32×32 Si盖革模式激光焦平面探测器

为了满足350 nm~1100 nm波长范围内远距离及微弱激光3维成像探测的需求,提出了一种规模为32×32的盖革模式硅激光焦平面阵列探测器,它主要由硅雪崩光电二极管阵列、读出电路芯片、微透镜阵列、半导体制冷器、引脚网格阵列壳体等元件组成。硅雪崩光电二极管焦平面阵列采用拉通型N^(+)-Π_(1)-P^(-)-Π_(2)-P^(+)结构,工作在盖革模式下,通过Si片背面抛磨减薄及盲孔刻蚀技术,实现了纤薄光敏区的加工;读出电路采用主动模式淬灭设计,使电路单元的死时间控制在50 ns以内,并利用一种带相移技术的时间数字转换电路优化方案,在满足时间分辨率不大于2 ns的同时,降低了读出电路芯片的功耗。结果表明,在反向过偏电压14 V、工作温度-40℃的条件下,该探测器在850 nm的目标波长可实现20.7%的平均光子探测效率与0.59 kHz的平均暗计数率,时间分辨率为1 ns,有效像元率优于97%。该研究为纤薄型背进光Si基激光焦平面探测器的研制提供了参考。

基于太赫兹量子级联激光器的实时成像研究进展

太赫兹(THz)实时成像是THz技术中颇具潜力的一个领域,具有成像速度快、成像分辨率高等特点,基于THz量子级联激光器(QCL)的实时成像系统是其中最重要的一种,系统体积小、重量轻、成像信噪比高等特点使其在实际应用中具有独特的优势。本文主要介绍了THz QCL器件及其实时成像系统的研究进展,采用超半球高阻硅透镜改善了THz QCL的输出激光,实现了准高斯光束输出,搭建了基于二维摆镜消干涉技术的THz实时成像系统,单帧成像光斑面积45mm×30 mm,实现了对刀片、药片的实时成像演示,成像分辨率优于0.5 mm;最后对成像系统激光源、成像光路和探测端的改进以及成像效果的改善方面进行了综述,并探讨了THz实时成像系统未来的发展趋势及其在材料分析和生物医学成像方面的应用前景。

高功率激光装置光束精密调控性能研究进展

光束精密调控是惯性约束聚变(ICF)研究对激光驱动器的基本需求,它是一项装置层面的系统工程。主要介绍了中国工程物理研究院激光聚变研究中心近年来在靶面光强控制、脉冲波形控制、光束近场控制以及在新型光束探索方面所取得的重要进展。

空间大规模CMOS面阵焦平面拼接技术

为了提高空间遥感器的时间分辨率,采用更大规模的红外焦平面阵列和可见焦平面阵列是未来高时间分辨率空间遥感的发展趋势。目前,由于大规模阵列探测器受到CMOS工艺的限制,不能满足空间高时间分辨率发展的要求。为了满足大规模焦平面遥感应用的要求,提出了一种大规模阵列焦平面机械的拼接方法。该方法采用精密压电陶瓷电机,完成探测器焦平面的微米量级位置调整,并通过激光测距仪测量以及计算机平面拟合来确定探测器焦平面的空间位置,进而实现了大规模非连续CMOS焦平面阵列的机械式拼接。

大视场激光探测与告警技术

利用四路红外非制冷焦平面探测器、大视场光学系统、窄带滤光片和信号处理系统,构成了凝视成像激光探测与告警系统.光学系统采用三片式结构的广角镜头来实现大视场;使用先进的非球面光学设计技术,并以FPGA完成探测器响应信号的非均匀校正,以改善像质;通过光学系统的畸变校正,提高激光的探测方向精度;利用激光和背景强度之间的反差,通过激光目标检测算法进行告警.实验表明,该系统能在127°视场范围内对波长为1.315μm, 2.7μm, 3.8μm, 10.6μm的4种激光进行告警,探测功率密度范围为0.05～50mW/cm2,探测方向精度可达1°.

激光告警中近红外焦平面阵列探测器成像技术研究

为了提高激光探测的方位分辨率,实现对来袭激光的准确定位,选用了FPA-320x256-C型InGaAs焦平面阵列探测器作为光栅衍射型激光告警装置的核心元件。介绍了基于光栅衍射的激光波长和方向探测原理,在分析了探测器性能及参数的基础上设计了驱动电路。探测器在FPGA时序的控制下,输出模拟量通过高速AD进行采集,数据经缓存后存储在FPGA外扩的SRAM中,然后通过USB传送至PC机。上位机Labview采集原始数据,处理并显示。利用上述方法,完成了成像实验,采用波长为1 550和980 nm的激光器从不同角度进行入射,对探测得到的衍射图像进行分析,判断出零级和一级的位置,根据光栅衍射理论,计算出相应波长和二维方向入射角,结果显示波长误差小于10 nm,入射角误差小于1°。

激光刻蚀法网格化热释电红外焦平面探测器的实验研究

采用激光刻蚀的方法来实现非制冷热释电红外焦平面探测器的网格化,分别在空气中和碱溶液中使用紫外激光对钛酸锶钡(BST)材料进行划线,分析了溶液和激光参数的影响。使用KOH溶液作为辅助介质时,获得了宽为8μm,深约25μm,边缘光滑,侧壁垂直度高的微槽,已满足了实际应用要求。

VO_2薄膜的研究和应用进展

综述了VO_2薄膜的制备工艺,着重探讨了热处理工艺和条件对其性能的影响,并介绍了它的最新应用情况。

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展(特邀)

雪崩光电二极管(APD)是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管(SPAD)。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。

余弦平方-高斯光束的双焦开关和焦平面

为了研究余弦平方-高斯光束通过无光阑透镜后的聚焦特性,采用Collins公式推导了聚焦余弦平方-高斯光束轴上光强分布公式,并利用空间2阶矩法求得光束束腰宽度的解析表达式。通过数值方法研究了轴上光强的双焦开关现象和由束腰所在焦平面的焦移现象,得到了这两种现象随光束参量b、相对入射距离s′及菲涅耳数NF的变化关系。结果表明,只有b>1时才出现双焦开关现象,而实际焦平面在s′≠1时存在焦移。

强激光光束质量测量系统研制

分析比较了激光光束质量的评价方法,采用衍射极限因子评价方法和焦平面阵列探测技术,设计并研制了强激光光束质量测量系统。该系统主要由多层介质膜反射分束镜、卡塞格伦式缩束器、聚焦透镜、焦平面阵列及数据处理器等组成,采用哈特曼-夏克波前监测仪对多层介质膜反射分束镜的透射波前进行实时监测。结果表明,系统实现了对中红外、近红外和可见光波长的强激光光束质量实时在线测量,光束质量因子的测量不确定度均小于10%,性能稳定,能够用于实验测量。

共轴两焦面探测信号的激光粒度测试

为了提高激光粒度仪测量宽分布范围粒径的能力，根据衍射原理，提出扩大测试动态范围的方法。该方法使用共轴的双透镜，在两个焦平面同时探测信号，将这些信号合成后经数据处理得到粒子尺寸分布。模拟计算表明，使用两个100mm焦距的透镜和两个32环的多元探测器可测量粒径为1-2000μm的颗粒，动态范围为2000：1。这种方法在不需更换镜头、不改变探测器轴向位置的情况下可以测量较大量程内的粒径分布。

焦平面数据的光传输方案设计

为了解决利用普通电线传输数据引起杜瓦瓶内温度升高的问题,针对致冷型焦平面工作时的低温、低功耗、高速和小体积要求,研究了将焦平面数据向杜瓦瓶外传输的光学传输方法．讨论了空间光调制以及激光传输方法在光传输上的应用,设计了相应的方案,并指出了其优缺点．实验表明,空间光调制方法具有高速并行信息传输的特点,数据传输率可达到24Gbps,但结构设计较为复杂,所需功耗大;激光传输为串行传输,数据传输率可达到2Gbps,功耗一般在百毫瓦左右,结构简单,体积小,是一种更实用的焦平面数据传输方法．

红外面阵探测器用于全方位搜索的一种新方法

本文提出的基于红外面阵焦平面探测器的红外搜索跟踪系统与基于红外线线阵焦平面探测器的相比,其结构简单、成本低且具有自动搜索、跟踪和确认威胁目标的功能。本文重点论证了在全方位红外警戒系统中使用面阵探测器的可行性;在该分析的基础上,给出了该系统的图像退化模型;论证了在全方位搜索系统中,目标检测算法的处理思路,并分析了使用面阵探测器的优势。并且通过实验结果,证明基于面阵探测器的红外搜索系统是具有和线阵系统相当的目标探测距离,可以检测出信噪比在2左右的目标;并且在背景杂波处理上,在一定程度上优于线阵探测器。

中波高重频激光干扰非线性响应现象试验研究

针对中波探测器被中波高重频激光干扰时出现的非线性问题,设计了中波高重频激光器干扰制冷型中波HgCdTe焦平面探测器的干扰试验,分析了干扰出现的非线性响应输出现象,并得到了中波HgCdTe焦平面探测器干扰出现非线性响应时的阈值。

实时激光三维成像焦平面阵列研究进展

研究了应用于实时激光三维成像的焦平面阵列技术,介绍了目前国际上几种常用的焦平面阵列实现原理与技术特点,并对其优点与不足进行了分析,同时对表征焦平面阵列的主要性能指标以及其对最终成像系统的影响进行了定性分析。根据对现有技术的对比分析,提出基于雪崩光电二极管(APD)阵列和读出电路(ROIC)集成的探测器方案在灵敏度和作用距离等方面具有一定优势,是实现实时三维成像焦平面阵列较为理想的技术。作者认为在未来十几年内,激光三维成像焦平面阵列规模有望超过1 024 pixel×1 024 pixel,像元尺寸可降低到15μm。

激光光束检测圆对称超声换能器焦点声压的可行性

根据Raman and Nath理论,光在声场中传播可认为是在多层薄光栅中传播,而薄光栅的参数则由光栅平面内的声场分布决定。本文通过圆对称聚焦换能器在焦平面附近的声场分布,得到光束的偏转角与换能器焦点声压的关系。通过测量光束偏转距离得到换能器焦点声压。虽然本文的声压与偏转角的关系是基于理想超声聚焦换能器的线性理论,但通过激光检测声压与光纤水听器测量的结果,表明该方法可用于检测较高的焦点声压检测。

激光焦平面变化对LA-ICPMS锆石U-Pb定年准确度的影响

元素分馏是影响LA-ICPMS锆石U-Pb定年准确度的重要因素之一,通常利用标样进行校正。激光聚焦位置变化会引起剥蚀坑形貌及U-Pb分馏的改变,标样和样品聚焦条件不一致将导致标样难以准确校正样品,并最终影响定年结果的准确性,但影响的程度、机制及可容忍范围目前尚不清楚。为此,文章以91500为标样、GJ-1为样品,详细研究了聚焦偏离30μm范围内剥蚀标样与样品锆石的剥蚀坑形貌变化以及由此导致的U-Pb定年误差。实验表明,在距离锆石表面30μm范围内,标样和样品焦平面同步变化时,二者U-Pb分馏形式及程度基本一致,激光焦平面偏离所引起的样品年龄与TIMS推荐值的偏差小于1%;当二者聚焦不同步时,标样与样品的U-Pb分馏差别显著,年龄偏差最大可超过3%。激光聚焦不同步导致的标样与样品剥蚀坑纵横比差异是引起年龄误差的根本原因,激光焦平面偏离锆石表面超过15μm,剥蚀坑坑口明显变大,纵横比减小,U-Pb分馏形式及程度发生改变。通过预剥蚀锆石,观察剥蚀坑轮廓,使激光焦平面在距离锆石样品表面15μm范围内,可确保标样与样品剥蚀坑形貌及U-Pb分馏状态一致,提高LA-ICPMS定年的准确度。

10.6μm激光对HgCdTe焦平面器件热应力的分析

建立了HgCdTe红外焦平面器件的多膜层理论模型,利用有限元分析的方法,对10.6μm激光辐照下HgCdTe红外焦平面器件的升温情况与热应力分布情况进行模拟,并通过参考已有文献的实验结果,验证了理论模型的合理性。理论分析结果表明:激光作用时探测器的温度场变化剧烈,200 W/cm2连续激光作用1 s后,HgCdTe感光层所受热应力为-986 MPa;脉宽100 ns,功率密度15 MW/cm2脉冲激光作用后,HgCdTe感光层所受热应力为-1300 MPa,都比器件制造过程中由于热失配而产生的热应力大;应力损伤发生的概率增大,可能比热损伤先发生,是HgCdTe红外焦平面器件激光损伤中的重要原因。

红外焦平面组件封装中的皮秒激光划片工艺(下)

在对皮秒激光划片加工所涉及的基本原理和设备进行简单介绍的基础上,对红外焦平面组件封装中常涉及的一些材料的特点及其与皮秒激光束的作用机理进行了梳理。通过优化激光参数设置提高了划片效率并保证了划片质量;通过改进工夹具避免了金属层损伤且改善了操作方便性。