王 明，王挺峰 ，邵俊峰

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)機密機械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，吉林長春130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

電荷耦合器件(CCD)已廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，以CCD探測器為核心的光電裝備極易受到激光的干擾和損傷，所以激光與CCD探測器件的相互作用一直是激光應(yīng)用的重點研究內(nèi)容。關(guān)于連續(xù)激光輻照和納秒脈沖激光輻照CCD的研究，已有大量的文獻報道［1-4］。近年來，人們開始關(guān)注飛秒激光對CCD的干擾和損傷效應(yīng):江繼軍等人通過實驗得到飛秒激光作用下CCD的損傷閾值比納秒激光作用下的損傷閾值低2～3個量級［5］;李文煜等人對飛秒激光損傷CCD開展了實驗研究，測得了部分損傷閾值，并且得到了隨著重復(fù)頻率的增加，損傷閾值降低的重要結(jié)論［6］;黃紹艷等人開展了500 fs超短脈沖激光對線陣CCD器件的輻照效應(yīng)研究，得出了能量密度不同時，損傷原因分別為等離子體和電荷分離形成的電場的庫侖力［7］。不過現(xiàn)階段飛秒激光對CCD損傷閾值的測試數(shù)據(jù)仍不足，有必要對其損傷機理做進一步分析討論。本文主要利用100 fs脈沖激光輻照面陣CCD，得到了其損傷閾值，并分析了其損傷部位和損傷原理。

2 實驗原理

2.1 可見光CCD簡介

所使用的可見光面陣CCD芯片型號為Sony ICX055AL，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。構(gòu)成CCD的基本單元是金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)，CCD由光敏元陣列、垂直CCD移位寄存器陣列及水平CCD移位寄存器陣列3部分構(gòu)成。

圖1 ICX055AL CCD電路原理結(jié)構(gòu)Fig.1 Block diagram and pin configuration of ICX055AL CCD

Sony ICX055AL采用行間信號電荷轉(zhuǎn)移方式。首先，光敏元受光后，在一定期間內(nèi)進行光電轉(zhuǎn)換與存儲的信號電荷在垂直消隱的最后階段針對所有的像素轉(zhuǎn)移到相鄰的垂直移位寄存器陣列;接著，讀出移位到垂直移位寄存器陣列的信號電荷，在水平消隱期間，這些電荷逐行轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器中，在水平圖像期間向FD放大器進行水平轉(zhuǎn)移，將像素逐一轉(zhuǎn)換成電壓后輸出，此時，完成光電轉(zhuǎn)換的信號電荷在垂直CCD移位寄存器陣列進行逐行轉(zhuǎn)移，光敏元進行下一個圖像的光電轉(zhuǎn)換。經(jīng)后續(xù)視頻處理電路處理后，輸出信號成為視頻信號。

2.2 激光與CCD器件的相互作用

激光對CCD的影響主要分為干擾和損傷兩種類型。一般認為，干擾主要表現(xiàn)在光電材料或器件的功能退化或暫時失效，減弱或撤去光照后，CCD器件可恢復(fù)正常工作。損傷是指永久性破壞，撤去光照后，CCD器件無法恢復(fù)正常工作。

超短脈沖激光的飽和干擾與連續(xù)激光和納秒脈沖激光飽和干擾在機理上是相同的:像元飽和、串?dāng)_和全屏飽和是由CCD器件的結(jié)構(gòu)所決定的。當(dāng)輻照在CCD光敏元上的激光能量增大到一定程度時，將產(chǎn)生足夠多的電子-空穴對并填滿勢阱，此時的輸出電壓信號將達到飽和，即像元飽和。當(dāng)激光能量繼續(xù)增加時，電子將穿越勢壘向鄰近的勢阱中擴散，使得未被輻照的像元也會有電信號輸出，即出現(xiàn)串?dāng)_。繼續(xù)增加激光能量，將會出現(xiàn)全屏飽和現(xiàn)象。對于前照明式CCD，激光對MOS結(jié)構(gòu)CCD器件的破壞過程首先是對金屬鋁柵極膜和SiO2的破壞，最后才是與P型Si物質(zhì)相互作用。與納秒脈沖激光相比，飛秒激光具有更短的脈沖，此時轉(zhuǎn)換成的熱量不能及時向外傳遞，并且飛秒激光還具有超高的峰值功率，即功率密度非常大，所以更容易造成CCD器件的永久性損傷［2，7］。

3 實驗裝置

實驗使用的激光波長是800 nm，脈寬為100 fs，單脈沖能量為 500 μJ，重頻為 1 kHz(可外觸發(fā)實現(xiàn)單脈沖輸出)，能量穩(wěn)定度為5% 。CCD圖像傳感器采用Sony公司生產(chǎn)的行間轉(zhuǎn)移ICX055AL型面陣CCD。能量計為OPHIR公司的PE9F和PE50，量程分別為0.3～1 mJ和25 μJ～10 J。光學(xué)鏡頭型號是Nikon 18～105 mm(實驗中測得其對800 nm飛秒激光透過率為0.688)。示波器型號為TDS1012B-SC。實驗裝置如圖2所示。

圖2 飛秒激光對CCD損傷的原理圖Fig.2 Schematic diagram of femtosecond laser damage to the CCD

實驗中控制激光器實現(xiàn)單脈沖輸出，使用偏振片控制飛秒激光到達分光鏡的能量，經(jīng)過分光鏡后光束分為兩束，一束經(jīng)過衰減片到達能量計PE9F，另一束進入光學(xué)系統(tǒng)。實驗時先將能量計PE50放在光學(xué)系統(tǒng)前，進行能量比例標(biāo)定。CCD的輸出信號被分成兩路，一路送入計算機，實時觀察并記錄圖像的變化，作為CCD損傷的判斷依據(jù);另一路連接到示波器，觀察CCD的輸出波形變化，可以判斷損傷的效果。

4 實驗結(jié)果與分析

在開展損傷效應(yīng)實驗前，先進行分光鏡分光比例的標(biāo)定:將能量計PE50放在光學(xué)系統(tǒng)處，其測得的值與能量計PE9F測得的值的比值(分光比)為1.604。在實驗過程中為了觀察到CCD的工作狀態(tài)隨飛秒激光輻照能量密度變化的整個過程，首先要調(diào)節(jié)偏振片，使入射到CCD靶面的激光能量衰減到最小，然后調(diào)節(jié)偏振片，使入射到CCD靶面上的能量逐漸增加。在能量增加的過程中，CCD工作狀態(tài)從飽和到無法成像，根據(jù)CCD被破壞的情況不同，可以把CCD的硬破壞分為3個階段:第一階段是點損傷，在低能量密度的飛秒脈沖激光輻照下，首先會出現(xiàn)黑點，增大能量則會出現(xiàn)無法恢復(fù)的白斑;第二階段是線損傷，飛秒脈沖激光輻照后，在損傷的光斑處，沿時鐘線方向出現(xiàn)白色亮線，此時其他部位仍可正常成像;第三階段是全靶面損傷，在高能量密度的飛秒脈沖激光輻照后，CCD徹底被破壞，無法正常成像。

4.1 點損傷

在逐步提高到達CCD靶面能量的過程中，首先會觀察到CCD的像元飽和、串?dāng)_和全屏飽和，繼續(xù)提高到靶能量，當(dāng)能量密度增大到109.1 mJ/cm2時，仍然會出現(xiàn)全屏飽和現(xiàn)象，當(dāng)能量密度提高到151.2 mJ/cm2時，觀察視頻輸出圖像會發(fā)現(xiàn)表面出現(xiàn)了白色的亮斑，關(guān)閉鏡頭的光圈，白斑依然存在，如圖3所示:圖3(a)為CCD視頻輸出圖像;圖3(b)為CCD表面損傷情況。

圖3 飛秒激光對CCD點損傷后的CCD視頻輸出圖像及顯微照片F(xiàn)ig.3 Video image and microtopography of CCD after point damage

圖4 并排損傷達到3個白斑時的CCD視頻輸出圖像Fig.4 Video image of CCD after point damage with three points in a row

繼續(xù)提高到達CCD靶面的能量，發(fā)現(xiàn)隨著到達CCD靶面能量密度的增加，損傷的白色光斑也逐漸變大。當(dāng)在水平方向(與垂直轉(zhuǎn)移時鐘線方向垂直)并排連續(xù)損傷達到3個白斑時，出現(xiàn)一條黑線，黑線穿過3個白斑，如圖4所示。

用萬用表測量CCD發(fā)生點損傷后垂直轉(zhuǎn)移時鐘線間及其與地間的電阻以及水平轉(zhuǎn)移時鐘線間及其與地間的電阻，在一定允許誤差下與損傷前完好CCD的對應(yīng)電阻值比較，未發(fā)現(xiàn)時鐘信號線間及其與地間的電阻值有明顯的變化(測量電阻時CCD仍在電路板上)。

4.2 線損傷

提高到達CCD靶面的能量，當(dāng)能量密度增大到508.2 mJ/cm2時，觀察飛秒脈沖激光輻照后CCD的視頻輸出圖像，可見在原飛秒激光光斑輻照的位置處，沿著垂直轉(zhuǎn)移時鐘線方向出現(xiàn)一條豎直的白色亮線，關(guān)閉鏡頭的光圈亮線依然存在，如圖5所示:圖5(a)為CCD視頻輸出圖像;圖5(b)為CCD表面損傷情況。繼續(xù)提高到達CCD靶面的能量，發(fā)現(xiàn)損傷造成的白色亮線變寬。

圖5 飛秒激光對CCD線損傷后的CCD視頻輸出圖像及顯微照片F(xiàn)ig.5 Video image and microtopography of CCD after line damage

用萬用表測量水平轉(zhuǎn)移時鐘線間及其與地間的電阻，在一定允許誤差下與損傷前完好CCD的對應(yīng)電阻值比較，未發(fā)現(xiàn)電阻有明顯變化(測量電阻時CCD仍在電路板上);但發(fā)現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)移時鐘線間及其與地間的電阻發(fā)生了明顯的變化，CCD線損傷前后的電阻值如表1所示:V1、V2、V3、V4為CCD芯片的垂直轉(zhuǎn)移時鐘信號輸入引腳;GND為CCD芯片上的地引腳。

表1 垂直時鐘線間及與地間的電阻值Table 1 Resistance values between vertical clock lines and the ground

4.3 全靶面損傷

當(dāng)能量密度增大到5.91 J/cm2時，飛秒脈沖激光輻照后整個CCD視頻輸出圖像變白，數(shù)分鐘過后，CCD仍無法成像，說明CCD已被永久損傷。用顯微鏡觀察CCD表面，損傷情況如圖6所示。用萬用表測量水平轉(zhuǎn)移時鐘線間及其與地間的電阻，在一定的誤差允許下與損傷前完好CCD的對應(yīng)電阻值比較，未發(fā)現(xiàn)電阻有明顯變化(測量電阻時CCD仍在電路板上)，但發(fā)現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)移時鐘線間及其與地間的電阻發(fā)生了明顯的變化，CCD全靶面損傷前后的電阻值如表2所示。

圖6 飛秒激光對CCD全靶面損傷后的CCD視頻輸出圖像Fig.6 Video image of CCD after whole target surface damage

表2 垂直時鐘線間及與地間的電阻值Table 2 Resistance values between vertical clock lines and the ground

4.4 實驗結(jié)果分析

在能量的增加過程中，觀察到了同連續(xù)激光輻照和納秒脈沖激光輻照相同的實驗現(xiàn)象，首先出現(xiàn)像元飽和、串?dāng)_和全屏飽和現(xiàn)象，然后是點損傷和線損傷，最后CCD被完全破壞，無法成像。實驗測得飛秒脈沖激光損傷CCD的點損傷閾值為151.2 mJ/cm2(出現(xiàn)白斑時認為是點損傷)，對比參考文獻［1］和［8］，小于納秒脈沖激光損傷數(shù)據(jù)(～1 J/cm2)。

在點損傷后，利用萬用表測量轉(zhuǎn)移時鐘線間及其與地間的電阻，通過與損傷前完好CCD的電阻值比較發(fā)現(xiàn):點損傷沒有使CCD芯片的時鐘線間及時鐘線與地間的電阻值發(fā)生變化。通過圖2右側(cè)CCD表面的損傷情況可以看出，點損傷時破壞了CCD表面的第一層;點損傷后，其它部位依然可以正常成像，可以推斷點損傷只是破壞了損傷部位的像元。通過表1可以看出，線損傷時水平轉(zhuǎn)移時鐘線間及其與地間的電阻值基本沒有發(fā)生變化，而垂直轉(zhuǎn)移時鐘線間及其與地間的電阻值明顯變小。通過圖4可以看出，線損傷時CCD表面的第一層已經(jīng)完全脫落，內(nèi)部的網(wǎng)格已經(jīng)暴露出來。可以推斷線損傷時CCD的表面已經(jīng)因為飛秒激光脈沖的輻照造成了電荷轉(zhuǎn)移電路的短路或斷路，致使垂直轉(zhuǎn)移時鐘線間及其與地間的電阻值明顯變小。線損傷時，除了白色亮線無法成像外，其余部分仍然可以成像，由此可知線損傷只是破壞了損傷部位的像元及其所在的電荷轉(zhuǎn)移電路，并沒有對其它部位的成像產(chǎn)生影響。全靶面損傷后，通過表2可以看出水平轉(zhuǎn)移時鐘線間及其與地間的電阻值基本沒有發(fā)生變化，而垂直轉(zhuǎn)移時鐘線間及其與地間的電阻值明顯變小。說明在飛秒激光脈沖的輻照下，垂直轉(zhuǎn)移電荷電路出現(xiàn)了短路或斷路，致使垂直轉(zhuǎn)移時鐘線間及其與地間的電阻值明顯變小。從圖5可以看出，全靶面損傷時CCD表面至少損壞到了第三層，第一層下面的網(wǎng)格也已經(jīng)被破壞，破壞的程度比線損傷更加嚴重，已經(jīng)使整個CCD像元的電荷儲存和轉(zhuǎn)移無法正常完成，導(dǎo)致CCD無法正常成像。

5 結(jié)論

本文利用脈寬為100 fs的飛秒激光對Sony公司ICX055AL型號的行間轉(zhuǎn)移型CCD探測器進行單脈沖損傷實驗，實驗中發(fā)現(xiàn)了與納秒脈沖激光損傷過程相同的損傷現(xiàn)象。實驗測得點損傷(剛出現(xiàn)白斑時)閾值為151.2 mJ/cm2，線損傷閾值為508.2 mJ/cm2，全靶面損傷閾值為5.91 J/cm2。實驗中測得線損傷和全靶面損傷CCD的垂直轉(zhuǎn)移時鐘線間及其與地間的電阻值變小，說明損傷部位的像元已經(jīng)被破壞，像元所在的電荷轉(zhuǎn)移電路間及其與地間的電路發(fā)生了短路或斷路。當(dāng)能量密度超過5.91 J/cm2時，CCD被嚴重損壞，電荷無法正常儲存和轉(zhuǎn)移，致使CCD無法成像。

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