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实验中采用Nd: YAG激光器作为激光光源,CCD为SONY公司生产的ICX405AK型彩色面阵CCD。
实验装置如图 3所示。其中Nd: YAG激光器,其输出激光波长为1064nm,激光能量范围为1J~10J,脉宽为1.5ms。经能量衰减器衰减后,由聚焦透镜聚焦然后辐照到CCD表面,通过1维平移台调节CCD的位置来调节辐照CCD激光光斑的大小。实验中,使用脉宽探头和能量计对激光脉宽和激光能量进行测量,采用点温仪对CCD中心温度进行测量,采用DG645触发器对激光器和点温仪进行同步触发。
CCD离线视频图像采集装置如图 4所示。该装置由CCD驱动电路、数据采集卡和电脑构成。而表面形态变化、复位时钟信号和阻抗值变化等其它实验结果,可通过自聚焦显微镜和万用表等测量。
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在激光束直径为5.3mm、重复频率为10Hz时,以激光能量密度分别为13.16J/cm2, 17.03J/cm2和23.49J/cm2的激光对CCD探测器进行辐照。由于CCD表面上方的光学窗口主要材料为K9玻璃,其对光有一定的折射作用,因此在实验结果测量过程中,对CCD进行去光窗处理,且在处理视频输出图像时,只考虑CCD对外界可见光的感应程度。
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实验中以激光能量密度为13.16J/cm2, 17.03J/cm2, 23.49J/cm2的单脉冲激光分别对CCD进行辐照,CCD表面中心点温度随时间的变化关系如图 5所示。表 1中为CCD各层材料的熔点和气化点。当激光能量密度为13.16J/cm2时,点温仪测得温度为737.52K,微透镜(有机玻璃(polymethyl methacrylate, PMMA))与彩色膜层达到熔点发生熔融,光敏区未受损,因此受损区域会发生褪色现象;当激光能量密度为17.03J/cm2时,温度为843.53K,微透镜与彩色膜层达到气化点,发生缺失现象,受损部位激光直接进入感光层,CCD受损区域失去光的颜色分辨能力;当激光能量密度增加到23.49J/cm2时,点温仪测得温度为1728.92K,多晶硅电极和N型硅基底达到熔点,发生短路现象,使CCD无信号输出。
material microlens PMMA color film CMYG Si3N4 wolfram polysilicon SiO2 N-Si melting point/K 513 429 2173 36830 1683 1923 1687 gasification point/K 670 795 — 6200 2628 2503 3173 Table 1. The melting point and the gasification point of each layer of CCD material
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实验中采用IFM G4自动变焦3维表面测量仪对损伤后的CCD表面面积及损伤深度进行离线测量,结果如表 2所示。其中损伤面积比为激光对CCD表面的受损面积与整个光敏面的面积之比。根据结果对比可以看出,激光能量密度越大,CCD的损伤面积比越大,损伤深度也越深。
laser energy density/(J·cm-2) 13.17 17.03 23.49 the depth of damage/μm 13.38 17.56 23.79 the ratio of damage area/% 5.74 14.88 24.96 Table 2. Surface topography of CCD under different laser energy densities
以单脉冲激光能量密度为17.03J/cm2为例,CCD在毫秒脉冲激光的作用下其表面损伤形貌变化如图 6所示。截取其中某一条线,如图 6c所示,观察CCD在截线上的高度分布:(1)焦斑边缘处向上凸起。这是由于微透镜与彩色膜层在激光热作用下发生熔融,产生向外的挤压力,激光作用停止后温度骤然下降,重新凝固的材料堆积在焦斑边缘处形成凸起;(2)灰白色区域向下凹陷。这是由于彩色膜层在激光热作用下达到气化点后脱离CCD表面,致使CCD表面材料缺失形成凹陷,光敏区材料露出;(3)中心部位向上凸起。这是由于激光热作用导致微透镜与彩色膜层发生溶液飞溅现象,光照停止后,未完全与CCD表面分离的材料重新凝固在CCD表面,形成凸起。
由CCD的形貌损伤结果可以看出:CCD表面材料在激光热作用下发生熔融,产生烧蚀熔坑。当温度达到CCD表面材料的气化点时,表面材料发生喷溅、缺失现象,使感光层暴露。损伤深度进一步向下延伸,当熔坑达到硅基底内部一定深度时,CCD的电荷存储及转移功能将受到影响,相应区域无法进行光电转换。当激光能量密度达到23.49J/cm2时,硅基底内部移位寄存器受损,无信号输出,最终导致CCD完全损坏,无法工作。
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CCD视频输出图像结果如图 7所示。当单脉冲激光能量密度为13.17J/cm2时,视频图像出现了不规则圆形“焦斑”,且颜色发生改变,激光未照射区域对光有感应;当激光能量密度增加到17.03J/cm2时,焦斑面积增大且边缘颜色发生改变,中心区域颜色表现为白色,其它未照射区域对光仍有感应;当能量密度达到23.49J/cm2时,CCD输出图像为全屏黑白雪花且对光无感应,判定CCD为完全失效。因此,作者认为CCD的功能损伤阈值在23.49J/cm2左右。
从视频输出图像可以看出,CCD探测器在激光作用下表面焦斑颜色发生改变,结合CCD表面中心点温度变化可得出,彩色膜层在激光热作用下的熔融飞溅现象为焦斑颜色发生变化的主要原因。
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利用万用表对CCD的移位寄存器阻抗值与复位时钟信号进行测量,结果如表 3所示,V表示垂直引脚,H表示水平引脚,R表示复位时钟引脚。由表中数据可以看出:当激光能量密度为13.17J/cm2时,损伤后的CCD各引脚阻抗值均属于正常范围,所以CCD的垂直、水平移位寄存器和复位时钟信号并未受到破坏。当激光能量密度达到23.49J/cm2时,垂直移位寄存器的阻抗下降了一个数量级,所以可以认为,CCD的主要损伤原因为多晶硅电极在激光热作用下发生熔融,N型硅基底发生短路,漏电流增加,最终导致CCD的信号传输通道破坏,无法工作。
serial number laser energy density/(J·cm-2) V1/MΩ V2/MΩ V3/MΩ V4/MΩ H1/MΩ H2/MΩ R/kΩ 1 13.16 3.62 1.47 3.63 1.41 1.18 1.46 96.6 2 17.03 3.47 1.24 3.52 1.23 1.13 1.12 96.5 3 23.49 4.6 1.35 4.6 1.38 0.45 0.39 96.6 Table 3. Vertical and horizontal shift register impedance and reset clock signal for CCD detectors under different laser power densities when τ=1.5ms