TEA CO 2長波紅外激光對紅外凝視成像系統(tǒng)探測器組件的損傷效應(yīng)

張 引，邵俊峰，湯 偉

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所 光電對抗部，吉林 長春130033）

1 引 言

HgCd Te是一種直接帶隙半導體，量子效率高、載流子遷移率高，可以實現(xiàn)弱光探測。同時它可以通過調(diào)節(jié)Cd的組份比例，完全覆蓋3個重要的大氣紅外窗口波段。憑借著上述優(yōu)點，磅鎘汞成為第三代紅外探測器的首先材料［1-3］。然而，HgCdTe紅外探測器也面臨很多問題，例如用于生長HgCdTe的外延襯底碲鋅鎘價格昂貴，使得整個HgCd Te探測器的價格居高不下；并且碲，鎘和汞三者之間是通過較弱的離子鍵組合在一起，汞很不穩(wěn)定，在350 K左右即會有Hg析出，破壞晶體結(jié)構(gòu)造成材料缺陷，從而影響等效噪聲功率等性能。此外，碲鎘汞的熔點在993 K左右，超過該溫度并吸收足夠的熔化潛熱，碲鎘汞材料會熔化。盡管如此，HgCdTe紅外探測器仍然廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，尤其是在精確制導、紅外偵察等方面具有不可替代的作用［4-5］。這些應(yīng)用推動了激光干擾和損傷HgCd Te紅外探測器的發(fā)展。HgCd T紅外探測器屬于弱光探測器件，強激光的干擾和損傷容易導致器件不能正常工作，因此關(guān)于HgCd Te材料或器件的干擾及損傷機理成為國內(nèi)外的研究熱點之一。

強激光損傷探測器是一個十分復雜的過程，主要由激光參數(shù)和材料物理特性決定。其中，激光參數(shù)包含波長、脈寬、重頻以及光束質(zhì)量等；材料的物理特性主要涉及導熱系數(shù)、密度、熱容和吸收系數(shù)，尤其是導熱系數(shù)和吸收系數(shù)，對溫度非常敏感。激光輻照探測器主要表現(xiàn)為材料的加熱，熔化、氣化和燒蝕以及材料氣化燒蝕引起的力學效應(yīng)和微結(jié)構(gòu)的改變等［6-7］。因此，脈沖CO2激光對長波紅外探測器件的損傷效應(yīng)涉及材料自身吸收、反射、熱擴散等物理特性，用激光加熱理論模型可定量描述材料溫升、熔化等物理過程［7-8］。目前，國內(nèi)外對9.3μm損傷碲鎘汞紅外探測器的研究較少，本文使用有限元軟件建模仿真和實驗相結(jié)合的方式，探究激光損傷效應(yīng)，為之后開展其他波段激光損傷碲鎘汞探測器的研究提供了9.3μm損傷碲鎘汞紅外探測器的參考。

2 理論分析

2.1 理論基礎(chǔ)

HgCd Te探測器為4層結(jié)構(gòu)，各層之間的熱膨脹系數(shù)不同，當探測器內(nèi)部出現(xiàn)局部溫度升高，探測器內(nèi)部層與層之間會產(chǎn)生熱應(yīng)力，嚴重時會導致芯片斷裂。近年來，伴隨著HgCdTe探測器的發(fā)展，其內(nèi)部應(yīng)力已經(jīng)得到了比較好的控制。已有研究表明，激光輻照HgCdTe探測器引發(fā)的熱熔融損傷要優(yōu)先于應(yīng)力損傷的發(fā)生［9］。

激光與材料相互作用，主要反應(yīng)為材料對激光輻照的熱吸收和熱傳導過程。激光輻照到HgCd Te探測器表面，碲鋅鎘層對激光吸收較少，與激光接觸面溫升并不高。透過碲鋅鎘層，由于HgCdTe材料的光電耦合時間只有1~2 ps，以及吸收系數(shù)比較大，所以HgCd Te可以快速吸收光子能量使材料溫度升高，并很快通過熱傳導將熱量傳遞給HgCdTe和銦柱接觸面。因此HgCdTe溫度場分布可以通過熱傳導微分方程求得［10］：

式中：T為晶體在t時刻的溫度，k為材料的導熱系數(shù)，ρ為密度，c為熱容，α為吸收系數(shù)，I0為輻照激光功率密度。制冷型面陣HgCdTe器件通常封裝在杜瓦瓶內(nèi)且通過液氮進行制冷，其工作溫度保持在77 K。

因此，初始條件滿足：

邊界條件滿足：

其中L為器件內(nèi)HgCdTe材料的厚度。

實際情況下，HgCdTe材料的物理參數(shù)會隨入射波長、溫度和Cd的比例而變化。Higgins通過實驗研究發(fā)現(xiàn)HgCd Te密度隨Cd組分呈線性變化，而隨溫度變化卻非常小，并給出了HgCdTe材料密度的計算公式［11］。Chu等人給出了HgCdTe材料的折射率隨溫度、入射波長和Cd組分的擬合公式，經(jīng)計算，HgCd Te材料在長波段的反射率R基本穩(wěn)定在3.1。除此之外，他們還研究了HgCdTe吸收系數(shù)隨溫度和Cd組分的變化規(guī)律，給出了吸收系數(shù)α的經(jīng)驗公式［12］：

本文數(shù)值仿真和實驗采用的碲鎘汞Cd的組分比例x=0.2。

其中：T為溫度，x為Cd比例。

關(guān)于測量HgCd Te熱容和導熱系數(shù)的實驗比較多，研究發(fā)現(xiàn)它們隨溫度的變化比較大，當HgCd Te發(fā)生熔融時，其熱容和導熱系數(shù)會發(fā)生突變。本文不考慮HgCd Te發(fā)生熔融狀態(tài)，并采用Holland等人給出的HgCd Te導熱系數(shù)經(jīng)驗公式進行仿真研究［13］。

2.2 Bartoli理論分析

美、法等國對HgCd Te材料及單元探測器的激光損傷機理開展了系統(tǒng)的研究。其中，Bartoli在美國海軍的支持下，系統(tǒng)性開展了多波長激光對多種紅外探測器材料的損傷機理研究，建立了一維熱傳導理論模型，通過理論與實驗相結(jié)合方式獲得了CO2激光輻照下HgCd Te材料和器件的熔化破壞閾值，其研究為激光損傷探測器提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和研究思路。Barteli建立的CO2激光對HgCdTe材料的熱損傷模型［14］，方法簡明、物理概念清晰且普適性較好，因此在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

Bartoli利用上述熱傳導微分方程推導出高斯光束作用于HgCd Te材料的熱損傷閾值E0的計算公式：

其中：

式中：熱擴散率k=0.09 cm2/s，從環(huán)境溫度溫升至熱熔融溫度707°C中間的差值為ΔTth=950 K，光敏面反射率R=0.31，熱容c=0.15 J·g·K，密度ρ=7.6 g/cm3，脈沖寬度τ=100 ns，吸收系數(shù)α=8 000 m-1，光斑半徑a0=60μm。

其中擴散長度D=（kτ）1/2=0.94μm，吸收深度L=1/αμm，高斯光斑到靶半徑a0=60μm，因此擴散長度D?吸收深度L，且擴散長D?光斑半徑a0。因而式（7）括號的右邊第二項可以忽略，簡化為式（8）。由該模型獲得的損傷閾值理論數(shù)據(jù)與下節(jié)中實驗結(jié)果的吻合度較好。

3 仿真計算

HgCdTe的熔點為993 K，當HgCdTe層溫度達到熔點時，探測器單元將永久損傷。因此，以HgCdTe熱熔化作為相對嚴格的器件損傷效果界定。在理論分析基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件建立了CO2激光對HgCd Te材料的三維溫升有限元理論［15-16］仿真模型，獲得了9.3μm激光照射下材料的溫升三維分布，通過材料表面溫升情況判定損傷閾值。

3.1 仿真條件設(shè)定

紅外凝視成像系統(tǒng)探測器的組件材料參數(shù)如表1所示。由于HgCdTe材料的比熱容、導熱系數(shù)和吸收系數(shù)會隨溫度的升高而發(fā)生改變，故在此未列出，但模型中已引入。入射激光的波長為9.3μm，脈沖寬度為100 ns，光波模式為TEM00模，探測器表面的光斑半徑為60μm。

表1 HgCd Te的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of HgCdTe

HgCdTe探測器組件模型分為4層，首先在Cd ZnTe層上生長一層HgCd Te晶體作為光敏元，然后焊接銦柱陣列，最上邊是硅基，激光從下往上輻照。其中CdZnTe層厚50μm，HgCdTe光敏層厚10μm，In柱高10μm，直徑為20μm，Si基厚50μm?？紤]到仿真效果與真實探測器的一致性，為了有效利用計算機資源，HgCdTe探測器模型采用11×11個像素元［18］。制冷環(huán)境溫度設(shè)置為77 K。具體模型參見圖1。

圖1 HgCdTe探測器三維模型Fig.1 T hree-dimensional model of HgCd Te detector

采用三節(jié)點三角形對模型進行網(wǎng)格剖分，三角形單元對復雜幾何輪廓有較強的適應(yīng)能力，很容易通過增加三角形網(wǎng)格數(shù)量來精確地逼近復雜的幾何邊界。光斑處參數(shù)如下：最大單元尺寸為0.5μm，最小單元尺寸為0.002μm，最大單元生長率為1.1。網(wǎng)格剖分效果如圖2和圖3所示。

圖2 網(wǎng)格剖分圖Fig.2 Mesh subdivision

圖3 光斑處傳熱梯度采取網(wǎng)格加密處理Fig.3 Heat transfer gradient at spot treated with mesh encryption

3.2 9.3μm激光損傷仿真結(jié)果

以HgCd Te材料表面和中心溫度達到熔點時激光的功率密度和能量密度作為損傷閾值的判定范圍進行仿真實驗。

激光輻照1μs時，HgCd Te表面處的溫度變化曲線如圖4所示，內(nèi)部溫度的分布情況如圖5和圖6所示。經(jīng)計算，脈沖寬度為100 ns，激光功率密度達到0.54×107W/cm2時，光斑中心距離銦柱1μm處的HgCdTe材料溫度達到熔點。此時激光能量密度為0.54 J/cm2。

圖4 功率密度為0.54×107 W/cm2時光斑中心HgCd Te的溫度變化Fig.4 HgCdTe temperature change at spot center with power density of 0.54×107 W/cm2

圖5 1μs時探測器縱向剖分溫度分布Fig.5 Longitudinal temperature distribution of detector at 1μs

圖6 1μs時探測器橫向剖分HgCdTe層的溫度分布Fig.6 Lateral temperature distribution of HgCd Te layer at 1μs

激光輻照4μs時，激光功率密度提高到1.1×107W/cm2，對應(yīng)的激光能量密度為1.1 J/cm2時，HgCdTe中心處達到熔點。圖7顯示了9.3μm激光輻照下HgCd Te材料中心處溫度隨時間的變化，在4μs處溫度達到極值。

圖7 波長為9.3 m，功率密度為1.1×107 W/cm2時光斑中心HgCd Te的溫度變化Fig.7 HgCdTe temperature change at spot center with wavelength of 9.3 m and power density of 1.1×107 W/cm2

圖8 和圖9分別顯示了9.3μm激光輻照在4 μs時探測器內(nèi)部的溫度分布，同樣可以看到溫度最高區(qū)域處于HgCd Te下層。

圖8 4μs時探測器縱向剖分溫度分布Fig.8 Longitudinal temperature distribution of detector at 4μs

圖9 4μs時探測器橫向剖分HgCdTe層的溫度分布Fig.9 Lateral temperature distribution of HgCdTe layer at 4μs

分別以材料表面、材料中心達到熔點作為損傷閾值判據(jù)，計算得到仿真狀態(tài)下HgCd Te的損傷功率密度為0.54×107~1.1×107W/cm2，損傷能量密度為0.54~1.1 J/cm2。

4 外場實驗及結(jié)果分析

在理論分析與仿真計算基礎(chǔ)上，為實際測量CO2激光對紅外凝視成像系統(tǒng)探測器組件的損傷閾值，開展了外場實驗。

4.1 實驗條件及設(shè)備

CO2激光發(fā)射與受試設(shè)備兩者點對點的距離為11.237 km，高程差為18 m。紅外凝視成像系統(tǒng)探測器組件受試設(shè)備采用制冷型面陣長波紅外成像系統(tǒng)，包括兩個可以替換的光學鏡頭，具體參數(shù)見表2。

表2 光學鏡頭參數(shù)Tab.2 Parameters of optical lens

受試設(shè)備制冷型長波紅外器件材料為HgCdTe，分 辨 率 為320×256，像 元 尺 寸 為30 μm，光譜響應(yīng)波段為7.7~9.5μm，噪聲等效功率為27 mK，經(jīng)長春光機所光學中心檢測為28 mK。

激光遠場能量測試設(shè)備采用Newport公司生產(chǎn)的818E型能量計，其量程下限可達為1μJ，光譜響應(yīng)范圍為0.19~25μm，測量精度為3%。為提高遠場能量測量精度，在能量計接收孔徑前加裝了口徑為Ф100 mm的長波紅外鏡頭，9.3 μm激光的透過率為0.77。

氣象測量中使用了兩種大氣參數(shù)測量設(shè)備，一是WXT 520維薩拉氣象傳感器，每隔5 s記錄一次大氣溫度和相對濕度，二是Belfort Model 6000能見度傳感器，用于獲得實時的大氣能見度。

圖10 9.3μm激光損傷實驗外場觀測圖Fig.10 Field observation image in 9.3μm laser damage experiment

4.2 損傷實驗結(jié)果

為準確獲得激光對長波紅外相機的損傷閾值，通過加裝衰減片及孔徑光闌對激光入瞳能量進行控制，最終觀察到長波紅外相機6次不同程度的損傷情況。

表3 六次損傷探測器對應(yīng)的激光工作條件T ab.3 Laser working conditions of six damage detectors

光源為9.3μm的長波紅外激光，可以調(diào)整的變量有激光輸出重頻以及激光發(fā)射時間。靶材端通過調(diào)整鏡頭的口徑，開展不同焦距下的損傷實驗。探測器端通過調(diào)整幀頻探究激光對長波紅外凝視成像系統(tǒng)探測器組件的損傷情況。

4.3 損傷閾值分析

損傷閾值計算主要受激光遠場能量測量精度以及到靶光斑尺寸取值的影響。其中，遠場激光能量測量誤差約為3%，實際到靶光斑尺寸難以精確測量，計算時根據(jù)實測鏡頭光學傳遞函數(shù)估算；采用Φ50 mm鏡頭時，光斑半徑約為1.5~2.0倍衍射限，誤差為12.5%；采用Φ100 mm鏡頭時，到靶光斑半徑約為1.2~1.3倍衍射限，誤差為7%。因此，綜合誤差分別為20%，31%。

實驗結(jié)果表明，在9.3μm激光重頻為100，300，500 Hz，激光到靶的能量密度為0.54~2.48 J/cm2的條件下出現(xiàn)了多像元損傷現(xiàn)象。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)處理原則，大部分損傷情況發(fā)生在入瞳能量為170μJ以上，剔除離散性較大的數(shù)據(jù)，可認為170μJ為損傷發(fā)生的入瞳能量，對應(yīng)到靶激光能量為176.67μJ，按激光在靶面上形成的光斑尺寸為58.5~90μm計算，對應(yīng)的激光能量密度為0.69~1.23 J/cm2，可作為9.3μm激光的損傷閾值。

5 結(jié) 論

本文提出了通過有限元理論求解激光損傷HgCdTe探測器方法，對比經(jīng)典的一維無限大模型和有限元模型仿真得到的損傷閾值結(jié)果，實驗得到的9.3μm激光損傷閾值0.69~1.23 J/cm2與有限元仿真數(shù)值計算結(jié)果0.54~1.1 J/cm2較為符合，驗證了該方法及研究模型的合理性，為之后開展其他波長，脈寬和重頻效應(yīng)研究提供了良好的仿真研究平臺。該實驗結(jié)果對研究長波紅外激光損傷HgCdTe紅外探測器有較高的參考價值。