温度798K时,将会引起探测器的热熔融损伤,且熔融损伤阈值受到脉宽、光斑半径等激光参量的影响;高斯脉冲激光辐照下,探测器中各层材料的温度场分布呈现出非连续的高温极值区域,其主要原因是位于锑化铟红外焦平面探测器中间层相间分布的铟柱和底充胶具有迥异的热学性质,并且造成探测器温度场云图中锑化铟芯片、底充胶与硅读出电路高温极值区域形成类似于互补的高温分布。这为进一步研究温升效应引起的应力场分布、提高探测器激光防护性能提供了重要的理论分析依据。     

激光辐照面阵CCD探测器系统局部的干扰效应

采用脉冲与连续激光实现了对面阵CCD探测器系统的干扰,研究了脉冲与连续激光辐照CCD探测器系统时,CCD探测器系统工作状态的变化,测量了CCD探测器系统的饱和阈值范围,并分析了造成饱和的原因.在实验中观察到了"光饱和串音"现象,采用脉冲激光实现了对面阵CCD探测器的硬破坏.     

2.79 μm中红外激光对PbS探测器的损伤实验研究

开展了不同重频下2.79μm中红外激光对PbS探测器的损伤实验。基于传热学理论,利用有限元法对2.79μm中红外激光辐照PbS探测器中的温度分布进行了数值分析,并比较了脉冲数目、重复频率对损伤效果的影响,分析了2.79μm中红外激光辐照PbS探测器的损伤机理,获取了相关阈值数据。研究表明,2.79μm中红外激光对PbS探测器的损伤机理主要以热熔融为主,在温度没有达到PbS熔点时,PbS就会发生热分解反应,析出黄色沉淀物PbO;计算得到单脉冲2.79μm中红外激光对PbS探测器的损伤阈值为13.03 J/cm²,且脉冲数目、重复频率对损伤效果影响很大,损伤累积效应明显。理论模型能够较好地解释PbS表面初始损伤形貌特征。     

激光对光伏探测器真空破坏的实验研究

为了进一步研究激光对光电探测器的损伤破坏特性,以损伤面积和开路电压的变化为判断标准,实验研究了真空环境与大气环境中,脉冲激光辐照对光伏型探测器的破坏特性。选用无覆盖层的2CR 10×2.5四象限硅光电池作为探测器试件,辐照光源为波长1064nm的Nd:YAG脉冲激光器。分析讨论了真空及大气环境下,单脉冲及多脉冲激光打击时,光伏型探测器的破坏阈值及破坏形貌的区别及其成因。实验分析比较了不同环境下的破坏面积异同及其对光伏型探测器的影响。结果表明,真空环境中的破坏阈值明显低于大气环境,在本文中的实验条件下,其实际阈值约为大气中的40%。该研究在光电对抗及有效防护等方面有重要意义。     

单脉冲激光辐照CCD探测器热效应仿真研究

为了研究实际情况下激光辐照CCD热效应情况,首先介绍了CCD探测器的结构和工作原理并分析了脉冲激光对CCD探测器的热损伤过程。然后利用有限元方法在三维空间上分别对三种波长的脉冲激光(532nm、808nm、1064nm)辐照CCD进行了固体传热仿真,通过仿真得到了在三种不同波长下CCD探测器的损伤能量密度阈值。接下来通过比较损伤能量密度阈值发现当波长为532nm时,CCD探测器的损伤能量密度阈值最小。最后对比已发表的实验结果找到了比较统一的损伤规律。     

短脉冲激光辐照下光学膜层迎光剥落的理论模型

基于最大剪应力理论 ,建立了短脉冲激光辐照下光学膜层发生迎光剥落的理论模型 ,导出了膜层剥落的激光功率密度阈值条件和剥落区半径与激光及膜层参数的关系式。以时空都为Gauss分布的ns级脉冲激光辐照ZrO2 膜层为例进行了理论计算。该理论模型及其结果揭示出光学膜层的轴向快速热膨胀、膜层材料的热软化以及由膜层中的径向应力、环向应力和垂直剪应力导致的锥面型剪切滑移是脉冲激光辐照下膜层发生迎光剥落的主要原因。     

光伏型光电探测器漂移-扩散模型的改进

提出了改进的描述光伏型半导体光电探测器中载流子输运的漂移-扩散模型,该模型能适合更高强度的激光辐照,可以模拟光生载流子的长时间过程。依据该模型,对光伏型探测器进行了模拟计算,得到了激光辐照下探测器的动态响应规律、探测器温升以及材料参数对探测器响应的影响。