激光对星载单元探测器的损伤效应分析

张建泉，强希文

（西北核技术研究所，陕西　西安710613）

　　摘　要：给出激光损伤星载单元探测器的技术途径和估算方法，并以InSb探测器材料为例，初步分析波长为1.315μm的激光对空间卫星探测器可能造成的损伤效应。
　　关键词：激光辐照效应，探测器损伤，半导体材料；半导体器件

DetectorDamageonSatelliteInducedbyCWLaserBeams

ZhangJianquan，QiangXiwen

(NorthwestInstituteofNuclearTechnology，Xi'anofShaanxi710613,China)

　　Abstract:By　means　of　anumerical　methed,it　deals　with　problems　of　damage
mechanism　of　the　detector　by　CWlaserbeams,and　asanexample,
damageeffectofInSbdetectoronsatelliteinducedby1.315μmlaserbeamsisanalysed.
　　Keywords:laser　irradiating　effects;detector　damage;semiconductor　material；semiconductor　device

　　
1引言
　　当一束激光经过探测器窗口到达器件芯片表面时，芯片由于吸收激光能量而被加热。当激光照度足够大、辐照时间足够长时，探测器易损部位便会出现变形、爆裂、熔融等热力损伤现象，芯片的光学性能下降，导致探测器致盲甚至永久性破坏。因此，研究探测器的激光辐照损伤效应成为当今光电对抗技术领域中的重要内容。本文给出激光损伤星载单元探测器的技术途径，并以InSb探测器为例，初步分析波长为1.315μm的激光对空间卫星探测器可能造成的损伤效应。

2物理模型
2.1卫星探测系统的激光照度
　　假定地面上一个功率为P的激光器系统，以仰角θ发射一束高斯激光，那么，在高度为H处的卫星表面，可能获得的激光照度为
　　
其中，a为到达卫星表面时的光斑半径，μ为包括大气分子与气溶胶粒子的吸收和散射贡献在内的衰减系数，z为传输路径长度。
　　考虑光束传输中的衍射、湍流、热晕效应和光源本身的抖动与漂移，则有  
　　
　　这里，带有不同角标的ω表示相应的均方束散半角。除ωw、ω0由激光器确定外(该文取ω₀=10μrad、ω_w=0)，其他几项为[1] 、
　　
　　其中，M为光束质量因子，为激光器发射孔径半径，k为波数，Ut和Uw分别为目标速度和风速，ρ0为光束横向相干长度，
　　
　　由激光大气传输光路方程可以得到实际传输路径长度为
　　
　　这里，rA为激光器站点的地心半径，n为不同高度处的大气折射率，θA为实际发射仰角。
　　在已知激光发射站和目标经纬度与高度后，可以推出光束到达目标需要的发射仰角θA和目标处的接收角θB，其关系为
　　
　　
　　由该关系式，可以得到θA和θB。
　　在大气传输过程中，光束衰减系数可以应用相关程序如LOTRAN7或工程算法计算。
2.2激光吸收机理
　　探测器对长波激光的吸收机理主要是带间吸收和带内吸收，即自由载流子吸收和单、双光子电离。自由载流子的吸收系数可以表示为[2]
　　αf=n_iσ_f
其中，n_i、σ_f分别为自由载流子浓度和微观吸收截面，它们是温度T的函数。对于InSb，有
　　
　　对于InSb芯片材料,单、双光子电离吸收系数分别为
　　
　　其中，E与材料禁带宽度有关；β为双光子吸收系数。单位体积热生成速率为  
　
　　该式右边各项分别表示自由载流子吸收、单光子、双光子电离吸收和电子空穴复合的贡献。其中，ηQ为量子效率，τB^NR为非辐射体复合寿命，hv为激光光子能量。而激光强度随穿透深度的变化关系为
　　
　　这里，R为表面反射系数，I0为表面激光照度，α为材料吸收系数。
2.3温升与过剩载流子分布
　　在激光辐照下，探测器芯片温度和载流子密度分布由如下扩散方程描述：  
　　
　　其中，ρ、c、κ分别为材料密度、比热和热扩散系数，n和nf分别为自由载流子与本征载流子数密度，g为过剩载流子生成速率，D为载流子耦极扩散系数。
　　过剩载流子生成速率主要来自单、双光子的光致电离，可以表示为
　　
　　在温度高于室温、激光强度较强时，复合寿命取决于俄歇复合过程，即
　　
　　而俄歇复合系数为
　　
　　其中，m_e、m_h分别为电子和空穴质量，ηp为费米能。
　　偶极扩散系数为
　　
　　这里，F_K为阶费米积分，μ_n、μ_h分别为电子、空穴扩散率，对InSb取  
　

3探测器损伤分析
3.1探测器的损伤阈值
　　按照上述物理模型，计算了到达InSb探测器芯片表面不同激光照度时，芯片熔化的时间关系和表面载流子浓度随辐照时间的变化关系，如图1所示。

　　由图1看出，熔化阈值与辐照时间基本上呈双对数变化关系，由图2看出，当激光辐照芯片材料时，在毫秒量级的时间范围内，表面电子浓度迅速增长，远远超过平衡载流子浓度，在一定阈值条件下，可能造成芯片的电学损伤。
3.2卫星表面照度
　　假定激光器置于地面，卫星高度为400km，激光器与卫星点所对应的地心角为5°。取中纬度夏季大气条件，近似得到激光传输路径长度约700km。同时，对1.315μm波长的激光，传输700km后，大气平均透过率为τ=0.86。采取弱湍流强度模式，假定激光器抖动半角为1μrad，漂移角为0，计算给出传输700km后，卫星表面光束平均半径为11.5m。则卫星表面照度为
　　
　　如果初始激光功率为10⁵W，那么，卫星表面照度为0.02W/cm²。

3.3损伤分析
　　光学探测器系统通常由一组透镜组合而成。其光学增益系数在10⁴～10⁵范围变化。在上述配置条件下，如果卫星光学探测器的光轴正对地面观察，那么，由几何光学可知，进入探测器系统窗口的激光入射角约为57.7°,则到达探测器系统窗口的照度约为0.01W/cm²。考虑表面反射和探测器光学增益系数后，到达探测器芯片上的激光强度变化范围为10²～10³W/cm².按照图1所示的损伤阈值计算结果判断，在辐照时间持续秒的量级的时间内，InSb芯片便被烧蚀而失去功能。
　　如果星载探测器光轴以不同角度偏离地心方向，那么，依据进入探测器激光能量的多少不同，探测器可能会导致饱和、致盲等不同程度地损伤。如果探测器光轴恰好对着激光束，其芯片材料会被烧坏而不能正常工作。
　　另外，由图2可知，这样强度的激光辐照芯片材料时，在ms量级的时间范围内，表面电子浓度迅速增长，远远超过平衡载流子浓度，这在一定阈值条件下，可能造成芯片的电学损伤。对探测器芯片材料的光电损伤效应，尚需进一步研究。

参考文献