梅 浩

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽471009）

0 引言

近炸引信是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，是決定導(dǎo)彈單發(fā)殺傷概率的一個重要因素。由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭對導(dǎo)彈引信性能的要求不斷提高，引信正向著主動智能化方向發(fā)展。激光引信以其獨有的空間分辨率高、定向性好、啟動精度高、體積小、抗電磁干擾能力強等特點，在空空導(dǎo)彈、面空導(dǎo)彈、空面導(dǎo)彈以及天基武器等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用［1］。

但是，由于工作波段單一的原因，激光引信也存在著受云、煙霧影響較大，容易產(chǎn)生虛警或難以識別云霧中目標的缺點。為此，提出了利用雙波段激光實現(xiàn)激光引信抗干擾的新技術(shù)。由于體積和信號處理等原因，激光引信的探測系統(tǒng)往往只能使用單一的光電探測器來接收兩個波段的激光回波。然而，普通的硅光電探測器對不同波段激光回波的響應(yīng)度有較大差異，并且響應(yīng)度絕對值較低，所得到的信號往往需要經(jīng)過預(yù)放大才能供后續(xù)處理使用，同時探測系統(tǒng)噪聲也將被放大，不利于整個系統(tǒng)信噪比的提升。

黑硅是近年來出現(xiàn)的一種新材料，以其獨特的光、電特性引起了國際和國內(nèi)研究者的極大興趣。這種材料最大的特點就是從紫外到可見，再到紅外的超寬光譜區(qū)域都有超高效率的吸收，表面反射幾乎為零。以黑硅為光敏材料制成的黑硅光電探測器，其靈敏度比普通硅探測器高100倍左右，截止波長也擴展至1 250nm?；谏鲜鎏攸c，本文提出了一種將黑硅光電探測器應(yīng)用于雙色激光引信的新思路。

1 黑硅及黑硅光電探測器

1.1 黑硅的制備方法

黑硅也被成為表面微結(jié)構(gòu)硅，被科學(xué)家譽為“21世紀革命性的新材料”。1998年，美國哈佛大學(xué)的Mazur教授等人在研究飛秒激光與物質(zhì)的相互作用時，無意間發(fā)現(xiàn)了這種材料。借鑒了哈佛大學(xué)研究小組的試驗方法，經(jīng)過適當改進，進行了黑硅樣品的制作。

制作黑硅的試驗裝置如圖1所示。

圖1 黑硅制作實驗裝置圖

在把硅片放入金屬盒內(nèi)后，仔細密封金屬盒，然后打開真空泵，對金屬盒抽真空。當金屬盒內(nèi)氣壓低至0.1Pa后，停止抽氣，開始從另外一個管子充入SF6氣體。當SF6氣壓達到0.67×105Pa后，停止充氣［2］。把飛秒激光的能量衰減到合適的水平，經(jīng)過聚焦透鏡和氟化鈣窗，使照射在硅片上的光斑直徑約為250μm。在光路上放置了一個照相機快門作為光閘，來控制照射在硅片上的脈沖數(shù)量。實際制作的黑硅樣本掃描電鏡照片如圖2所示。

圖2 制作的黑硅樣本掃描電子顯微鏡（SEM）照片

用肉眼觀察，與普通硅片的亮銀色相比，硅片表面被激光照射過的部分呈暗黑色，表示可見光被高效率的吸收。由掃描電鏡照片可以看到，飛秒激光和腐蝕氣體在硅的表面蝕刻出一個個小“金字塔”型的結(jié)構(gòu)。這些微小結(jié)構(gòu)分布非常均勻，每個小“金字塔”結(jié)構(gòu)頂端寬約1μm，高約15 μm。經(jīng)適當淬火處理，可使結(jié)構(gòu)側(cè)壁表面更加光滑。

1.2 黑硅的光學(xué)特性

用一臺美國Perkin Elmer 公司生產(chǎn)的LAMBDA 950型紫外-可見-近紅外分光光度計（Spectrophotometer）來測量樣品的光學(xué)特性。LAMBDA 950 的 測 量 范 圍 可 以 從175 nm ～3 300nm，且具有反射式和透射式兩種測量模式。只需要測得每個樣品的反射效率（R）和透射效率（T），再利用式（1）即可得到樣品的吸收效率（A）。

把用飛秒激光連續(xù)寫入法制作的表面微結(jié)構(gòu)硅載入LAMBDA 950 分光光度計，分別測量它在250nm～2 500nm 范圍內(nèi)的反射光譜和透射光譜，然后計算得到吸收光譜。之后，又測量了不帶有表面微結(jié)構(gòu)的普通硅片的反射光譜，與之對比。測得的光譜如圖3和圖4所示。

圖3 表面微結(jié)構(gòu)硅的反射、透射和吸收效率

圖4 黑硅和普通硅片的表面反射效率對比

圖3中點畫線為測得的黑硅反射光譜，虛線為其透射光譜，而實線為計算得到的吸收光譜?？梢?，制作的黑硅在從紫外到可見光再到1 000 nm 附近的近紅外波段都具有超高效率的吸收，最高處達95%，并且吸收光譜很平，表明這種黑硅在這一波段的吸光能力不依賴于波長的變化。而在1 100nm 附近，黑硅的吸收效率陡然下落約15%，在1 172nm 處取得最低值，為82%。這個位置剛好對應(yīng)于硅的能帶帶隙（1.1eV），因為波長大于1 100nm 以后，單個光子的能量就小于1.1eV，這樣光子的能量就不足以將硅內(nèi)部的電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶。在此之后，吸收效率又有緩慢回升，一直到2 500nm 吸收效率都基本保持在85%左右?？墒?，即便85%也是一個相對較高的吸收效率，表示了這種黑硅有很好的吸光效果。

為了進行對比，測量了不帶有表面微結(jié)構(gòu)的普通硅片的光譜，對比結(jié)果如圖4所示。圖中點畫線為不帶微結(jié)構(gòu)的普通硅片的反射光譜，可以看到，在可見光波段，30%～50%的光能量都被硅片直接反射回去，而在紅外波段，則有將近一半的光能量被反射。實線為黑硅的反射光譜。相比之下，黑硅的反射效率在250nm～1 100nm 范圍內(nèi)保持在5%左右，在1 100nm 以上的紅外波段也一直都在10%左右，表現(xiàn)出在吸光能力方面很大的優(yōu)越性。

2 黑硅光電探測器

光電探測器在軍事和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域有著廣泛的用途，可見波段的光電探測器主要用于測量和探測、工業(yè)自動控制、光度計算等，近紅外波段的光電探測器主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像和紅外遙感等。

目前光電探測器的主要問題：由于硅為間接能帶半導(dǎo)體材料，且半導(dǎo)體能帶間隙為1.1eV，這導(dǎo)致普通硅基探測器光電轉(zhuǎn)換效率較低，且對于波長大于1 100nm 的入射光無法響應(yīng)。硅制光電探測器主要用來探測可見光，隨著對分辨率和靈敏度的要求越來越高，CMOS器件每個像素的尺寸勢必要不斷減小?？墒牵雽?dǎo)體加工工藝中一些原理性的缺陷使得更小的像素尺寸越來越難以達到。這就限制了普通CMOS光電探測器的發(fā)展和應(yīng)用。鍺（Germanium）探測器雖然被用來探測1 700nm 以下的紅外光［3，4］，但Ge探測器的噪聲較大，且不易去除；而其它用于紅外光探測的PbSe，InSb，InGaAs等探測器多用昂貴且有毒性的材料制成，制作工藝復(fù)雜，成本較高，而且所需偏壓較大［5～7］。無論是可見光探測器還是紅外光探測器，目前的響應(yīng)度都顯得較低，對弱光的探測能力較差。因此迫切需要發(fā)展出一種具有寬相應(yīng)光譜、高響應(yīng)度、低功耗且成本較低的新型光電探測器。黑硅出現(xiàn)以后，它獨特的光吸收特性展現(xiàn)出了在光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。人們把黑硅與背面照射技術(shù)相結(jié)合，來研制新型的基于黑硅的光電探測器。

經(jīng)測試，在僅為3V 的工作偏壓下，黑硅光電探測器的響應(yīng)度比普通硅、鍺和InGaAs光電探測器提高了100倍，并且光譜響應(yīng)范圍大大超過傳統(tǒng)硅探測器的響應(yīng)范圍，把截至波長從1 000 nm 延長到了1 250nm。圖5 為SiOnyx 公司研制的黑硅光電探測器與傳統(tǒng)光電探測器的效果對比［8］。正是黑硅這種材料，帶來了光電探測器性能的如此大幅度提高。

圖5 黑硅光電探測器與傳統(tǒng)硅、鍺和銦鎵砷光電探測器的比較

3 應(yīng)用探索

雙色目標識別和抗干擾技術(shù)在導(dǎo)彈的導(dǎo)引系統(tǒng)中已廣泛應(yīng)用，如“尾刺”導(dǎo)彈采用兩種探測器，分別探測紫外和中紅外回波信號，經(jīng)比較以區(qū)分目標和干擾；法國“西北風”導(dǎo)彈也采用了紅外和紫外雙色制導(dǎo)體制。然而，雙色技術(shù)在引信領(lǐng)域的應(yīng)用還處于探索和預(yù)先研究階段。

通常認為，對引信探測系統(tǒng)形成干擾的主要是自然界云霧、戰(zhàn)場煙塵（包括人造煙幕）等懸浮氣溶膠類干擾物。當云、煙霧濃度足夠大時，激光照射到云、煙霧上所產(chǎn)生的回波信號易超過閾值，從而使引信產(chǎn)生虛警，甚至早炸，嚴重影響裝備激光引信的導(dǎo)彈系統(tǒng)的技、戰(zhàn)術(shù)性能。

懸浮顆粒對入射激光主要有反射、散射和吸收三種效應(yīng)。具體來講，主要分為以下幾種情況：

a）當粒子直徑D 遠大于入射波長λ時，此時入射光與粒子的相互作用主要體現(xiàn)為反射和折射，散射作用較弱，且與波長基本無關(guān)，主要體現(xiàn)為實體目標對入射激光的作用效果；

b）當粒子直徑D 遠小于入射波長λ 時，此時遵循瑞利散射規(guī)則，粒子尺寸增大，散射強度也迅速增大；

c）當粒子直徑D 與入射波長λ 接近時（0.1λ＜D＜100λ），進入Mie散射區(qū)。

云霧粒子的典型直徑在1μm～50μm，激光引信所使用光源一般在近紅外波段，因此本文討論的云、煙霧散射對激光引信的干擾屬于Mie散射范疇。波長較短的光，散射作用較強；波長較長的光，散射作用較弱［9］。

基于上述分析，利用雙色技術(shù)實現(xiàn)引信抗干擾的基本原理：目標與云、煙霧的后向散射特性對于不同波段的激光存在較大差異，可以通過目標與干擾對兩種不同波長激光回波信號散射強度比值的差異來判斷目標或干擾。

由于國內(nèi)外激光引信多采用半導(dǎo)體激光器作為光源，因此引信接收系統(tǒng)常采用體積小、成本低、穩(wěn)定性相對較高的硅PIN 探測器。典型硅PIN 探測器的響應(yīng)度曲線，如圖6所示。

圖6 硅探測器響應(yīng)度隨入射光波長的變化

硅PIN 探測器雖然有自身的特點，但也有兩點主要不足：

a）響應(yīng)度較低：光電轉(zhuǎn)換得到的電流信號非常微弱，往往需要配合大倍數(shù)前置放大器使用，后面還加有一級主放大器。前置放大器的使用一方面增大了本來就對體積、尺寸要求極為苛刻的引信系統(tǒng)工程化難度，另一方面，前置放大器不僅會放大有效信號，暗電流等噪聲也會被放大，這給后續(xù)的信號提取和識別增大了難度；

b）對不同波長光的響應(yīng)度差別較大，截止波長較低：對于單色激光引信，只需選取響應(yīng)度曲線峰值附近的波長作為光源即可，但是對于雙色激光引信，兩種波長的激光響應(yīng)度差別過大會對后續(xù)的信號處理帶來極大的困擾，甚至將兩種波長激光對于目標和干擾的散射差異完全抵消，從而喪失了雙色技術(shù)在抗干擾方面的優(yōu)勢。

采用黑硅光電探測器將較好的解決上述問題。黑硅光電探測器比普通硅PIN 探測器響應(yīng)度高100倍以上，因此不需要前置放大器，只需單級放大即可；其次，黑硅光電探測器截止頻率比硅PIN 探測器大為提高，且響應(yīng)度曲線較為平直，這使得選取兩種波長差別盡量大、響應(yīng)度差別盡量小的光源成為可能。目前國內(nèi)已有科研院所能夠制作雙色半導(dǎo)體激光器，這種激光器將兩種波長的激光管芯封裝在同一個管殼內(nèi)，因此體積與常用的單色半導(dǎo)體激光器一致，管殼直徑僅為11 mm 左右；并且這兩種波長均在黑硅光電探測器的響應(yīng)波段范圍之內(nèi)，引信每個象限使用單個探測器即可滿足探測要求。因此，雙色激光引信的光源和探測器體積均未增加，這就大大降低了系統(tǒng)集成的難度。這對于對系統(tǒng)體積要求嚴苛的激光引信來講無疑具有重要意義。

根據(jù)上述思想，設(shè)計了基于黑硅光電探測器的雙色激光引信系統(tǒng)框圖，如圖7所示。信號處理電路給發(fā)射電路以驅(qū)動信號，驅(qū)動兩種激光器發(fā)光。雙色激光照射到目標或干擾物上產(chǎn)生回波，經(jīng)共口徑接收光學(xué)系統(tǒng)聚焦到黑硅光電探測器上進行光電轉(zhuǎn)換，電信號經(jīng)預(yù)處理，被送往目標識別與抗干擾電路進行識別。

圖7 雙色激光引信原理框圖

4 結(jié)束語

雙色或雙?？垢蓴_技術(shù)在國內(nèi)外導(dǎo)彈導(dǎo)引系統(tǒng)中已廣泛應(yīng)用。作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，激光引信也亟需利用雙色技術(shù)解決自身易受云、煙霧等干擾的缺陷。黑硅光電探測器作為一種新型探測器，具有很多傳統(tǒng)硅探測器不具備的優(yōu)勢。若加以研究應(yīng)用于雙色激光引信當中，必將解決裝備了激光引信的導(dǎo)彈系統(tǒng)抗干擾能力不足的缺點，真正實現(xiàn)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的“全天候”作戰(zhàn)。

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