碲镉汞光导探测器在中红外激光测量中的热问题

为了准确测量中红外高能激光系统的远场功率密度时空分布等参数,分析了室温光导型碲镉汞(HgCdTe)探测器在环境温度变化和光热效应情况下存在的探测器光敏元温升等热问题,并分别给出了应对措施。从HgCdTe的电学参数经验公式和光导型探测器工作原理出发,分析了暗电阻和响应率与光敏元工作温度的相关性。建立了计入接触热阻和自然对流效应的光导型HgCdTe探测器热分析模型,并对模型进行了实验验证。分析了光敏元与环境温度间的热平衡时间特性,提出了连续激光测量中的环境温度校正模型。讨论了激光辐照下探测器的动态响应特性,给出了激光加热探测器光敏元导致的附加光热信号的修正方法,该方法在典型应用条件下可将测量系统的单通道测量不确定度降低2%以上。目前,所述方法均已成功应用于多套远场激光光斑定量测量系统。

一种大面积高能激光光束参数的在线测量方法

提出了一种大面积连续波高能激光光束参数的在线测量方法——环形光刀扫描测量法。该方法采用偏心安装的斜面环形光刀高速扫描反射，光电探测器阵列沿反射光圆周均匀布置探测，使得绝大部分被测激光沿原光路传播，只有少量取样光被反射到探测器阵列上。通过对采集得到的探测器响应信号进行空间映射计算和图像复原，得到激光束的光强分布参数。该方法可用于光束直径数百mm的高能激光光束测量，测量空间分辨率约2mm，时间分辨率为30-50ms。

CCD中的激光光斑阴影现象及机理

对CCD相机在激光辐照下的暂时性失真问题进行了研究。用532nm连续激光辐照以线阵CCD为图像传感器的Piranha HS-41-02K30相机进行了实验,实验发现,激光光斑和3个与其大小、形状皆相似的暗斑同时、等间距地出现于感光阵列方向上。这些暗斑即为CCD相机在激光辐照下的一种暂时性失真现象,本文称这3个暗斑为光斑阴影。根据实验数据分析了这一现象的规律和产生机理。分析认为,CCD图像传感器4个并行读出电路因共用同一偏置源而相互影响是产生光斑阴影现象的内在机制。推导了共偏置并行电路信号之间相互影响的关系式,由得到的关系式可知,降低公共偏置源与并行读出电路公共节点之间的电阻可减弱上述阴影失真现象;而用4个电压源分别为并行读出电路提供偏置,可以消除这种光斑阴影现象。本文推导的共偏置并行电路影响关系式不仅可解释阴影现象,也可为设计CCD器件时减弱或消除阴影失真提供借鉴。

室温中红外HgCdTe光导探测器响应率的温度特性

为了评定基于室温中红外HgCdTe光导探测器的氟化氘激光阵列靶斑仪系统的测量不确定度,需要对HgCdTe光导探测器响应率的温度特性进行定量分析.理论分析了室温中波红外HgCdTe光导探测器响应率与温度和波长的关系,得出了在一定范围内探测器响应率可以近似表示为温度和波长变量分离函数形式的假设.采用波长为3.8μm和1.31μm激光光源,分别测量了在-40℃～+30℃温度范围内室温中波红外HgCdTe探测器响应率变温特性,实验结果验证了在测量不确定度范围内假设的正确性.基于此结论,提出了一种高效标定HgCdTe光导探测器在氟化氘激光波长处响应率温度特性的实用方法.

连续激光辐照CMOS相机的像素翻转效应及机理

为了研究激光对CMOS图像传感器的干扰效果,利用632.8 nm连续激光开展了对CMOS相机的饱和干扰实验。随着入射激光功率的增加,分别观察到未饱和、饱和、全屏饱和等现象,并发现,在全屏饱和前,功率密度达到1.4 W/cm^2后,光斑强区中心区域出现了像素翻转效应。进一步加大光敏面激光功率密度到95.1 W/cm2,激光作用停止后相机仍能正常成像,证明像素翻转效应并非源自硬损伤。基于CMOS相机芯片的结构和数据采集处理过程进行了机理分析,认为强光辐照产生的过量光生载流子使得光电二极管电容上原来充满的电荷被快速释放,使得相关双采样中的两次采样所得信号V_(reset)与V_(signal)逐渐接近,是输出像素翻转的一种可能原因。

CCD中激光光斑的全饱和单侧拖尾现象

利用532nm连续激光辐照以东芝TCD1200D型线阵CCD为图像传感器的扫描相机进行实验,在相机输出视频中发现了光斑拖尾的现象,拖尾有限长、全饱和并且仅在光斑一侧。分析排除了光分布造成拖尾的可能原因。其单侧、有限长的特点不符合像素溢出或漏光造成的拖尾,而与转移损失造成的拖尾一致。但其全饱和的特点,不符合目前转移损失率的常数模型。针对当前体沟道CCD的内部结构和工作原理,提出了一种转移损失率随电荷量变化的模型,对新发现的全饱和单侧拖尾进行了解释。

单结GaAs太阳电池连续激光辐照热损伤机理

开展了单结GaAs太阳电池808 nm、10.6μm连续激光辐照实验研究,结果显示,相同激光耦合强度下两种激光对电池的损伤模式相似,且随着激光耦合强度逐渐提高,电池最大输出功率呈现"阶梯"状下降。通过对比辐照过程中温升速率、温度峰值以及高温持续时间对损伤结果的影响,结合能谱仪和扫描电子显微镜的测量结果以及方差分析结果对损伤机理进行了分析和验证。认为高温导致GaAs分解、电极氧化是单结GaAs太阳电池性能退化的主因。

线阵CCD全饱和单侧拖尾特性分析

在用532nm连续激光辐照TCD-1200D型线阵CCD的过程中,发现了光斑的全饱和单侧拖尾现象。为了分析这种现象的特性,实验测量了拖尾长度随激光功率、CCD积分时间和CCD驱动频率的关系,发现拖尾长度随着激光功率和积分时间的增加而增加,但在一定范围内与CCD驱动频率无关。通过理论计算和实验数据分析拟合发现,拖尾长度和激光功率密度和积分时间的乘积有关,并根据激光辐照下CCD器件光生电荷量的产生过程,推导出了拖尾长度与CCD势阱光生电荷量的关系,得到了拖尾长度随光生电荷量的变化曲线,为全饱和单侧拖尾现象机理分析提供了数据支持。

基于等效电路参数提取的硅光电二极管激光损伤机理分析

通过硅光电二极管激光辐照效应实验获取了辐照前后器件的I-V特性曲线,利用粒子群优化算法对二极管的等效电路参数进行提取,考察受损前后等效参数的变化规律。认为光电二极管在激光辐照受损后,其反向饱和电流会减小,等效串联电阻会增大,等效并联电阻会减小。随后,基于半导体物理理论,对这些参数变化的内在因素进行了定性分析。认为反向饱和电流减小是由掺杂离子浓度减小造成的,串联电阻增大是因掺杂离子浓度以及载流子寿命减小共同引起的,并联电阻减小则是由半导体表面及内部的缺陷引起的。

纳秒激光辐照下HgCdTe光伏探测器的瞬态响应特性退化

为研究光伏探测器瞬态响应特性在短脉冲激光作用下的变化规律,以一种室温下零偏压工作的HgCdTe光电二极管为实验对象,测量了该器件对脉冲宽度约16 ns的不同强度响应波段内激光的响应信号波形。在探测器的对数线性响应区内,随着入射激光能量密度从约7.2 nJ/cm^2增大到75μJ/cm^2,响应波形的宽度逐渐增大,半高宽约由55 ns增大到235 ns,底宽约由170 ns增大到380 ns。脉冲响应波形的展宽意味着器件的瞬态响应特性发生了退化。通过分析强注入条件下光电二极管准中性区光生载流子扩散过程,以及结电场与结电容变化对过剩载流子输运过程的影响,对上述光伏探测器瞬态响应特性退化的特征进行了机理解释。

重复脉冲激光造成扫描型CCD背景条纹的规律

为了描述重复脉冲激光使扫描型CCD输出视频产生背景条纹的规律,基于这种背景条纹现象的产生机理对理想矩形脉冲激光产生的条纹建立了数学描述模型。通过该模型,可根据相机的时间延迟积分级数、单级积分时间和激光脉冲的脉宽、脉冲重复周期等参量之间的关系来判断背景条纹能否出现并计算背景条纹的尺寸参量,计算精确度为1pix-el。利用重复皮秒脉冲激光和日光灯分别辐照扫描型CCD进行了实验,验证了上述模型计算结果的正确性。在该模型的基础上,结合背景光强与脉冲散射光强的关系,给出了条纹可见度的表达式,并通过实验验证了该表达式所反映出的条纹可见度随着相关参量变化的规律。

632.8nm连续激光辐照可见光CMOS相机实验研究

开展了632.8nm连续激光辐照可见光JHSM36Bf CMOS相机实验研究,获得了632.8nm连续激光使CMOS相机单像元饱和及全屏饱和的功率密度阈值。实验证实了CMOS比CCD抗激光干扰能力更强;连续激光比脉冲激光更容易实现对CMOS相机的干扰;分析了CMOS串扰现象与CCD的不同。用饱和面积法、相关度法和均方差法3种激光干扰图像质量评价方法,定量分析了CMOS成像受激光干扰的程度。

中红外高能激光探测单元

基于光电导探测原理,分析了影响室温光导型InSb探测器在中红外激光功率参数测量中的因素,得到了材料掺杂数密度、环境温度对探测器暗电阻、光谱响应率和光谱探测率的影响规律;开展了探测器在强激光辐照下的热效应理论模拟和实验研究,模拟分析了探测器在激光辐照下的动态响应特性。结果表明:针对测量系统中所使用的探测器,在激光功率密度小于4W/cm2时,激光热效应对测量结果的影响可忽略;研制了相应的恒流源驱动电路,实现了中红外高能激光功率参数的探测。

FT-CCD的纳秒脉冲激光毁伤效应

用1 064 nm波长8 ns脉宽激光,以1-on-1模式辐照在评估板驱动工作下的FT50M型FTCCD图像传感器进行实验。结果显示,随着脉冲能量密度的逐渐提高,在FT-CCD输出图像中依次出现辐照点单侧黑线、白点、两侧白线等典型毁伤现象。这区别于IT-CCD在脉冲激光辐照下依次出现白点、白线的毁伤过程。通过对比FT-CCD与IT-CCD的结构异同,结合已知的IT-CCD的毁伤机制,分析认为单侧黑线毁伤现象的首先出现表明了FT-CCD多晶硅电极先于硅衬底受损的激光毁伤模式。文中丰富了对CCD图像传感器激光毁伤效应的认识,为深入探索CCD激光毁伤机制提供了新的线索。

IT-CCD串扰强度与积分时间的无关性研究

利用632.8 nm连续激光辐照以KAI-1020型IT-CCD为图像传感器的Basler piA1000-48 gm相机,观察了CCD相机输出视频中通过光斑中心区域贯穿整个画面的均匀串扰线现象。实验发现,当成倍改变相机的积分时间时,与光斑及环境杂光亮度产生明显变化不同,串扰线宽度及亮度几乎不变。通过对IT-CCD激光光斑均匀串扰线产生机制的进一步分析,对串扰线强度与积分时间的无关性进行了解释。

波段内外连续激光对单结GaAs太阳电池辐照效应研究

在激光耦合强度、辐照面积和辐照时间对应相同的条件下,对单结GaAs太阳电池分别开展了波段内808nm、波段外1 070nm连续激光单独辐照以及两者联合辐照实验,发现三种辐照方式对应的样品损伤程度十分接近。结合等效电路输出的I-V曲线随太阳电池参数的变化、电致发光图像及小光斑激光响应扫描测试结果对损伤机理进行了分析。结果表明:激光辐照导致太阳电池损伤的实质是PN结内缺陷增多。

三结GaAs太阳电池连续激光辐照累积效应

开展了三结GaAs太阳电池1.1μm连续激光辐照效应实验,获取了太阳电池损伤温度范围,据此将效应结果分3个温度区间分别分析。结合太阳电池耦合特性测量结果,设计并开展了相同辐照功率密度不同辐照时间及相同温度历程不同辐照次数累积效应实验。实验结果表明:当最高温度低于490℃时,太阳电池不会发生明显损伤;当最高温度超过490℃时,太阳电池激光辐照有明显的累积效应,增加辐照次数会加重太阳电池损伤程度;若最高温度为490~660℃时,随着辐照次数增加,太阳电池性能逐渐降低直至趋于一个定值;若最高温度超过660℃,随着辐照次数增加,太阳电池性能逐渐降低直至接近完全失效。

激光诱导三结砷化镓太阳电池短路电流增大现象与机理

为研究三结太阳电池在强光辐射下的损伤效应规律,采用1 070 nm连续激光作为强辐射光源开展了n-on-1模式三结砷化镓(Ga As)太阳电池激光辐照效应实验。通过分析电池I-V曲线发现,不同于单结太阳电池短路电流随辐照功率增加呈现出的单调降低,三结Ga As太阳电池短路电流在辐照功率密度达到11.1 W/cm2时会出现显著增加。文中对短路电流增大的机理进行了推导分析,得到了短路电流与限流层并联电阻间关系式,并结合子电池量子效率谱分析认为,短路电流的增加是由于激光导致的限流层并联电阻减小使得其限流失效所致。基于机理分析的等效电路模型模拟结果与实验数据吻合较好,从而说明了机理分析的正确性。

不同延时的组合脉冲激光致硅表面损伤研究

为了研究组合脉冲激光与单晶硅材料的相互作用过程,采用两束脉宽分别为7ns和1ms的脉冲激光复合作用的方式,进行了单束毫秒脉冲激光和组合脉冲激光辐照硅片的实验研究,并结合数值计算对比了两种激光工作模式辐照造成的表面损伤形貌;根据组合脉冲激光延迟时间的不同将损伤形貌分为3类,对熔融深度和表面损伤半径做了进一步的研究。结果表明,组合脉冲激光的损伤效应更为严重,包括解理裂纹、烧蚀和皱褶,表面损伤半径主要取决于入射毫秒脉冲激光的能量密度,而熔融深度随延迟时间的增加而减小;毫秒脉冲激光的预加热以及纳秒脉冲激光造成的表面损伤与后续毫秒脉冲激光的相互作用,使得组合脉冲激光具有更好的损伤效果。该研究结果可为今后组合脉冲激光加工半导体材料提供参考。

均匀化激光加热CFRP层合板高温剩余拉伸性能

通过均匀化激光加热T700/9A16型碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)层合板,在试件的特定区域内形成较均匀的温度场。对加热后的CFRP层合板开展了拉伸性能测试,基于数字图像相关(digital image correlation, DIC)方法获取了试件激光加热区域在拉伸加载过程中的应变。结果表明:与常温相比,激光加热至300℃时,CFRP层合板拉伸弹性模量变化不明显,发生断裂时的极限应变增加了约28%,试件整体拉伸强度增加了约23%;激光加热超过420℃时,试件的拉伸力学性能开始出现明显下降。试件断口的扫描电子显微镜结果表明:与常温相比,激光加热至300℃时,碳纤维及环氧树脂的界面结合情况出现了明显的改变;激光加热温度超过420℃,可观察到碳纤维表面环氧树脂损失;激光加热至840℃时,可观察到明显的碳纤维丝烧蚀坑。热重分析显示,若CFRP层合板在高温下未发生明显热失重,则材料的剩余拉伸强度下降不明显;若出现明显的失重峰,则在相应温度区间内,材料的剩余拉伸强度明显下降。本文可为CFRP材料及结构在极端热环境下的工程应用提供参考。