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根据上述理论模型,使用波长为1.06μm、功率0.5W的连续激光对CCD进行照射,光斑半径a=1mm,光斑的功率密度分布如图 2所示。初始环境温度Tair=300K,CCD底部为固定约束,并假设底部绝热,四周与空气形成对流,对流传热系数K=5W/(m2·K)。激光辐照下,把CCD内各材料间的辐射换热看成是热传导的一部分,而设CCD向外界辐射换热主要由最上层上表面进行,且辐射能量主要集中在红外波段,忽略其它波段的辐射能量损失。当激光辐照开始时,主要由微透镜上表面进行辐射换热,当微透镜层达到一定温度发生热分解后,辐射换热由SiO2增厚层上表面与环境进行。组成CCD的各种材料参量见表 1。
parameter PI Al SiO2 Si density ρj/ (kg·m-3) 1.53×103 2.7×103 2.64×103 2.52×103 thermal conductivity κj/(W·m-1·K-1) 0.12 238 1.3 156 melting point Tm, j/℃ 500(pyrolysis) 660 1700 1412 specific heat capacity cj/(J·kg-1·K-1) 1.09×103 1.05×103 841 1009 thermal expansion coefficient βj/K-1 2×10-5 2.29×10-5 5×10-7 2×10-5 Young’s modulus Ej/Pa 4×109 1.38×1011 8.7×1010 1.07×1011 Poisson’s ratio μj 0.3 0.33 0.16 0.28 thickness hj/μm 2 1 thickening 3.2 insulation 0.2 30 radius rj/mm 2.4 2.4 2.4 2.4 emissivity αj 0.521 — 0.985 — absorption rate of 1.06μm laser ηj — 0.06 — 0.67 -
图 3为CCD在激光辐照时刻t=3.4s时的温度分布图。由图可知,温升从激光光斑中心向靶材边缘递减,而沿轴向变化不大,沿径向有大约6℃的温差。因此,研究CCD的热损伤时可以计算CCD的平均温度。
图 4为CCD的平均温度与辐照时间的关系。由图可知,随着辐照时间的增加,温升逐渐增加,但是增速逐渐趋缓。这是因为随着CCD整体的温度升高,辐射换热量也逐渐增大,能量损耗的加大使温度曲线呈现为“上凸”式上升,当t=3.4s,CCD温度达到500℃,微透镜热分解,假设PI全部分解,忽略其分解作用时间。微透镜分解后聚光效应消失,激光透过SiO2增厚层照射到遮光Al膜上,一般Al膜开口率30%,也就是说激光能量的70%作用在Al膜上,其余30%继续作用在基底Si上。由于Al膜对该波段激光吸收率仅6%,激光的大部分能量被反射,CCD中整体的输入热源大幅降低,再加上SiO2增厚层的热辐射系数比PI高很多,所以温度曲线呈现“下凹”式走低,最终达到热输入和热损失相等的平衡,温度维持在295℃。通过温度场的仿真可以发现,功率0.5W、光斑半径1mm的连续激光对该CCD造成的热破坏是使微透镜热分解,其它材料因达不到熔点而未受熔融损伤。
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图 5为CCD在激光辐照时刻t=3.4s时的应力及应变分布图。由图可知,在CCD的多层材料中,遮光Al膜层和基底Si层所受应力较大。图最大应力出现在基底Si下表面边缘处,由于是固定边界与自由边界的交汇处,受到CCD因温升而发生向上和向外的热膨胀所引起的应力同时作用。最小应力出现在SiO2增厚层的边缘。因此,判断CCD热应力破坏的位置应着重考虑基底Si下表面边缘处。
图 6a和图 6b分别表示材料内部最大的应力及材料交界面的应力随时间的变化。由图可知,CCD中各材料受到的最大应力均为压应力,主要是受热膨胀所致。其中以Si下表面边缘处所受应力最大,峰值达到4140MPa,可是Si的抗压强度有限,为120MPa[3],也就是说当激光作用0.1s左右时,基底Si固定边缘就出现了滑移,随着辐照时间增加,滑移位置向中心移动。由图 6b可知,材料交界面处以遮光Al膜与上下层的SiO2膜层间的拉应力为最大。由于Al膜和SiO2的附着力为100MPa左右[12],所以当激光作用0.3s时,由光斑中心开始,遮光Al膜和SiO2膜层发生分离,并向边缘扩散。
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经以上分析,激光辐照首先使基底Si在固定底面边缘产生沿径向由外向内的滑移,紧接着遮光Al膜与SiO2膜层沿径向由内向外脱离,两种应力破坏可能伴随发生。遮光Al膜的脱离致使产生漏光现象,并且减少基底Si的向上热传导,减小了热量损失,加快了基底Si与固定底面的滑移分离。当基底Si完全脱落,离开光学系统的像面,整个系统将失效。