張 引，邵俊峰，湯 偉

（中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 光電對(duì)抗部，吉林 長(zhǎng)春130033）

1 引 言

HgCd Te是一種直接帶隙半導(dǎo)體，量子效率高、載流子遷移率高，可以實(shí)現(xiàn)弱光探測(cè)。同時(shí)它可以通過(guò)調(diào)節(jié)Cd的組份比例，完全覆蓋3個(gè)重要的大氣紅外窗口波段。憑借著上述優(yōu)點(diǎn)，磅鎘汞成為第三代紅外探測(cè)器的首先材料［1-3］。然而，HgCdTe紅外探測(cè)器也面臨很多問(wèn)題，例如用于生長(zhǎng)HgCdTe的外延襯底碲鋅鎘價(jià)格昂貴，使得整個(gè)HgCd Te探測(cè)器的價(jià)格居高不下；并且碲，鎘和汞三者之間是通過(guò)較弱的離子鍵組合在一起，汞很不穩(wěn)定，在350 K左右即會(huì)有Hg析出，破壞晶體結(jié)構(gòu)造成材料缺陷，從而影響等效噪聲功率等性能。此外，碲鎘汞的熔點(diǎn)在993 K左右，超過(guò)該溫度并吸收足夠的熔化潛熱，碲鎘汞材料會(huì)熔化。盡管如此，HgCdTe紅外探測(cè)器仍然廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，尤其是在精確制導(dǎo)、紅外偵察等方面具有不可替代的作用［4-5］。這些應(yīng)用推動(dòng)了激光干擾和損傷HgCd Te紅外探測(cè)器的發(fā)展。HgCd T紅外探測(cè)器屬于弱光探測(cè)器件，強(qiáng)激光的干擾和損傷容易導(dǎo)致器件不能正常工作，因此關(guān)于HgCd Te材料或器件的干擾及損傷機(jī)理成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一。

強(qiáng)激光損傷探測(cè)器是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，主要由激光參數(shù)和材料物理特性決定。其中，激光參數(shù)包含波長(zhǎng)、脈寬、重頻以及光束質(zhì)量等；材料的物理特性主要涉及導(dǎo)熱系數(shù)、密度、熱容和吸收系數(shù)，尤其是導(dǎo)熱系數(shù)和吸收系數(shù)，對(duì)溫度非常敏感。激光輻照探測(cè)器主要表現(xiàn)為材料的加熱，熔化、氣化和燒蝕以及材料氣化燒蝕引起的力學(xué)效應(yīng)和微結(jié)構(gòu)的改變等［6-7］。因此，脈沖CO2激光對(duì)長(zhǎng)波紅外探測(cè)器件的損傷效應(yīng)涉及材料自身吸收、反射、熱擴(kuò)散等物理特性，用激光加熱理論模型可定量描述材料溫升、熔化等物理過(guò)程［7-8］。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)9.3μm損傷碲鎘汞紅外探測(cè)器的研究較少，本文使用有限元軟件建模仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，探究激光損傷效應(yīng)，為之后開(kāi)展其他波段激光損傷碲鎘汞探測(cè)器的研究提供了9.3μm損傷碲鎘汞紅外探測(cè)器的參考。

2 理論分析

2.1 理論基礎(chǔ)

HgCd Te探測(cè)器為4層結(jié)構(gòu)，各層之間的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)探測(cè)器內(nèi)部出現(xiàn)局部溫度升高，探測(cè)器內(nèi)部層與層之間會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致芯片斷裂。近年來(lái)，伴隨著HgCdTe探測(cè)器的發(fā)展，其內(nèi)部應(yīng)力已經(jīng)得到了比較好的控制。已有研究表明，激光輻照HgCdTe探測(cè)器引發(fā)的熱熔融損傷要優(yōu)先于應(yīng)力損傷的發(fā)生［9］。

激光與材料相互作用，主要反應(yīng)為材料對(duì)激光輻照的熱吸收和熱傳導(dǎo)過(guò)程。激光輻照到HgCd Te探測(cè)器表面，碲鋅鎘層對(duì)激光吸收較少，與激光接觸面溫升并不高。透過(guò)碲鋅鎘層，由于HgCdTe材料的光電耦合時(shí)間只有1~2 ps，以及吸收系數(shù)比較大，所以HgCd Te可以快速吸收光子能量使材料溫度升高，并很快通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給HgCdTe和銦柱接觸面。因此HgCdTe溫度場(chǎng)分布可以通過(guò)熱傳導(dǎo)微分方程求得［10］：

式中：T為晶體在t時(shí)刻的溫度，k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，ρ為密度，c為熱容，α為吸收系數(shù)，I0為輻照激光功率密度。制冷型面陣HgCdTe器件通常封裝在杜瓦瓶?jī)?nèi)且通過(guò)液氮進(jìn)行制冷，其工作溫度保持在77 K。

因此，初始條件滿(mǎn)足：

邊界條件滿(mǎn)足：

其中L為器件內(nèi)HgCdTe材料的厚度。

實(shí)際情況下，HgCdTe材料的物理參數(shù)會(huì)隨入射波長(zhǎng)、溫度和Cd的比例而變化。Higgins通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)HgCd Te密度隨Cd組分呈線(xiàn)性變化，而隨溫度變化卻非常小，并給出了HgCdTe材料密度的計(jì)算公式［11］。Chu等人給出了HgCdTe材料的折射率隨溫度、入射波長(zhǎng)和Cd組分的擬合公式，經(jīng)計(jì)算，HgCd Te材料在長(zhǎng)波段的反射率R基本穩(wěn)定在3.1。除此之外，他們還研究了HgCdTe吸收系數(shù)隨溫度和Cd組分的變化規(guī)律，給出了吸收系數(shù)α的經(jīng)驗(yàn)公式［12］：

本文數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)采用的碲鎘汞Cd的組分比例x=0.2。

其中：T為溫度，x為Cd比例。

關(guān)于測(cè)量HgCd Te熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)比較多，研究發(fā)現(xiàn)它們隨溫度的變化比較大，當(dāng)HgCd Te發(fā)生熔融時(shí)，其熱容和導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)發(fā)生突變。本文不考慮HgCd Te發(fā)生熔融狀態(tài)，并采用Holland等人給出的HgCd Te導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行仿真研究［13］。

2.2 Bartoli理論分析

美、法等國(guó)對(duì)HgCd Te材料及單元探測(cè)器的激光損傷機(jī)理開(kāi)展了系統(tǒng)的研究。其中，Bartoli在美國(guó)海軍的支持下，系統(tǒng)性開(kāi)展了多波長(zhǎng)激光對(duì)多種紅外探測(cè)器材料的損傷機(jī)理研究，建立了一維熱傳導(dǎo)理論模型，通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合方式獲得了CO2激光輻照下HgCd Te材料和器件的熔化破壞閾值，其研究為激光損傷探測(cè)器提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和研究思路。Barteli建立的CO2激光對(duì)HgCdTe材料的熱損傷模型［14］，方法簡(jiǎn)明、物理概念清晰且普適性較好，因此在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

Bartoli利用上述熱傳導(dǎo)微分方程推導(dǎo)出高斯光束作用于HgCd Te材料的熱損傷閾值E0的計(jì)算公式：

其中：

式中：熱擴(kuò)散率k=0.09 cm2/s，從環(huán)境溫度溫升至熱熔融溫度707°C中間的差值為ΔTth=950 K，光敏面反射率R=0.31，熱容c=0.15 J·g·K，密度ρ=7.6 g/cm3，脈沖寬度τ=100 ns，吸收系數(shù)α=8 000 m-1，光斑半徑a0=60μm。

其中擴(kuò)散長(zhǎng)度D=（kτ）1/2=0.94μm，吸收深度L=1/αμm，高斯光斑到靶半徑a0=60μm，因此擴(kuò)散長(zhǎng)度D?吸收深度L，且擴(kuò)散長(zhǎng)D?光斑半徑a0。因而式（7）括號(hào)的右邊第二項(xiàng)可以忽略，簡(jiǎn)化為式（8）。由該模型獲得的損傷閾值理論數(shù)據(jù)與下節(jié)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合度較好。

3 仿真計(jì)算

HgCdTe的熔點(diǎn)為993 K，當(dāng)HgCdTe層溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，探測(cè)器單元將永久損傷。因此，以HgCdTe熱熔化作為相對(duì)嚴(yán)格的器件損傷效果界定。在理論分析基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件建立了CO2激光對(duì)HgCd Te材料的三維溫升有限元理論［15-16］仿真模型，獲得了9.3μm激光照射下材料的溫升三維分布，通過(guò)材料表面溫升情況判定損傷閾值。

3.1 仿真條件設(shè)定

紅外凝視成像系統(tǒng)探測(cè)器的組件材料參數(shù)如表1所示。由于HgCdTe材料的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和吸收系數(shù)會(huì)隨溫度的升高而發(fā)生改變，故在此未列出，但模型中已引入。入射激光的波長(zhǎng)為9.3μm，脈沖寬度為100 ns，光波模式為T(mén)EM00模，探測(cè)器表面的光斑半徑為60μm。

表1 HgCd Te的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of HgCdTe

HgCdTe探測(cè)器組件模型分為4層，首先在Cd ZnTe層上生長(zhǎng)一層HgCd Te晶體作為光敏元，然后焊接銦柱陣列，最上邊是硅基，激光從下往上輻照。其中CdZnTe層厚50μm，HgCdTe光敏層厚10μm，In柱高10μm，直徑為20μm，Si基厚50μm。考慮到仿真效果與真實(shí)探測(cè)器的一致性，為了有效利用計(jì)算機(jī)資源，HgCdTe探測(cè)器模型采用11×11個(gè)像素元［18］。制冷環(huán)境溫度設(shè)置為77 K。具體模型參見(jiàn)圖1。

圖1 HgCdTe探測(cè)器三維模型Fig.1 T hree-dimensional model of HgCd Te detector

采用三節(jié)點(diǎn)三角形對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，三角形單元對(duì)復(fù)雜幾何輪廓有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，很容易通過(guò)增加三角形網(wǎng)格數(shù)量來(lái)精確地逼近復(fù)雜的幾何邊界。光斑處參數(shù)如下：最大單元尺寸為0.5μm，最小單元尺寸為0.002μm，最大單元生長(zhǎng)率為1.1。網(wǎng)格剖分效果如圖2和圖3所示。

圖2 網(wǎng)格剖分圖Fig.2 Mesh subdivision

圖3 光斑處傳熱梯度采取網(wǎng)格加密處理Fig.3 Heat transfer gradient at spot treated with mesh encryption

3.2 9.3μm激光損傷仿真結(jié)果

以HgCd Te材料表面和中心溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)激光的功率密度和能量密度作為損傷閾值的判定范圍進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

激光輻照1μs時(shí)，HgCd Te表面處的溫度變化曲線(xiàn)如圖4所示，內(nèi)部溫度的分布情況如圖5和圖6所示。經(jīng)計(jì)算，脈沖寬度為100 ns，激光功率密度達(dá)到0.54×107W/cm2時(shí)，光斑中心距離銦柱1μm處的HgCdTe材料溫度達(dá)到熔點(diǎn)。此時(shí)激光能量密度為0.54 J/cm2。

圖4 功率密度為0.54×107 W/cm2時(shí)光斑中心HgCd Te的溫度變化Fig.4 HgCdTe temperature change at spot center with power density of 0.54×107 W/cm2

圖5 1μs時(shí)探測(cè)器縱向剖分溫度分布Fig.5 Longitudinal temperature distribution of detector at 1μs

圖6 1μs時(shí)探測(cè)器橫向剖分HgCdTe層的溫度分布Fig.6 Lateral temperature distribution of HgCd Te layer at 1μs

激光輻照4μs時(shí)，激光功率密度提高到1.1×107W/cm2，對(duì)應(yīng)的激光能量密度為1.1 J/cm2時(shí)，HgCdTe中心處達(dá)到熔點(diǎn)。圖7顯示了9.3μm激光輻照下HgCd Te材料中心處溫度隨時(shí)間的變化，在4μs處溫度達(dá)到極值。

圖7 波長(zhǎng)為9.3 m，功率密度為1.1×107 W/cm2時(shí)光斑中心HgCd Te的溫度變化Fig.7 HgCdTe temperature change at spot center with wavelength of 9.3 m and power density of 1.1×107 W/cm2

圖8 和圖9分別顯示了9.3μm激光輻照在4 μs時(shí)探測(cè)器內(nèi)部的溫度分布，同樣可以看到溫度最高區(qū)域處于HgCd Te下層。

圖8 4μs時(shí)探測(cè)器縱向剖分溫度分布Fig.8 Longitudinal temperature distribution of detector at 4μs

圖9 4μs時(shí)探測(cè)器橫向剖分HgCdTe層的溫度分布Fig.9 Lateral temperature distribution of HgCdTe layer at 4μs

分別以材料表面、材料中心達(dá)到熔點(diǎn)作為損傷閾值判據(jù)，計(jì)算得到仿真狀態(tài)下HgCd Te的損傷功率密度為0.54×107~1.1×107W/cm2，損傷能量密度為0.54~1.1 J/cm2。

4 外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在理論分析與仿真計(jì)算基礎(chǔ)上，為實(shí)際測(cè)量CO2激光對(duì)紅外凝視成像系統(tǒng)探測(cè)器組件的損傷閾值，開(kāi)展了外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

4.1 實(shí)驗(yàn)條件及設(shè)備

CO2激光發(fā)射與受試設(shè)備兩者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的距離為11.237 km，高程差為18 m。紅外凝視成像系統(tǒng)探測(cè)器組件受試設(shè)備采用制冷型面陣長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)，包括兩個(gè)可以替換的光學(xué)鏡頭，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 光學(xué)鏡頭參數(shù)Tab.2 Parameters of optical lens

受試設(shè)備制冷型長(zhǎng)波紅外器件材料為HgCdTe，分 辨 率 為320×256，像 元 尺 寸 為30 μm，光譜響應(yīng)波段為7.7~9.5μm，噪聲等效功率為27 mK，經(jīng)長(zhǎng)春光機(jī)所光學(xué)中心檢測(cè)為28 mK。

激光遠(yuǎn)場(chǎng)能量測(cè)試設(shè)備采用Newport公司生產(chǎn)的818E型能量計(jì)，其量程下限可達(dá)為1μJ，光譜響應(yīng)范圍為0.19~25μm，測(cè)量精度為3%。為提高遠(yuǎn)場(chǎng)能量測(cè)量精度，在能量計(jì)接收孔徑前加裝了口徑為Ф100 mm的長(zhǎng)波紅外鏡頭，9.3 μm激光的透過(guò)率為0.77。

氣象測(cè)量中使用了兩種大氣參數(shù)測(cè)量設(shè)備，一是WXT 520維薩拉氣象傳感器，每隔5 s記錄一次大氣溫度和相對(duì)濕度，二是Belfort Model 6000能見(jiàn)度傳感器，用于獲得實(shí)時(shí)的大氣能見(jiàn)度。

圖10 9.3μm激光損傷實(shí)驗(yàn)外場(chǎng)觀測(cè)圖Fig.10 Field observation image in 9.3μm laser damage experiment

4.2 損傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為準(zhǔn)確獲得激光對(duì)長(zhǎng)波紅外相機(jī)的損傷閾值，通過(guò)加裝衰減片及孔徑光闌對(duì)激光入瞳能量進(jìn)行控制，最終觀察到長(zhǎng)波紅外相機(jī)6次不同程度的損傷情況。

表3 六次損傷探測(cè)器對(duì)應(yīng)的激光工作條件T ab.3 Laser working conditions of six damage detectors

光源為9.3μm的長(zhǎng)波紅外激光，可以調(diào)整的變量有激光輸出重頻以及激光發(fā)射時(shí)間。靶材端通過(guò)調(diào)整鏡頭的口徑，開(kāi)展不同焦距下的損傷實(shí)驗(yàn)。探測(cè)器端通過(guò)調(diào)整幀頻探究激光對(duì)長(zhǎng)波紅外凝視成像系統(tǒng)探測(cè)器組件的損傷情況。

4.3 損傷閾值分析

損傷閾值計(jì)算主要受激光遠(yuǎn)場(chǎng)能量測(cè)量精度以及到靶光斑尺寸取值的影響。其中，遠(yuǎn)場(chǎng)激光能量測(cè)量誤差約為3%，實(shí)際到靶光斑尺寸難以精確測(cè)量，計(jì)算時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)鏡頭光學(xué)傳遞函數(shù)估算；采用Φ50 mm鏡頭時(shí)，光斑半徑約為1.5~2.0倍衍射限，誤差為12.5%；采用Φ100 mm鏡頭時(shí)，到靶光斑半徑約為1.2~1.3倍衍射限，誤差為7%。因此，綜合誤差分別為20%，31%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在9.3μm激光重頻為100，300，500 Hz，激光到靶的能量密度為0.54~2.48 J/cm2的條件下出現(xiàn)了多像元損傷現(xiàn)象。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理原則，大部分損傷情況發(fā)生在入瞳能量為170μJ以上，剔除離散性較大的數(shù)據(jù)，可認(rèn)為170μJ為損傷發(fā)生的入瞳能量，對(duì)應(yīng)到靶激光能量為176.67μJ，按激光在靶面上形成的光斑尺寸為58.5~90μm計(jì)算，對(duì)應(yīng)的激光能量密度為0.69~1.23 J/cm2，可作為9.3μm激光的損傷閾值。

5 結(jié) 論

本文提出了通過(guò)有限元理論求解激光損傷HgCdTe探測(cè)器方法，對(duì)比經(jīng)典的一維無(wú)限大模型和有限元模型仿真得到的損傷閾值結(jié)果，實(shí)驗(yàn)得到的9.3μm激光損傷閾值0.69~1.23 J/cm2與有限元仿真數(shù)值計(jì)算結(jié)果0.54~1.1 J/cm2較為符合，驗(yàn)證了該方法及研究模型的合理性，為之后開(kāi)展其他波長(zhǎng)，脈寬和重頻效應(yīng)研究提供了良好的仿真研究平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)研究長(zhǎng)波紅外激光損傷HgCdTe紅外探測(cè)器有較高的參考價(jià)值。