2.79 μm中红外激光对PbS探测器的损伤实验研究

开展了不同重频下2.79μm中红外激光对PbS探测器的损伤实验。基于传热学理论,利用有限元法对2.79μm中红外激光辐照PbS探测器中的温度分布进行了数值分析,并比较了脉冲数目、重复频率对损伤效果的影响,分析了2.79μm中红外激光辐照PbS探测器的损伤机理,获取了相关阈值数据。研究表明,2.79μm中红外激光对PbS探测器的损伤机理主要以热熔融为主,在温度没有达到PbS熔点时,PbS就会发生热分解反应,析出黄色沉淀物PbO;计算得到单脉冲2.79μm中红外激光对PbS探测器的损伤阈值为13.03 J/cm²,且脉冲数目、重复频率对损伤效果影响很大,损伤累积效应明显。理论模型能够较好地解释PbS表面初始损伤形貌特征。     

激光辐照锑化铟红外探测器的热应力损伤研究

通过介绍锑化铟红外探测器的基本构成及其材料热力学相关特征,阐述了激光辐照锑化铟红外探测器造成的损伤机理,采用有限元分析法,分析相关的辐照环境和条件并建立了一种三维仿真模型。仿真模拟了波长为10.6 μm的CO2激光辐照锑化铟红外探测器时各部分的温度变化及应力变化情况,通过数值分析比较了在光斑面积一定的情况下经过不同功率的激光辐照后锑化铟探测器表面径向及内部轴向发生的温度场变化及应力场变化;探测器表面应力值经过106 W/cm2的激光辐照后很快达到最高点,造成损伤,锑化铟与铟柱接触部分的应力值随光斑半径大小不同而有所变化。将锑化铟探测器材料的应力损伤阈值及变化趋势同已有实验数据进行对比,验证了模型的精确性。     

脉宽及重频对HgCdTe探测器损伤阈值影响分析

为了研究脉宽及重频对HgCdTe探测器损伤阈值影响,采用有限元法对HgCdTe红外探测器进行2维建模,以及激光辐照探测器温度场的仿真,得到了波段内外脉宽从10ns~1000ns的单脉冲激光损伤阈值。由于采用实验测定所有脉宽激光损伤阈值的办法不现实,故通过仿真计算,给出了从ns~μs量级不同激光脉宽的单脉冲探测器损伤阈值公式。结果表明,波段外单脉冲损伤阈值为9MW/cm2~0.9MW/cm2,波段内为150MW/cm2~15MW/cm2,并且探测器单脉冲损伤阈值与激光脉冲宽度呈负指数关系;当采用重频激光辐照探测器时,在相同的重复频率下,因长脉冲激光比窄脉冲宽激的脉冲间隔小,故长脉冲激光辐照时更容易出现温度积累效应,从而出现大面积损伤。这为进一步研究探测器的热应力场热弹性波和激光防护等提供了重要的理论分析依据。     

CO2激光对HgCdTe焦平面器件热力作用的理论分析

利用有限元分析方法,对CO2连续激光辐照HgCdTe红外焦平面器件的温升效应和热应力效应进行模拟计算,模型的建立加入了In柱对实验的影响.对温度及热应力分布进行分析,结果表明,探测器的温度分布随着激光辐照时间的增加而出现明显的变化.在感光层与In柱阵列的交界面上所产生的热应力对HgCdTe红外焦平面器件造成的损伤有可能先于温升损伤而发生.     

Theoretical analysis of thermal-stress effect of HgCdTe infrared focal plane device induced by 10.6 μm laser

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10.6 μm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.     

10.6 μm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。     

单脉冲激光损伤CCD探测器的有限元仿真

为了研究激光对CCD探测器的损伤效应,采用有限元分析的方法进行了激光损伤CCD的理论分析和实验验证。阐述了激光辐照CCD探测器的损伤机理,设计了激光辐照CCD探测器热效应的仿真模型,针对波长为532nm的高功率激光辐照硅基CCD探测器而产生的热效应,利用有限元法进行了仿真计算,得到了CCD探测器受到532nm激光辐照时硅电极的温度曲线以及硅电极损伤时间阈值,并相应计算出损伤CCD探测器所需要的激光能量阈值为220mJ/cm2左右。结果表明,损伤阈值随着激光功率密度的增大而减小,但变化幅度不大;当多脉冲毫秒激光辐照CCD探测器,在一个脉冲结束、下一个脉冲到来之前,探测器温度恢复到环境温度。该模型可以较为准确地对单脉冲激光辐照CCD探测器时产生的热损伤效应进行模拟。     

室温中波红外碲镉汞探测器激光辐照饱和特性的仿真

针对室温工作的光伏型碲镉汞中波红外探测器激光辐照饱和特性进行了仿真,结果表明,中红外激光对碲镉汞材料的加热效应以及光照导致零偏压阻抗降低,是影响探测器输出量子效率的重要因素。利用一维数值仿真方法,建立了室温碲镉汞pn结的模型,计算了稳态激光辐照下器件量子效率以及零偏压阻抗。理论计算了激光辐照下的稳态温度分布近似模型,并将温度场分布耦合到仿真计算中,发现衬底厚度会影响芯片的温升,从而显著影响器件饱和阈值的大小。另外,计算表明,随着光照强度的增加,器件的零偏压阻抗降低,并将仿真结果与实测芯片参数进行了比较。计算分析为设计高饱和辐照度阈值的中波红外碲镉汞探测器提供了参考。     

激光辐照材料热效应问题的有限元实现

针对激光辐照光学透镜产生的热效应问题,选用有限元法推导了光学透镜模型的热传导方程的有限元求解格式,基于Matlab编程实现了计算光学透镜在脉冲激光辐照下的温度场分布。研究结果表明,光学透镜的温度随辐照激光光斑半径的增大而减小;随激光脉冲数目的增多而增大,但是由激光能量的累积效应所导致的材料温升并不显著;随激光功率的增大而增大,是影响材料温升的显著因素,当功率增大到一定数值时将造成光学透镜的损伤,文中激光功率达到250 mW时造成材料的熔融损伤。     

毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的温度场应力场数值分析

为了研究毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的温度场和应力场特征,基于热传导理论和弹塑性力学理论建立了二维轴对称几何模型,利用有限元分析软件对毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的过程进行了数值分析,得到了熔石英表面及内部的瞬态温度场和应力场的时空分布与变化规律.结果 表明:组合脉冲激光中,毫秒激光脉宽为1 ms、能量为120 J,纳秒激光脉宽为10 ns、能量为80 mJ,Δt=1.0 ms条件下毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英出现温度最佳延时.观察总能量相同的组合脉冲激光与毫秒脉冲激光致熔石英的热损伤结果,得到最佳能量配比.研究结果表明,组合脉冲激光中,毫秒脉冲激光对熔石英产生热效应,纳秒脉冲激光对熔石英产生应力效应.     

4英寸高质量InSb晶体生长研究

InSb晶体是制备中波红外探测器的重要材料。为了满足新一代超大规模阵列红外焦平面探测器的发展需求,开展了大尺寸InSb晶体的生长研究,解决了晶体生长的诸多关键技术,成功地生长出了直径为4 in的高质量InSb单晶,并加工出了高质量的4 in InSb抛光晶片。测试表明,直径大于120 mm的晶体长度超过100 mm,晶体位错密度小于100 cm^-2,其电学参数均匀,载流子浓度、载流子迁移率均满足制备高性能大规格红外焦平面探测器的要求。这为新一代超大规模阵列红外焦平面探测器的发展奠定了良好的材料基础。     

锑化铟红外焦平面探测器发展现状

近年来,红外探测器技术发展迅速,在国防、气象、红外遥感和航空航天等众多领域应用广泛。作为中波红外波段最重要的探测器之一,锑化铟(InSb)红外焦平面探测器具有量子效率极高、暗电流小、器件响应线性度高、稳定性好、灵敏度极高等特点,因此备受人们的关注和重视。InSb焦平面探测器性价比高,优势十分突出,其快速发展在很大程度上提高了红外整机性能,同时还覆盖了导弹精确制导、卫星预警探测、机载搜索侦察、红外成像及消防、医疗、电力检测、工业测温等军民两用领域。梳理了国外发达国家在InSb红外焦平面探测器方面的研究情况,分析了其发展方向并对发展前景及趋势进行了展望。     

100 mm直径低位错密度InSb单晶生长研究

InSb是一种重要的中波红外探测器材料。为了满足更大规模、更高质量红外焦平面探测器的发展要求,对100 mm直径低位错密度InSb单晶的生长进行了研究。通过改良生长方法、优化籽晶、改进缩颈工艺、优化热场,最终获得位错密度小于等于100 cm-2、直径大于等于100 mm的大尺寸低位错密度InSb晶体。晶体沿晶棒从头到尾部的位错密度分布均匀,可用率高,能够满足大规模高质量红外焦平面探测器的使用需求。     

红外焦平面探测器键合和剪切可靠性试验研究北大核心CSCD

红外焦平面探测器可靠性与生产研制工艺过程控制要求密切相关。本文对探测器的可靠性考核思路进行了分析,结合目前标准中可靠性试验存在的问题,对芯片和杜瓦组装过程中的引线键合强度、芯片剪切强度开展了试验研究,为指导红外焦平面探测器的研制生产、全面评价其质量和可靠性提供依据,为后续红外焦平面探测器的标准制修订工作奠定基础。     

InSb红外焦平面列阵探测器局部分层失效机理研究

批量生产中,锑化铟红外焦平面列阵探测器(InSb IRFPAs)局部分层失效现象已成为制约其成品率提升的瓶颈。为探究InSb IRFPAs局部分层诱因,借助内聚力模型,在InSb芯片与底充胶的界面处铺满内聚力单元,优选内聚力模型参数,建立InSb IRFPAs局部失效分析二维模型。模拟结果得到了实测局部分层分布特征的证实,即:(1) 局部分层大多出现在芯片周边区域,涵盖一定宽度;(2) InSb芯片与底充胶之间的界面局部脱开后,逐渐向两侧扩展。为剖析局部分层诱因,系统分析了张开型与滑开型裂纹扩展共同作用下混合模态比取不同值时局部分层分布特征的演化规律,认为当张开型和滑开型裂纹扩展的混合比取4: 6时,模拟结果与实测结果高度吻合。至此笔者认为InSb IRFPAs局部分层源于界面法向应力与面内剪切应力的共同作用,属于典型的混合型局部分层模式,其中滑开型局部分层模式占主导。     

毫秒脉冲激光损伤CCD探测器的实验研究

为了研究行间转移型彩色面阵CCD在毫秒脉冲激光辐照下的损伤效果,采用实验研究的方法,测量了不同能量密度的激光作用下,CCD表面中心点温度、受损区域面积、深度及CCD内部复位时钟信号和阻抗值的变化,结合CCD输出图像中出现不可恢复的焦斑及黑白雪花现象,对彩色面阵CCD在毫秒脉冲激光作用下的损伤效果进行了分析。结果表明,在毫秒脉冲激光的辐照作用下,行间转移型彩色面阵CCD内部结构会产生不同程度的烧蚀,当能量密度达到23.49J/cm2时,烧蚀深度直达基底层,致使CCD内部信号传输通道断开,漏电流增加,最终造成CCD无信号输出,完全损坏。该研究对CCD探测器在强激光作用下的损伤效果研究是有帮助的。     

锑化铟红外探测器的微透镜阵列设计及试验

台面型锑化铟红外焦平面探测器的制作工艺简单,量子效率高,但是填充因子较低且会随着像元尺寸的减小而进一步降低。减小台面腐蚀深度可以提高探测器的填充因子,但会增大串音。介绍了一种新型微透镜阵列的设计与制备方法,以提高锑化铟红外探测器的填充因子并减小串音。与现有的热回流微透镜阵列相比,该微透镜阵列的填充率、表面粗糙度以及尺寸均匀性能得到了较好的兼顾,可直接在锑化铟红外探测器表面制作,工艺简单。结果显示,探测器的串音降低26%,光响应提高22%。     

激光辐照对红外探测器的损伤

根据红外探测器的结构特点和传热学理论,研究激光干扰机的激光器对探测器的损伤效果。以InSb探测器为例,设定入射激光从顶层辐照,结合各层之间热传导效应建立分层热模型。考虑激光在空间上的分布为高斯分布,给定初值和边界条件,利用Matlab偏微分工具箱进行建模仿真。重点研究了辐照距离、辐照时间和激光器功率等因素对探测器损伤效果的影响,给出了相应的仿真结果。当连续激光功率为50 W、距离为200 m、辐照时间为3 s时,对探测器的损伤效果主要是软损伤,受激光功率密度所限,未能造成永久性破坏。     

InSb焦平面探测器高低温循环特性研究

制冷型InSb红外焦平面探测器工作时需降温至低温(80 K),器件在整个生命周期会经受从常温(300 K)到低温(80 K)的上千次高低温循环。针对该型探测器开展了高低温循环特性试验,测试和分析了上千次高低温循环过程中器件光电性能、杜瓦热负载和J-T制冷器特性的变化。试验结果表明,探测器可以经受至少2 000次高低温循环,并且探测率变化的幅度5.5%、响应率变化的幅度4.8%、盲元数未发生增加。研究结果为器件的工艺研发和改进提供了参考。     

InSb面阵探测器波段内脉冲激光干扰响应特性研究

介绍了激光定向干扰红外探测系统的干扰机理及波段内激光定向干扰的主要干扰方式。以InSb红外探测成像系统为研究对象,开展了典型条件下的波段内脉冲激光定向干扰试验,分析了InSb面阵探测器对波段内脉冲激光干扰的响应特性,获取了探测器在脉冲激光干扰下的损伤模式和损伤阈值,为后续深入研究激光定向干扰效能奠定基础。