激光損傷非制冷微測輻射熱計的實驗研究

周 冰，賀 宣，劉賀雄，李秉璇，張俊祥

（1.陸軍工程大學石家莊校區(qū) 電子與光學工程系，河北 石家莊 050003；2.解放軍94019 部隊，新疆 和田 848000）

0 引言

隨著紅外探測技術不斷革新，基于非制冷紅外測輻射熱計陣列的紅外成像系統(tǒng)已在熱成像、夜視（軍用、商用）、地雷探測、偵察、監(jiān)視、消防、醫(yī)學成像、預測性維護和工業(yè)過程控制等領域有所應用。作為電阻型紅外探測器，非制冷紅外測輻射熱計陣列達到了以前只有制冷型紅外光子探測器才能實現(xiàn)的性能水平[1]。鑒于其較高的性能和較低的制造成本，未來軍事裝備的研發(fā)中也將會得到大范圍的普及，特別是多晶硅探測器，憑借著其諸多優(yōu)點而備受青睞。與之相對應的是，針對敵方偵察、成像系統(tǒng)的激光壓制干擾技術研究也被逐步提上日程，因而激光損傷非制冷微測輻射熱計的研究受到人們的廣泛關注，具有重要意義。

由于非制冷微測輻射熱計具有較高的熱敏性能，它在激光的輻照作用下極易發(fā)生飽和致盲，甚至永久損傷。本文以多晶硅探測器為例，根據(jù)器件的成像原理，分析了激光輻照過程中像元陣列產生的一系列微觀效應，并進行了實驗，得到了使多晶硅探測器進入不同損傷狀態(tài)的輻照激光功率范圍，推斷了激光輻照像元陣列的熱效應損傷機理；結合實際戰(zhàn)場的光電對抗環(huán)境，將激光傳輸過程中受到各種因素的影響等效為斬波調制，通過實驗分析得到了調制頻率和占空比對探測器成像的影響，對取得更好的激光干擾效果和對應的防護措施給出了建議。

1 非制冷微測輻射熱計

當前多數(shù)非制冷紅外探測器的核心元件為由像元組成的紅外焦平面陣列，常見的規(guī)格有800×600，320×240和384×288等[2]，光敏材料以氧化釩（VOx）和多晶硅為主。它被置于光學系統(tǒng)焦平面的位置，與集成電路相連，用于接收目標區(qū)域紅外輻射并實現(xiàn)光電轉換的功能[3]。

1.1 構造

非制冷微測輻射熱計的單像元一般為橋式結構，如圖1所示[4]。該器件主要分為兩部分，橋面上的光敏材料主要用于接收紅外輻射，溫度升高后自身電阻值發(fā)生變化；橋腿部分用于連接偏置電路，可以實時采集到該像元的信息，此外還兼具支撐、導熱等作用[5]。襯底表面為一層紅外光的反射物質，這樣可以與距離λ/4的橋面之間形成諧振腔，增加光敏材料的吸收率。對用于接收8～14μm 長波紅外的探測器而言，諧振腔的厚度一般為2.5μm左右[6]。

圖1 橋式結構的像元陣列Fig.1 Cell arrayof bridgestructure

在像元陣列感應目標區(qū)域熱輻射的同時，信號讀出電路逐行偏置，并串行采集各個點的像素值，經復用、放大最終拼組成實時顯示的紅外圖像。

顯然，在一定的溫度響應范圍內，各像元擁有穩(wěn)定、相同的基準溫度，是焦平面陣列獲得良好工作性能的必要條件，因而襯底下方需要集成熱電制冷器（thermo-electriccooler，TEC）來維持恒溫。非制冷紅外焦平面陣列各層分布可用圖2來描述[7]，為保證非制冷微測輻射熱計線性工作時襯底的恒溫，TEC最大制冷功率應大于像元點飽和時所需散熱。襯底介于像元與TEC 之間，起到了連接、支撐、導熱等作用，并為焦平面陣列上各像元提供參照溫度。

圖2 非制冷微測輻射熱計縱向分布Fig.2 Longitudinal distribution of uncooled microbolometers

紅外探測器中的TEC置于直流電路中，受到控制電壓的偏置作用，該電壓為焦平面溫度的感應電壓與基準電壓的差分放大所得。TEC的工作原理為Peltier 效應，即電流通過具有熱電轉換特性的導體時可實現(xiàn)制冷功能。鑒于優(yōu)良的材料特性，國際上的TEC普遍由半導體制成[8]。如圖3為典型的TEC結構[9]，其冷面與襯底緊密貼合，熱面連接散熱裝置或直接通過空氣對流等方式散熱，冷、熱兩個面之間嵌入了一定數(shù)量的PN結。

圖3 TEC 結構圖Fig.3 TECstructure diagram

1.2 工作機理及輻照分析

1.2.1 像元

在像素讀出的過程中，與像元連接的MOS管起到了采集像元信號的關鍵作用。由于偏置電阻的存在，使得在恒定大小的總偏置電壓的作用下，施加在像元上的分壓隨著其電阻的變化而變化。該電壓信號經MOS 管線性放大，轉化為電流信號，然后被放大器采集和使用。MOS 管的柵源電壓被定義為像元兩端電壓UR，設其開啟電壓Ut，漏源電壓Uds，跨導系數(shù)β，隨著UR的逐漸減小，MOS 管的漏源電流可描述為：

該電流信號就是處理成像素值的原始數(shù)據(jù)，MOS管的工作狀態(tài)對應該像元的工作狀態(tài)。由于制造工藝的限制，各像元的光電性能有所差異，因而需要進行非均勻校正，使得所有像元對目標區(qū)域紅外輻射的響應性能一致。

在紅外輻射的作用下，像元溫度升高帶來的電阻R變化可以描述為：

式中：α是電阻溫度系數(shù)（temperature coefficient of resistance，TCR），且一般α＜0。其中，R0為當像元溫度T處于基準溫度T0時的電阻值。

1.2.2 陣列

在TEC 中，單個PN 結的制冷功率可由下式描述[8]：

式中：Δε為溫差電動勢；TTcold和TThot分別表示冷、熱兩面的溫度；IT為工作電流；RT為電阻；KT為導體的熱導率。因而具有N個PN 結的TEC 制冷功率為：

表征熱電材料制冷性能的優(yōu)值系數(shù)為限定值，因此對給定的TEC 和工作條件，表征其制冷能力的主要參數(shù)為最大電流和最大電壓[10]。由此可知，當工作溫度TTcold不變時，在可承受的最大電壓偏置作用下，TEC 中通過最大電流，對應制冷功率達到最大。由式(3)、(4)可知：

探測器工作正常情況下，電路中產生的焦耳熱和高溫像元傳導的熱量經襯底傳導至TEC 的冷面。在TEC 達到最大制冷功率前，襯底溫度始終保持恒定；而當輻照至部分像元的激光能量過大，造成溫度過高，TEC 的最大制冷功率不足以將熱量散去，襯底溫度開始上升；隨著輻照激光的功率繼續(xù)增加，像元溫度大幅度提高，直到光敏材料熔融，焦平面陣列局部發(fā)生不可逆轉的硬破壞。

在非制冷微測輻射熱計陣列上，以縱向單像元面積大小為基本單位來研究，對于受激光輻照像元正下方的襯底材料，忽略激光和像元熱輻射的影響，其瞬態(tài)熱方程為[11]：

式中：G、TS、ρs、vs、c和ks分別表示這部分材料的熱導率、溫度、質量密度、體積、熱熔率和導熱系數(shù)；p是焦平面陣列上像元的個數(shù)；ks??2TS表示襯底熱量的橫向傳導。

而對于焦平面陣列中光斑周圍像元的襯底，有[11]：

這些像元由于連接襯底溫度的上升，熱量經橋腿（圖1）傳導至橋面，形成熱量“倒灌”，造成了像元的飽和損傷。

2 激光輻照實驗

從工作原理可以初步推斷，對于工作正常的非制冷微測輻射熱計，當輻照的激光能量過大時，微測輻射熱計焦平面陣列的局部像元飽和，像素值達到最大；隨著激光能量的繼續(xù)增大，被輻照像元的微橋結構內沉積了過多的熱量，由于像元陣列橫向傳導等作用，會對周圍的像元造成影響；當激光能量達到一定程度時，局部像元沉積的大量熱能無法及時導出，會造成不可逆轉的硬損傷。為進一步研究這一問題，設計了實驗系統(tǒng)并進行了研究。

2.1 實驗系統(tǒng)

在實際戰(zhàn)場環(huán)境下，由于復雜傳輸條件的影響，實際作用于目標探測器的干擾激光一般可等效于連續(xù)激光受到某種調制的結果。因此，本實驗主要包含兩部分：連續(xù)激光輻照目標探測器的損傷閾值和斬波調制后的激光干擾效果。

實驗的激光源采用CO2氣體激光器，激光波長10.6 μm，輸出功率0～30 W，功率不穩(wěn)定度不大于10%，光束直徑2.4 mm，光束發(fā)散角不大于0.5 mrad。衰減器由標定好的NDIR 系列反射型衰減片組成，透過率從0.0004～0.5 不等。受輻照的非制冷微測輻射熱計為800×600 多晶硅探測器，工作波段8～14μm，單像元尺寸17 μm×17 μm，光學系統(tǒng)焦距35 mm，F(xiàn)數(shù)1.2，視場角21.2°×16.2°。

實驗系統(tǒng)布局如圖4所示。在連續(xù)激光損傷實驗中撤去斬波器，待CO2氣體起輝后，緩慢增大激光輸出功率，直到探測器受到損傷為止。然后利用SR540斬波器調制連續(xù)激光，將兩個相同的斬波片重疊，通過改變重疊率來控制斬波調制的占空比大小。為實時掌握斬波調制情況，在CO2激光器旁并排放置532nm激光器及對應的快速探測器，讓斬波器同時調制兩個波長的激光，以532nm激光調制后的波形圖來描述10.6μm 的情況（如圖5）。分別改變斬波頻率、占空比，對不同參數(shù)下的紅外圖像進行處理得到像素值。圖6為實景圖。

2.2 實驗現(xiàn)象

2.2.1 連續(xù)激光

實施連續(xù)激光的輻照實驗，時間每次持續(xù)1s。隨著激光功率的不斷增大，得到以下干擾現(xiàn)象：

①當輻照激光功率達到1.326×10－4W/cm2時，探測器熱成像中心區(qū)域的灰度值達到最大（255），如圖7，探測器出現(xiàn)局部像素值最大，撤去光源后該現(xiàn)象立即消失，即出現(xiàn)了點飽和現(xiàn)象，如圖7；

②當輻照激光功率在1.326×10－4W/cm2～2.785×10－3W/cm2范圍時，探測器熱成像中受干擾的區(qū)域變大，如圖8，且其面積隨著激光功率的增大而增大，撤去光源后該現(xiàn)象立即消失，即出現(xiàn)了中度飽和現(xiàn)象，如圖8；

③當輻照激光功率在2.785×10－3W/cm2～7.074×10－3W/cm2范圍時，探測器熱成像中受干擾的區(qū)域更大，如圖9，且其面積隨著激光功率的增大而增大，撤去光源后該現(xiàn)象持續(xù)存在一段時間后才消失，即出現(xiàn)了重度飽和現(xiàn)象，如圖9；

④當輻照激光功率大于8.235×10－3W/cm2時，探測器熱成像受到干擾區(qū)域大幅增加，如圖10，撤去光源后大部分像元能夠緩慢地恢復正常，但中心少量像元無法恢復，發(fā)生了永久損傷，即出現(xiàn)了點損傷現(xiàn)象，如圖10。

圖4 實驗系統(tǒng)布局Fig.4 Experimental system layout

圖5 斬波調制檢測系統(tǒng)Fig.5 Choppermodulation and detection syst em

圖6 實驗系統(tǒng)實景圖Fig.6 Actualappearance of the experimental platform

圖7 點飽和現(xiàn)象的熱成像Fig.7 Thermal imaging of point saturation

圖8 中度干擾現(xiàn)象的熱成像Fig.8 Thermal imaging of moderate saturation

圖9 重度飽和現(xiàn)象的熱成像Fig.9 Thermal imaging of severe saturation

圖10 點飽合現(xiàn)象的熱成像Fig.10 Thermal imaging of point damage

在發(fā)生重度飽和和點損傷的現(xiàn)象時還注意到，被干擾區(qū)域橫向及縱向的其他像素值均發(fā)生異常（變?。?，影響了正常的成像功能。

2.2.2 經斬波調制的連續(xù)激光

在斬波調制的激光輻照實驗中，探測器熱成像中心區(qū)域的光斑出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象（如圖11）。將輻照時長設為每次5 s。固定輻照激光功率為9.844×10－5W/cm2，占空比為0.1，并將斬波頻率依次設定為100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz，探測器熱成像中心區(qū)域呈現(xiàn)的灰度值隨著斬波頻率的增加而減??；保持輻照激光功率9.844×10－5W/cm2不變，固定斬波頻率為100 Hz，并將占空比依次設定約為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，發(fā)現(xiàn)探測器熱成像中心區(qū)域的灰度值隨著占空比的增大而增大。

圖11 斬波調制激光輻照導致的光斑閃爍現(xiàn)象（斬波調制頻率100 Hz，占空比0.5）Fig.11 Spot flashing caused by chopping modulated laser irradiation

3 實驗結果分析

3.1 連續(xù)激光損傷

根據(jù)非制冷微測輻射熱計的工作原理，隨著輻照激光功率的增加，對實驗中發(fā)生的現(xiàn)象可以作如下解釋：

現(xiàn)象①中，受輻照的像元溫度不斷升高，電阻減小，兩端電壓降低，MOS 管從線性工作狀態(tài)進入飽和工作狀態(tài)。在像元溫度達到這個溫度之前可以稱為非制冷微測輻射熱計工作的“線性工作區(qū)”。根據(jù)(1)式，像元點飽和時，UR＝Ut＋Uds，在電路中滿足，代入(2)式并整理得到像元在點飽和時的溫度T1：

現(xiàn)象②中，像元溫度快速升高，MOS 管輸出電流信號不再繼續(xù)增大，像素保持最大（通常為255）；傳導至襯底的熱量增加，為了維持襯底恒溫，TEC 制冷功率提高并逐漸達到最大，周圍像元由于熱量“倒灌”也逐漸達到飽和狀態(tài)。這個過程可以稱為非制冷微測輻射熱計工作的“中度飽和區(qū)”。若初始狀態(tài)溫度為T0，當TEC 制冷功率達到最大時，受輻照像元的溫度達到中度飽和的最高值，設為T2。當系統(tǒng)的溫度場達到穩(wěn)態(tài)時，受輻照的單像元連接襯底的熱平衡方程為：

因此：

對于周圍襯底及像元，滿足TS＝TR≥T1時，達到飽和狀態(tài)。

現(xiàn)象③中，像元溫升劇烈，TEC 的最大制冷功率不足以散去材料內沉積的熱量，像元及襯底溫度持續(xù)升高。由于襯底橫向的熱傳導效應，周圍受到飽和干擾的像元數(shù)量進一步增多，直到受輻照像元溫度接近熔點。這個過程可以稱為非制冷微測輻射熱計工作的“重度飽和區(qū)”，設像元溫度T3：

式中：TRmelt為光敏材料的熔點。

現(xiàn)象④中，像元溫度達到光敏材料的熔點，吸收熱量發(fā)生相變，由于熱熔融作用局部區(qū)域像元發(fā)生不可逆轉的硬損傷，周圍受熱達到點飽和溫度的像元數(shù)量更多，這可以稱為非制冷微測輻射熱計工作的“點損傷區(qū)”。此時，像元的溫度：

3.2 斬波調制激光輻照效果

收集的各組斬波調制參數(shù)下的實驗結果，對每次實驗第5 s 內的所有圖片，取輻照區(qū)域光斑中心的像素求平均值，得到該實驗中探測器穩(wěn)態(tài)下像素平均值。表1 為斬波調制頻率變化時，探測器熱成像光斑灰度閃爍均值。

表1 激光調制頻率變化時的閃爍光斑灰度均值Table 1 Gray mean of scintillation spots under changing laser modulation frequency

將灰度均值與調制頻率作曲線擬合，得到圖12和對應的關系式：

由此可以看出，激光干擾光斑灰度均值隨斬波調制頻率的增加呈指數(shù)降低的趨勢。

圖12 探測器灰度均值與激光調制頻率的曲線擬合Fig.12 Curve fitting of detector gray mean value and laser modulation frequency

表2 為占空比變化時，探測器熱成像光斑灰度閃爍均值。

表2 激光調制占空比變化時的光斑灰度閃爍均值Table 2 Gray mean values of scintillation spots under changing laser modulation duty ratio

對表2 中的光斑灰度均值與占空比進行曲線擬合，得到圖13 和對應關系式：

由此可以看出，激光干擾光斑灰度均值隨斬波調制占空比的增加呈指數(shù)增加的趨勢。

據(jù)此可以推斷，戰(zhàn)場環(huán)境下當連續(xù)激光用于干擾對方紅外探測器時，在等效大氣傳輸影響的斬波調制作用下，調制頻率低，占空比大時會使得目標像元陣列溫度快速升高，并進入不同程度的干擾狀態(tài)。

4 結論

本文進行了10.6 μm 連續(xù)激光輻照非制冷多晶硅探測器實驗，得到了像元陣列進入點飽和、中度飽和、重度飽和、點損傷狀態(tài)的激光功率范圍依次為0～1.326×10－4W/cm2、1.326×10－4～2.785×10－3W/cm2、 2.785×10－3～7.074×10－3W/cm2、7.074×10－3W/cm2～＋∞，分析了不同程度損傷過程中的熱效應機理。從實驗結果可以看出，對目標紅外探測器進行壓制干擾時，使其進入重度飽和狀態(tài)即可使其在一定時間內喪失偵察能力；受到傳輸因素影響的連續(xù)激光輻照敵方探測器時，在傳輸?shù)刃д{制頻率低、占空比大的條件下能獲得更好的干擾效果。這一方向的后續(xù)研究工作，可根據(jù)各類非制冷紅外探測器的像元構造來研究紅外激光對其致盲的方式，并結合實際戰(zhàn)場條件探究相應戰(zhàn)法。

圖13 探測器灰度均值與激光調制占空比的曲線擬合Fig.13 Curve fitting of detector gray mean value and laser modulation duty ratio

從實驗結果可以看出，非制冷微測輻射熱計在強激光的輻照下極易發(fā)生損傷。在實際應用中，為降低紅外像元陣列被破壞的可能，可以采用在光路中加入波門選通的方法來進行保護。