连续波YAG激光辐照对面阵CCD探测器成像质量影响的研究

用可见光面阵ＣＣＤ探测器破坏阈值以下的ＹＡＧ连续波激光辐照ＣＣＤ探测器，同时对其成像质量的影响进行了研究，并将其与ＹＡＧ脉冲激光对可见光面阵ＣＣＤ的破坏进行了对比。得出了连续波激光对面阵ＣＣＤ破坏的一些结论，最后对破坏机理进行了分析。

激光辐射CCD的破坏机理分析

研究了国内外关于激光辐照ＣＣＤ及其相似材料结构导致的各种效应，特别是软硬破坏效应，给出了各种破坏的阈值及实验方式；对各种破坏机理及理论模型进行了对比分析。

高重复频率飞秒激光对面阵CCD的干扰和破坏

采用800 nm,100 fs的超短脉冲激光器对硅面阵CCD进行辐照实验,观测到饱和、串扰以及永久性损伤等多种可能造成成像器件失效的现象,特别是在激光能量较高时,发现CCD在成像时出现了黑白屏的现象。在飞秒激光器以1,10和1000 Hz工作的条件下,分别测量了硅面阵CCD的饱和阈值、串扰阈值和破坏阈值。对破坏后的CCD器件进行了显微分析。在1 kHz工作的条件下进行了视场外干扰实验,观察到串扰和全屏饱和的现象。

单脉冲激光对CCD探测器的硬损伤及损伤概率

在纳秒激光脉冲辐照下,随着CCD探测器损伤程度的加深,成像系统输出画面中先后出现点损伤、白线损伤以及完全失效等现象,且损伤阈值呈现出概率分布特性。实验激光波长为1064nm,首先采用n-on-1辐照模式,研究CCD探测器在不同损伤程度下的损伤现象,从器件工作原理的角度分析各种现象出现的机理。利用光学显微镜观察样品的损伤形貌,发现探测器的损伤部位从内部材料开始,逐渐发展到位于表面的微透镜结构。接下来,采用1-on-1辐照模式测量了点损伤和完全失效阶段的激光能量密度阈值,并以损伤概率的形式进行描述,得到实验样品的完全失效阈值在100 mJ/cm2左右。

532nm脉冲激光辐照CCD实验研究

采用532 nm,10 ns的脉冲激光对面阵CCD进行辐照实验,对每一阶段的实验现象和电路层面的破坏机理进行了深入分析,根据实验现象,把脉冲激光对CCD的硬破坏分为3个阶段:第1阶段在低能量密度激光辐照下,被破坏的CCD局部出现无法恢复的白色盲点,但其它部分仍可正常成像;第2阶段CCD探测器受到激光辐照后,在光斑处的时钟线方向出现白色竖直亮线,亮线处无法正常成像且激光辐照撤去后无法恢复;第3阶段受高能量密度激光辐照后,CCD完全失效,无法恢复成像。针对CCD的饱和及恢复阶段,利用Matlab编码对分辨力靶板的成像数据进行处理,分析了激光辐照CCD对饱和像元数和对比度的影响。结果表明:当CCD受到激光辐照时,饱和像元数迅速增多,图像对比度迅速下降为零,激光脉冲消失后,整个CCD成像亮度下降,饱和像元数迅速下降为零,经过一段时间后CCD又恢复至线性工作状态,激光的能量密度越高,CCD恢复所需的时间就越长。研究还发现:当恢复时间超过0.6 s,CCD出现不可恢复的白色条带,严重影响成像质量。

脉冲激光辐照CCD探测器的硬破坏效应数值模拟研究

具有一定能量强度的激光辐照CCD图像探测器时可造成探测器的干扰和破坏。基于热传导和热弹性力学的基本关系式建立了脉冲激光辐照CCD多层结构的热力耦合数学物理模型,对热传导方程和应力平衡方程进行有限元数值求解,计算得到不同能量密度下脉冲激光辐照CCD的瞬态温度场和热应力场,分析了CCD最易损伤的位置及激光参数对探测器损伤的影响,并结合CCD的像元构造和工作方式阐明了CCD各层结构的损伤对CCD成像质量的影响程度及影响机理。

不同工作状态激光对可见光CCD的损伤实验

分别用连续激光、40kHz和5kHz重频激光对可见光CCD进行损伤实验,发现了相似的损伤现象,即点损伤、线状损伤和完全损伤,并分别测量了各个损伤状态下的驱动电极与衬底间的阻抗变化;分别对三组实验中损伤的CCD芯片进行电镜扫描,微观分析各个损伤位置处的损伤形貌,详细解释了出现三种损伤现象的原因,并比较了三种工作状态激光的不同作用机理。得到的结论是:点损伤现象与CCD表层的损伤有关,线损伤现象与漏光和电极间短路有关、完全损伤现象与绝缘层的损伤有关;连续激光作用的过程以热熔融为主、40kHz重频激光作用的过程以汽化烧蚀为主、5kHz重频激光作用的过程包括汽化烧蚀、强汽化"冲刷"以及反冲压力。

500fs超短脉冲激光对CCD探测器的破坏效应

采用脉宽500 fs,脉冲能量250μJ的超短脉冲激光辐照线阵CCD探测器,观察到了CCD从线性响应到像元饱和、饱和串音直至硬损伤的整个过程,并着重对两种辐照能量密度下的硬损伤机理进行了理论分析。结果表明:激光能量密度为0.45μJ/cm2时,达到像元饱和;能量密度为0.14 J/cm2时,辐照6个脉冲后实现了CCD器件的硬损伤,硬损伤源于晶格被加热并汽化形成等离子体;能量密度为1.41 J/cm2时,单个脉冲就使CCD器件的输出波形无法辨认,2个脉冲后CCD器件没有任何信号输出,硬破坏源于电荷分离形成的电场库仑力。

面阵CCD相机的飞秒激光损伤分析

研究了飞秒激光对CCD相机的干扰和损伤效应。采用波长为800 nm,脉宽为100 fs,单脉冲能量为500μJ的脉冲激光辐照行间转移型面阵CCD相机,测量了飞秒激光对CCD相机的损伤阈值。在逐步提高到达CCD靶面能量的过程中观察点损伤、线损伤和全靶面损伤等实验现象,得到了点损伤阈值为151.2 mJ/cm2,线损伤阈值为508.2 mJ/cm2,全靶面损伤阈值为5.91 J/cm2。测量了CCD在不同损伤情况下时钟信号线间及其与地间的电阻值,通过对比CCD损伤前后的电阻值,发现线损伤和全靶面损伤时CCD垂直转移时钟线间及其与地间的电阻值明显变小。最后分析讨论了损伤部位和损伤机理。

混合频率激光干扰CCD探测器的仿真研究

激光辐照CCD图像探测器时可造成对探测器的干扰和破坏,为了增强激光对CCD探测器的损伤效果,提出了一种混合频率激光干扰方法,这种方法是将高重频激光和低重频激光耦合,使其同时作用于CCD探测器。基于热传导和热弹性力学的基本关系式建立了混合频率激光辐照CCD探测器遮光铝膜层的热力耦合数学物理模型,对热传导方程和应力平衡方程进行半解析求解,计算得到不同工作模式的激光辐照CCD探测器的遮光铝膜层的瞬态温度场和热应力场,并通过数值仿真定量地比较了不同工作模式激光光源对CCD的损伤效果。结果表明:相对于高重频激光和低重频激光单独作用探测器的情况,混合频率激光将会对CCD产生更加严重的损伤效应。

面阵CCD图像传感器点破坏机理研究

用１．６μｍ脉冲激光聚焦辐照面阵ＣＣＤ图像传感器。遭破坏面积不到有效传感器面积的万分之一，整个ＣＣＤ图象传感器无图像输出。破坏阈值小于１２Ｊ／ｃｍ２。分析了破坏机理。

长脉冲激光对组成CCD图像传感器的MOS光敏单元的硬破坏机理研究

以帧转移型面阵CCD图像传感器为例,采用有限元法研究了波长1.06μm,脉宽ms量级长脉冲Nd:YAG激光与组成CCD传感器的MOS光敏单元的作用过程及硬破坏机理.建立了长脉冲激光辐照MOS光敏单元的热力耦合模型,模拟了MOS光敏单元的温度分布和应力分布.研究结果表明:在长脉冲激光作用下,由于S层表面径向压应力超过其抗压强度引起MOS光敏单元出现了OS层间分裂,进而受径向、环向和轴向压应力的共同作用下,在光敏单元还未熔融时,层间分裂就扩大至光敏单元的整个OS层间.OS层间完全分裂会使光敏单元发生硬破坏,并造成CCD传感器中激光照射区的单个或一列光敏单元的功能完全失效.文章的研究结果可为CCD图像传感器的激光损伤及防护提供必要的理论依据.

脉冲激光辐照CCD探测器的热损伤机理

采用扫描电子显微镜和显微拉曼光谱仪研究了受脉冲激光损伤的CCD的形貌和光谱特性。在损伤表面上得到CCD各层的形貌，比较出不同层受激光损伤的先后次序，观察到感光区附近遮光层和多晶硅电极的破坏，研究深入到单个像素尺度；在截面上测得损伤区内部硅材料拉曼光谱特征峰红移，判定内部硅材料发生熔融，并造成表面多晶硅电极和基底短路，解释了CCD受皮秒激光热损伤完全失效的机理。

三波长单脉冲纳秒激光损伤CCD实验研究

开展了波长分别为1064 nm、532 nm和416 nm,脉宽均为5 ns的单脉冲激光损伤CCD的实验,观测并比较了不同损伤阶段三种波长激光各自损伤CCD的视频图像、微观形貌、阈值和芯片引脚的电阻阻值,分析了CCD的损伤机理。在532 nm和416 nm激光所损伤CCD视频输出图像中发现了并未出现在1064 nm激光所损伤CCD视频输出图像中的黑点现象;CCD发生损伤时,微透镜层的损伤状况随辐照激光波长减小而愈加严重;1064 nm激光损伤CCD的阈值最高,532 nm和416 nm激光损伤CCD的阈值相近。与未损伤的CCD相比,完全失效CCD的基底与垂直移位寄存器的电阻、垂直移位寄存器间的电阻明显下降,由此推断,基底与多晶硅电极的短路或多晶硅电极间的短路是造成CCD白屏的主要原因。