Анализ механизмов воздействия лазерного излучения на элементы фотоприемных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Источник ослепляющего облучения - лазерное устройство, излучающее световой пучок в виде направленного потока в сторону предполагаемого наблюдателя. Облучение приемных устройств наблюдателя может производиться как в режиме сканирования лучом области размещения наблюдателя, так и в режиме предварительного прицеливания с последующим «световым выстрелом».

Предполагаемая дальность действия ослепляющего облучения и требования необходимости необратимого повреждения приемных устройств диктуют значения возможных параметров лазерного пучка:

- расходимость ? 10^-4 рад; в этом случае при дальности 10³ м лазерное пятно имеет диаметр 0,1 м, что близко к апертурам оптических устройств приемников и обеспечит эффективное использование энергии пучка;

- облучение имеет импульсный характер, что вытекает из требования портативности и экономичности ослепляющего оружия; длительность импульса и его энергия должны обеспечивать поражение цели за время одного импульса, так как при периодическом импульсном облучении могут успеть сработать соответствующие защитные устройства у наблюдателя. В качестве предварительной оценки, базирующейся на общедоступной информации о технических проблемах создания портативных импульсных лазеров, можно обозначить диапазон длительностей импульсов - от единиц до сотни наносекунд;

- длина волны излучения должна соответствовать длинам волн оптических приемников у наблюдателя, т.е. должна находиться в диапазонах видимого и ближнего ИК-спектров, которые используются в пассивных устройствах наблюдения и обнаружения. В настоящее время существуют мощные твердотельные импульсные лазеры на диапазоне длин волн вблизи л ? 1 мкм, например, на алюмо-иттриевом гранате; такие лазеры обладают параметрами ослепляющих средств.

Лазерный излучатель с точки зрения наблюдателя, ведущего осмотр некоторой «сцены наблюдения», является элементом этой сцены и оптическими приборами наблюдателя излучение лазера фокусируется в точку на фоточувствительной площадке приемного устройства. Размер этой точки определяется качеством оптики, и тем меньше, чем меньше пятно рассеяния, обеспечиваемое оптикой, то есть, скорее всего, определяется дифракционной расходимостью на апертуре объектива наблюдательного оптического устройства.

Энергия лазерного импульса поглощается веществом фоточувствительного приемного устройства локально и нагревает освещенный участок до температуры его разрушения: участок может расплавиться или испариться. Зона разрушения вследствие теплопроводности вещества может увеличиваться; последствия разрушения могут распространиться на всю поверхность фотоприемника вследствие, например, возникших разрушений или замыканий электрических цепей приемника или нарушений элементов его схемотехники.

В различных типах фотоприемных устройств процессы инициированного лазерным импульсом разрушения могут протекать по-разному.

Рассмотрим воздействие ослепляющего лазерного облучения на три типа объектов:

- матричные фотоприемные устройства на основе кремния или других полупроводниковых веществ;

- электронно-оптические преобразователи (ЭОП) и фотоэлектронные усилители(ФЭУ), фоточувствительный слой которых может быть тонкопленочным (например, многощелочные фотокатоды) или в виде тонкого слоя полупроводника (ЭОП третьего поколения);

- оптические бинокли, перископы, используемые при визуальном наблюдении; при этом лазерное облучение приводит к повреждению глаз наблюдателя.

Во всех этих случаях поражающим фактором, как показано выше, является тепловое воздействие лазерного луча.



1. Анализ механизмов воздействия лазерного излучения на элементы фотоприемных устройств

1.1 Воздействие лазерного наносекундного излучения на металлические слои и подложки

Металлические слои являются составными частями матричных полупроводниковых фотоприемных устройств и основным материалом фотоэмиссионных катодов ЭОП и ФЭУ.

Поглощение света металлами обусловлено взаимодействием квантов света со свободными электронами металла. Энергия поглощенного кванта распределяется между электронами при многократных соударениях электронов и передается кристаллической решетке. Среднее время между соударениями составляет примерно 10^-11 с, поэтому можно считать, что световая энергия сразу же переходит во внутреннюю энергию металла. Процесс поглощения света характеризуется глубиной проникновения порядка 10^-510^-6 см; это означает, что в металле теплота распространяется от поверхностного слоя указанной толщины вглубь тела путем теплопроводности. Если длительность светового импульса равна ф, то размер нагретой области подложки определяется длиной тепловой волны [1]:

, (1.1)

гдеk_Т - коэффициент теплопроводности;

а_Т - коэффициент температуропроводности, а_Т = k_T/сc;

с - плотность вещества подложки;

с - удельная теплоемкость вещества подложки.

Длина тепловой волны ?_Т это физическая величина, определяющая расстояние, на которое переместится фронт температурного импульса в веществе за время действия лазерного импульса.

Аналитическое решение уравнения теплопроводности при импульсном лазерном нагревании подложки получено в работе [2] для случая симметричной во времени формы лазерного импульса и гауссового распределения интенсивности излучения по сечению лазерного пятна.

Изменение температуры ДТ поверхности мишени за время t (t<ф) равно:

, (1.2)

гдеR - коэффициент отражения света поверхностью мишени;

P₀ - плотность мощности падающего излучения на поверхности мишени;

r₀ - радиус светового пятна;

r - радиальная координата точки в пятне;

з(t) - функция зависимости температуры от времени t, аппроксимируемая в указанной работе несколькими элементарными функциями, разными для различных соотношений t/ф.

Из (1.2) получают оценку максимального значения изменения температуры в центре пятна:

. (1.3)

Выражения (1.1), (1.2) и (1.3) справедливы при температурах меньше температуры плавления подложки и в пренебрежении изменениями R, k_Т, си с при нагревании.

При указанных ограничениях максимальное значение температуры поверхности достигается при t_max=0,55ф. Спад температуры происходит медленнее нагревания. Так, для медной подложки при длительности лазерного импульса 30 нс температура спадает в сравнении с максимальной примерно в 5 раз за 200 нс.

В таблице 1.1 приведены значения теплофизических параметров типичных для данной технологии материалов, а также рассчитанные значения длины тепловой волны в различных материалах при использовании лазерного импульса длительностью 6 нс.

При облучении подложки, на поверхности которой имеется непрозрачное покрытие в виде металлической пленки толщиной L, поглощенная энергия лазерного луча распределяется между пленкой и подложкой следующим образом:

, (1.4)

гдеQ₀ - плотность энергии лазерного излучения, поглощенной поверхностью пленки за время лазерного импульса;

Р - плотность мощности падающего излучения, усредненная по лазерному импульсу, имеющему колоколообразную форму;

R₀- коэффициент отражения излучения поверхностью пленки, который принимается здесь не зависящим от температуры поверхности;

Q₁ - плотность энергии поглощения излучения, приходящейся на вещество пленки и увеличивающей ее внутреннюю тепловую энергию;

Q₂- плотность поглощенной энергии, приходящейся на подложку.

Если лазерный импульс имеет колоколообразную форму, то амплитудное значение плотности лазерной мощности Р₀ = 2Р.

Увеличение внутренней энергии пленки и подложки зависит от теплофизических характеристик их материалов и от распределения в них температуры, индуцированной излучением.

В общем случае, при периодическом гармоническом изменении температуры поверхности с амплитудой ДT₀ и периодом ф₀, все точки в глубине под поверхностью изменяют свою температуру по гармоническому закону с тем же периодом, но со сдвигом по фазе колебаний. Амплитуда ДT_xтемпературной волны затухает в направлении х распространения по экспоненциальному закону [3]:

Таблица 1.1. Теплофизические и оптические параметры материалов, используемых в данной работе, k_Т, с и с - удельная теплопроводность, удельная теплоемкость и плотность при Т ? 1000 К. ?_Т - расчетная длина тепловой диффузии при длительности лазерного импульса ф = 6?10^-9 с, R(л)- коэффициент отражения при л = 0,337 мкм, t_пли t_кип - температуры плавления и кипения.

Вещество	kТ			с	с	R(л)	tпл	tкип
			мкм				°С	°С
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Плавленый кварц	0,0290	0,0090	0,0730	1,250	2,600	0,1
Стекло «пирекс» (боросили-катное)	0,0134	0,0049	0,0540	1,200	2,300	0,1
Окись алюминия (сапфир)	0,0800	0,0200	0,1100	1,220	3,970
Алюминий	2,3800	0,8800	0,7300	1,000	2,710	0,9(1 мкм)	559	2348
Хром	0,6500	0,1600	0,3100	0,580	7,160	0,7
Молибден	1,1200	0,3800	0,4800	0,290	10,200
Титан	0,2100	0,0600	0,1900	0,740	4,500	0,32
Рений	0,5000	0,1800	0,3300	0,130	21,000
Вольфрам	1,8000	0,7200	0,6600	0,130	19,350
Медь	4,0000	1,2100	0,8500	0,370	8,960	0,35
Золото	2,7800	0,9300	0,7500	0,150	19,300	0,26
Платина	0,7900	0,2400	0,3800	0,150	21,470	0,4
Никель	0,7200	0,1400	0,2900	0,560	8,960
Иридий	1,4		0,5	0,150	22,42	0,42
Кремний	0,3000 (1180 К)	0,748 (1000 К)	0,6700 (1000 К)	1,720 (1000 К) 0,7	2,330	? 0,3	1415	2617
Сурьма	0,17 (800 К)	0,1230		0,200	6,691		630,5	1629
Арсенид галлия n-типа	0,58 (300 К)	0,6850		0,158	5,350	0,3 (0,9 мкм)	1238



;, (1.5)

гдеб_Т - коэффициент затухания.

При нагревании пластины одиночным лазерным импульсом приближенно можно считать его форму косинусоидальной, а длительность ф импульса - равной половине длительности его основания, тогда:

, (1.6)

и для коэффициента затухания запишем:

. (1.7)

Теплосодержание слоя толщиной dх пластины на расстоянии х от поверхности представим в виде:

(1.8)

Интегрированием (1.8) получим тепловую энергию пластины толщиной ?:

. (1.9)



Уравнение (1.9) не учитывает отражение части энергии температурной волны от второй границы пластины.

Учитывая (1.9), можно найти значение теплот (энергий), поглощаемых подложкой и пленкой при лазерном излучении:

, (1.10)

, (1.11)

где ДТ₂ - температура границы раздела пленка-подложка;

L - толщина пленки;

L_sub - толщина подложки.

В выражениях (1.10) и (1.11) индексы «1» и «2» относятся к параметрам пленки и подложки, соответственно. Так как L_sub>> ?_T2 и учитывая, что

, (1.12)

. (1.13)

Подставим значения Q₀, Q₁, Q₂ в уравнение (1.4), получим значение температуры поверхности структуры пленка/подложка:

, (1.14)

;;



Уравнение (1.14) позволяет вычислить температуру поверхности пленки при любой ее толщине L, причем, в отличие от соответствующих выражений, приведенных в [4]дает физически оправданное значение температуры в крайних точках диапазона изменения толщины пленки: при толщине, близкой к нулю, дает значение температуры, определяемое теплофизическими параметрами только подложки; при толщине пленки, большей длины тепловой волны в ней, значение температуры поверхности определяется параметрами только пленки.

На рисунке 1.1 показаны зависимости температуры пленок золота, платины и рения на подложках из стекла пирекс, кремния и меди, рассчитанные для величины плотности падающей лазерной мощности, равной P = 3•10⁷ Вт/см², и длительности импульса ф = 6 нc. Коэффициент отражения Rизлучения пленкой считается не зависящим от температуры; во всем диапазоне толщин пленки не прозрачны; адгезия пленки к подложке «абсолютная».

Для определения формы температурного импульса на поверхности подложки необходимо решить уравнение теплопроводности:

, (1.15)

где k_s - удельная теплопроводность материала подложки;

с_s - плотность материала подложки;

c_s - удельная теплоемкость материала подложки;

z, t - переменные, глубина и время, соответственно;

q(z, t) - функция теплового источника.

В общем случае, в силу зависимости теплофизических и оптических параметров от температуры, уравнение (1.15) носит нелинейный характер. Во многих практических случаях такой нелинейностью можно пренебречь, допуская следующие упрощения:

-приближение полубесконечной мишени, когда длина тепловой волны много меньше толщины подложки;

-приближение плоской тепловой волны, когда диаметр облучаемой зоны на поверхности подложки много больше длины тепловой волны.

Для указанных допущений, если известна временная форма лазерного импульса P(t), решением (1.15) будет следующее выражение

, (1.16)

которое при z = 0 сводится к

(1.17)

Лазерный импульс имеет колоколообразную форму, которая может быть аппроксимирована симметричной функцией Гаусса:

, (1.18)

гдеP₀- плотность мощности на оси лазерного пучка;

t₀ - полуширина лазерного импульса на высоте P₀/?; 2t₀ = ф = 6 нс;

t₁ - момент времени, соответствующий максимальному значению функции P(t).

Подставляя выражение (1.18) в (1.17), найдем форму температурного импульса на поверхности подложки численным методом с помощью математического пакета MathCAD 2000. На рисунке 1.2 представлены соответствующие зависимости от времени лазерно-индуцированной температуры ДT(0,t) на поверхности подложек из различных материалов для P_s = 5•10⁷ Вт/см².

При мощности лазерного излучения, превышающей порог плавления металлов, происходит тепловое разрушение металла. В настоящее время общепринятой является точка зрения, что лазерное разрушение монолитных металлов носит тепловой характер [1, 5, 6, 7, 8]. У процесса разрушения выделяют несколько стадий, которые в некоторых случаях могут проходить одновременно. Этими стадиями являются: нагрев и плавление металла; выброс жидкой и газовой фаз; нагрев и ионизация выброшенного материала; нагрев и разлет образовавшейся плазмы. Степень разрушения зависит от интенсивности излучения и от длительности лазерного импульса.

Рис. 1.1. Зависимость от времени лазерно-индуцированной температуры ДT(0,t) на поверхности подложек из различных материалов (P_s = 5•10⁷ Вт/см², излучение поглощается поверхностью подложки)

Количественно сценарий разрушения металлов под действием мощного лазерного излучения может быть описан следующим образом [1]:

1. Интенсивность порядка 10⁵ч10⁶ Вт/см². Тепло распространяется вглубь мишени посредством теплопроводности, поверхность мишени плавится. Может изменяться морфология поверхности, выброшенного материала мишени практически нет.

2. Интенсивность порядка 10⁶ч10⁸ Вт/см². Теплопроводность не успевает отводить вглубь мишени всю энергию, выделяющуюся в виде тепла в поверхностном слое, и часть ее расходуется на механический выброс материала. Наступает «режим развитого испарения».

3. Интенсивность порядка 10⁸ч10⁹ Вт/см². Энергия, расходуемая на нагрев, плавление и испарение металла, становится малой в сравнении с энергией, необходимой для ионизации.

Режим развитого испарения устанавливается при некотором пороговом значении интенсивности P_vapлазерного излучения, зависящем от материала мишени. Оценочное значение этой интенсивности для одномерного случая распространения тепла в подложке и длительностей импульсов ф ? 0,1 мкс получают [1] из предположения, что вся энергия лазерного импульса расходуется на испарение той части вещества мишени, которая заключена в приповерхностном слое с толщиной, равной длине тепловой волны:

; (1.19)

, (1.20)

Где L_vap - скрытая удельная теплота испарения.

Для более точных расчетов необходимо учитывать затраты энергии на нагревание поверхностного слоя до точки плавления и затраты энергии на доведение слоя до температуры кипения.

Отдельного рассмотрения заслуживает процесс разрушительного взаимодействия лазерного излучения большой мощности со структурами типа пленка/подложка. В общем случае теплофизические параметры материалов пленки и подложки различаются, а в системе металлическая пленка/диэлектрическая подложка - различаются существенно. В последнем случае при высоких мощностях лазерного излучения будет наблюдаться расплавление только пленки с последующим испарением металла из расплава. Возникающее при этом давление отдачи паров может оказаться достаточным, чтобы привести в движение расплав и вытеснить его за пределы зоны облучения.

Для пленок серебра толщиной 200 нм на кварцевой подложке при плотности падающего светового потока 10⁸ Вт/см², размере облучаемой области 10ч20 мкм, коэффициенте ослабления излучения в металле б = 3?10⁵ см^-1, коэффициенте отражения R = 0,5 был проведен численный расчет, который дал следующие результаты [5]. К исходу первой наносекунды вся пленка оказывается в расплавленном состоянии, но вытекание расплава не происходит до тех пор, пока с ростом температуры давление p_stотдачи паров не станет превышать начальное поверхностное натяжение в пленке p_у = 10⁷Па. Этот момент наступает на седьмой наносекунде, при этом начинается вытеснение расплава, толщина пленки убывает. Условием данного расчета являлась высокая степень адгезии пленки к подложке.

Заметное испарение материала, приводящее в рассматриваемой двухфазной модели к началу разрушения пленки, начинается с момента нагревания его поверхности до температуры кипения Т_Впри таком давлении окружающей среды, когда парциальное давление пара становится равным внешнему и начинается интенсивный отвод паров [5].

Оценочное значение плотности P_D светового потока, соответствующего началу разрушения пленок короткими импульсами (ф << 10^-7 с) можно найти из уравнения:

. (1.21)



Где Т_В- температура кипения вещества пленки.

Если адгезия пленки к подложке хорошая, то необходимо учитывать затраты энергии на нагревание поверхностного слоя подложки толщиной до температуры Т_В[6]:

. (1.22)

При дальнейшем увеличении плотности лазерной мощности и превышении температуры кипения вещества над облучаемой зоной возникает приповерхностная лазерная плазма.

Проведено сравнение результатов расчетов условий возникновения лазерного приповерхностного пробоя у алюминиевой мишени при использовании излучения с л = 10,6 мкм и л = 0,35 мкм [7]. В случае с л = 0,35 мкм становятся важными процессы фотоионизации возбужденных атомов квантами с энергией около 3,5 эВ (XeF-лазер), а также рост коэффициента поглощения металла при уменьшении длины волны. Показано, что с уменьшением длительности импульса облучения пороговая интенсивность излучения при пробое алюминиевого пара возрастает - с 1•10⁸ до 7•10⁸ Вт/см² при уменьшении длительности со 100 до 10 нс. Время t* от начала облучения поверхности до начала вспышки определяется только поверхностной плотностью вложенной энергии Е* в соответствии с уравнением:

. (1.23)

Если интенсивность I падающего излучения не изменяется со временем, то для длительностей импульсов 0,1ч100 мкс и длин волн л ? 1 мкм справедливо выражение:

. (1.24)

Экспериментальные данные для различных материалов, полученные в [1, 7, 8], свидетельствуют, что порог плазмообразования у их поверхности ниже, чем порог пробоя свободного газа. Наличие поверхности обеспечивает появление заметной концентрации «затравочных» электронов; механизмов их создания может быть много: испарение, термо- и фотоэмиссия, локальное усиление электромагнитного поля за счет генерации поверхностных электромагнитных волн или особенностей микрорельефа поверхности.

Считается, что для возникновения приповерхностного лазерного пробоя необходимым условием является лазерное нагревание поверхности до температуры кипения. Например, для полубесконечного металлического образца такие условия при длительности лазерного импульса ф ? 10^-7 с можно создать лишь при интенсивности падающего излучения не менее 10⁸ч10⁹ Вт/см² (если коэффициент поглощения не превышает 10ч15 %) [7]. Однако экспериментально установлено, что для пробоя часто достаточно интенсивности (2ч3)·10⁷ Вт/см². Предполагаемая причина несогласия с теорией объясняется испарением не самого полубесконечного тела подложки, а отдельных теплоизолированных дефектов, частиц и прочих подобных элементов на поверхности подложки.

1.2 Действие наносекундных лазерных импульсов на поверхность полупроводниковых мишеней

Поглощение излучения в полупроводниках определяется двумя эффектами: межзонным поглощением и поглощением на свободных носителях. Величина поглощения в них может изменяться от близкой к металлам до много меньшего значения.

Слабо легированный кремний при 300 К имеет коэффициент поглощения около 30 см^-1 на длине волны излучения неодимового лазера (л = 1,06 мкм); это означает, что свет проникает в такой полупроводник глубже и поглощается в гораздо большем объеме вещества. Механизм поглощения - образование электронно-дырочных пар, которые безызлучательно рекомбинируют, передавая энергию кристаллической решетке и нагревая вещество.

При плотности энергии 5-10 Дж/см² в веществе появляются трещины, ямки термического травления; при увеличении энергии в импульсе возникают глубокие кратеры.

Причиной появления трещин является тепловой удар. Этот эффект наблюдается при воздействии на полупроводники Si, GaAs, CdSe излучением с длительностью импульсов 20...30 нс и падающей плотностью мощности 20...30 МВт/см².

Проведен анализ возникновения теплового удара при поглощении, обусловленном свободными носителями в зоне проводимости полупроводника (при частоте излучения щ = E_g/h, где E_g - ширина запрещенной зоны). Концентрация носителей n_e и коэффициент поглощения ч_е кристалла зависят при этом экспоненциально от температуры:

, (1.25)

. (1.26)

Указанная температурная зависимость приводит к наличию критической интенсивности света, когда тепловыделение превышает теплоотвод и температура кристалла неограниченно возрастает при постоянной интенсивности облучения.

При интенсивности светового потока 10⁹ Вт/см², длительности импульса 40 нс и диаметре зоны воздействия 30 мкм, глубина испарённой зоны в кремнии составляет 3ч4 мкм.

Воздействие мощных наносекундных импульсов на полупроводники приводит как к процессам, идущим вне полупроводника (образование газа и плазмы, нагревание плазмы излучением, ионизацию газа), так и к процессам внутри - движение границы разрушения в глубину, увеличение температуры вблизи зоны воздействия лазерного луча, распространение в твердом теле волн сжатия и разряжения.

Обнаружено плавление поверхностного слоя полупроводника.

Установлено, что при плотности излучения (2ч8)·10⁸ Вт/см электросопротивление Si и Ge независимо от типа проводимости сильно падает, что связывается с образованием и прохождением ударной волны. Для p-Geнаблюдалось уменьшение электросопротивления на несколько порядков.

При облучении n-Siизлучением рубинового лазера (л = 0,694 мкм, ф_и = 50 нс) с плотностью мощности 1,2•10⁹ Вт/см² в кристаллах возникали дефекты, что приводило к появлению в запрещенной зоне новых уровней с энергиями 0,4 эВ и 0,45 эВ. Возникновение дефектов также связывают с прохождением ударных волн в образцах.

1.3 Действие лазерного излучения на органы зрения

Падающее излучение фокусируется в малое пятно на сетчатке, что увеличивает интенсивность облучения и вызывает поражение сетчатки глаза. На рисунке 1.2 показаны спектральные характеристики человеческого глаза. Там же приведено произведение коэффициента пропускания глаза на поглощающую способность сетчатки, т.е. доля падающего на глаз света, фактически поглощаемая сетчаткой.

По этой же кривой можно судить о поражаемости сетчатки в зависимости от длины волны света. Излучение лазеров, работающих на длине волны меньше 3000 ? и больше 1,6 мкм, поглощается в глазной среде и не достигает сетчатки.

Рис. 1.2. Спектральные характеристики человеческого глаза. 1 - пропускание глазной среды; 2 - произведение пропускания на поглощение (в процентах) в пигментном эпителии сетчатки. Стрелками отмечены длины волн генерации некоторых распространенных лазеров

Типичные поражения сетчатки под действием лазерного луча, исследованные на кроликах, состоят из коагулированных участков сетчатки, в центре которых имеется небольшое кровоизлияние; со временем это повреждение превращается в белый рубец.

При увеличении энергии импульса разрушение становится более значительным: выраженное кровоизлияние, пузырьки газа, складки в структуре. При использовании излучения рубинового лазера порог разрушения сетчатки при длительности импульса 1•10^-8 с составляет ? 5•10⁶ Вт/см²; при 30 нс энергетический порог составляет 6,07 Дж/см². Для неодимового лазера порог в 5-6 раз выше приведенных значений.

Пороговое разрушение сетчатки имеет тепловую природу и связано с увеличением температуры биологической ткани на 10 °С (при длительностях облучения несколько секунд). Установлено, что уменьшение длительности лазерного импульса до десятков нс уменьшает величину энергии разрушения. Предполагаемое объяснение этому неожиданному эффекту: энергия при малых длительностях выделяется неоднородно, поглощается на гранулах размером доли мкм и нагревает их выше 120 °С, тогда как при большой длительности энергия не локализуется, выделяется однородно, тепло успевает распространяться за счет теплопроводности. На рисунке 1.3 показана зависимость интенсивности на сетчатке глаза при прямом облучении рубиновым лазером от расстояния до лазера.

Рис. 1.3. Зависимость интенсивности лазерного излучения рубинового лазера на сетчатке глаза от расстояния до лазера. V - предел видимости в атмосфере. Кривая 1 - t_и = 30 нс, Р = 10⁷ Вт; кривая 2 - t_и = 1 нс, Р = 10⁴ Вт.



Интенсивность излучения на сетчатке можно вычислить по выражению:

, (1.27)

Где Р - мощность, излучаемая лазером,

Т_пр - коэффициент пропускания глаза,

f - фокусное расстояние объектива,

и - расходимость луча лазера,

л - длина волны,

R - расстояние до лазера,

D - диаметр зрачка глаза,

м- коэффициент поглощения излучения в атмосфере.

1.4 Анализ факторов поражающего действия лазерного излучения

Как показано выше, при лазерном облучении по мере поглощения энергии лазерного импульса состояние поверхности проходит несколько стадий:

а) вещество нагревается до температуры плавления. Для алюминия при «холодном» коэффициенте поглощения ~10 % с учетом температурного увеличения поглощения плотность падающей энергии E_S ? 2 Дж/см² (длительность лазерного импульса ф_P = 1 нc); E_S ? 20 Дж/см² при ф_P = 100 нc. В твердом теле возникают механические напряжения, упругие волны, возможно ускорение протекания химических реакций. В случае облучения полупроводников следует учитывать возникающие электронные процессы, в результате которых могут оставаться и долгоживущие последствия типа появления дополнительных уровней энергии в запрещенной зоне, изменения плотности поверхностных состояний, что приведет к ухудшениям в функционировании прибора. Короткое время воздействия лазерного импульса, вероятнее всего, не способствует развитию негативных процессов до катастрофического уровня;

б) при большей плотности мощности облучаемый металл нагревается до температуры интенсивного «развитого» испарения. Эта температура выше температуры плавления и близка к температуре кипения. В соответствии с [1] пороговые энергии облучения начала испарения для алюминия при «холодном» поглощении ~10% составляет E_S ? 3,85 Дж/см² (ф_P = 1 нc) и E_S ? 38,4 Дж/см² при ф_P = 100 нc. Зона нагретого состояния в веществе увеличивается, начинается вынос материала с поверхности в виде пара и жидкой фазы, начинается образование лунки в области лазерного пятна.

Если при достижении рассматриваемой стадии лазерный импульс прекращается, остаточные явления в веществе, чаще всего, приводят к катастрофическим последствиям для функционирования облучаемых элементов электронных устройств. Фотоэмиттирующие поверхности в приборах типа ФЭУ и ЭОП в точках облучения могут потерять фоточувствительность, но сохранят свою работоспособность в целом. Полупроводниковые структуры типа р-nпереходов, МДП-слоев, зон с границами различных по проводимости областей необратимо потеряют свои электронные характеристики. Эти нарушения будут иметь место в объеме вещества, поглотившем энергию лазерного луча. Если коэффициент поглощения света веществом велик, например, в случае сильнолегированных полупроводников или при межзонном поглощении, повреждения будут носить поверхностный характер. Так будут развиваться повреждения в фоточувствительных полупроводниковых структурах.

Матричные полупроводниковые фотоприемные устройства содержат на подвергаемой воздействию света поверхности различные элементы схемотехники: фотоприемные ячейки, в которых, кроме фоточувствительной области, могут иметься электронные ключи, соединительные проводники, конденсаторы; соединительные металлические проводники между ячейками, формирующие матрицу из ячеек и необходимые для подачи напряжения питания и съема сигнала.

В зависимости от места попадания лазерного луча разрушения могут привести к отказу функционирования одной локальной ячейки или нескольких близко расположенных, или к повреждению всей строки матрицы, в которой может быть несколько тысяч ячеек, или к повреждению и отказу функционирования всей матрицы;

в) при еще большем уровне интенсивности облучения (10⁷ч10⁸ Вт/см²) вещество нагревается до температуры, называемой критической, при которой на поверхности металла индуцируется переход металл-диэлектрик, электропроводность металла уменьшается на несколько порядков, жидкий металл становится жидким диэлектриком. В таком виде вещество прозрачно для излучения, значительная доля энергия не поглощается в жидком слое и достигает фронта «волны просветления» и в нем поглощается, обеспечивая его продвижение внутрь тела. Плотность потока пара с поверхности тела при этом с ростом интенсивности излучения не увеличивается, увеличивается глубина термического воздействия.

Для рассматриваемого режима характерно значительное увеличение выброса массы Дm материала и импульса отдачи I, действующего на поверхность. Удельные значения этих величин, т.е. их отношение к энергии E₀лазерного импульса, определяется выражением:

, (1.28)

, (1.29)

Где ш - оптическая толщина паров, ее численное значение близко к единице.

Максимальное значение этих величин, наблюдаемое при увеличении температуры вещества до критической Т_m-d (температуры перехода металл-диэлектрик), определяется выражениями:

, (1.30)

, (1.31)

Где I_m-d - интенсивность облучения, обеспечивающая практическую температуру;

S - площадь пятна облучения;

ф_P - длительность лазерного импульса;

- давление паров у поверхности.

Дальнейшее увеличение интенсивности лазерного импульса до значений более 10⁹ Вт/см² приводит к режиму образования приповерхностной плазмы в парах облучаемого вещества;

г) оценка уровней лазерного облучения некоторых видов устройств наблюдения, приводящего к их повреждениям.

В фотокатодах, работающих на просвет, фотоактивный материал нанесен в виде полупрозрачного слоя на стеклянную прозрачную подложку. В состав катода входят сурьма и щелочные металлы: натрий, калий и цезий. Фотокатод является полупроводником с кубической решеткой и проводимостью р-типа. Цезий присутствует в виде моноатомной поверхностной пленки, и стехиометрическая структура в объеме соответствует формуле Na₂KSb, хотя точное понимание состава катода отсутствует.

Ширина запрещенной зоны лежит в пределах Е_Д = 1,3ч1,4 эВ. Толщина современных многощелочных катодов d = 1000ч1350 ?. Спектральные характеристики такого катода при толщине 1350 ? показаны на рисунке 1.4.



Рис. 1.4. Спектральные оптические характеристики пленки многощелочного фотокатода на стекле, (сплошные кривые - эксперимент, пунктирные - расчет).

Из этого рисунка следует, что при л ? 1,06 мкм пропускание T = 0,54, отражение R = 0,4 мкм, и можно найти поглощение слоя:

. (1.32)

При попадании на фотокатод лазерного импульса он поглощает излучение всей своей толщиной и нагревается. При наносекундных импульсах можно в первом приближении пренебречь теплоотводом в стеклянную подложку. При расчете температуры фотокатода используем выражение, не учитывающее изменение коэффициента отражения с увеличением температуры, т.к., начальное («холодное») значение отражения имеет большую величину и изменение его относительного значения не может быть большим:



. (1.33)

Задаваясь значениями k_Т, с, с и Т_пл для сурьмы, приведенными в табл. 1.1, и предполагая, что пороговая температура пленки, при достижении которой фотокатод деградирует, равна температуре плавления катода, (т.е. ДТ = Т_пл - 290 = 340), при толщине d = 1350 ?, и длительности импульса ф = 1 нс получим Р₀ = 1,05•10⁸ Вт/см²; при ф = 10 нс получим Р₀ = 1,05•10⁷ Вт/см².

Энергии Е в импульсе равны при обеих длительностях равны 0,1 Дж/см².

Здесь мощность и энергия - параметры падающего на пленку фотокатода лазерного излучения.

Фотоэмиссионные приборы с катодом с отрицательным электронным сродством

В фотокатодах, работающих на просвет, слой монокристаллического полупроводника, например, арсенида галлия GaAs, имеет толщину 1ч1,5 мкм и расположен на стеклянной подложке. Слой легирован примерно до концентраций примеси 10^-19 см^-3, например, цинком. На поверхности слоя формируют близкий к мономолекулярному слой CsO или другого соединения.

На рисунке 1.5 показаны спектральные зависимости показателя поглощения арсенида галлия при различных концентрациях примеси, на рисунке 1.7 - зависимости для пленки In_xGa_1-xAs.

Из рисунка 1.5 следует, что показатель поглощения арсенида галлия при концентрации р-примеси 2,6•10¹⁹ см^-3 и энергии фотонов hн ? 1,3 эВ (л ? 0,96 мкм) равен б ? 300 см^-1. Отсюда найдем поглощение А слоя толщиной d = 10^-4 см. Коэффициент отражения R = 0,3:



. (1.34)

Получим А = 0,02.

Рис. 1.5. Спектральные зависимости показателя поглощения арсенида галлия при различных концентрациях (см^-3) примеси. 1 - 1,5•10¹⁷; 2 - 1,1•10¹⁹; 3 - 2,6ч10¹⁹; 4 - 6•10¹⁹; 5 - 1•10²⁰.

В случае пленки In_xGa_1-xAs (рисунок 1.6,а) при x = 0,22 показатель поглощения равен б = 7?10³ см^-1 при длине волны л = 1,05 мкм, и поглощение слоя толщиной 1 мкм равно А ? 0,35.

Считая пороговой для повреждения фотокатода ту интенсивность лазерного облучения, которая поднимает его температуру до температуры плавления, рассчитаем интенсивность, пользуясь значениями параметров арсенида галлия табл. 1.1 по формуле (1.33). При длительности импульса 1 нc и 10 нc получим, соответственно Р = 5,15•10⁹ Вт/см² и 5,15•10⁸ Вт/см².



Рис. 1.6. Спектральные зависимости показателя поглощения пленки In_xGa_1-xAs.

а) пленка на арсениде галлия, легирование цинком, 10^-19 см^-3. Цифры при кривых - величина х; б) пленка на фосфиде галлия, легирование цинком, 10^-19 см^-3.

Для пленки In_xGa_1-xAs при малых х можно предположить близость ее свойств к свойствам пленки арсенида галлия, приведенным в табл. 1.1 Получим оценочные значения пороговой интенсивности облучения: при ф = 1 нc и 10 нc, соответственно, Р = 2,94•10⁸ Вт/см² и 2,94•10⁷ Вт/см².

Фотоэлектронные полупроводниковые приборы на основе кремния

На освещаемой поверхности линейки или матричного прибора - формирователя сигналов изображения располагается на кремниевом кристалле многослойная структура из слоев окисла или нитрида кремния (изоляторы), металлические проводящие слои дорожек межсоединений, образующих конфигурацией своих элементов топологическую схему фотоприемной поверхности.

Основное развитие в области фотоприемников изображения видимого и ближнего ИК-диапазонов спектра (л < 1,1) получили фоточувствительные ПЗС-приборы (ФПЗС) и КМОП приборы.

Схема конструкции ФПЗС прибора показана на рисунке 1.7, схема КМОП прибора - на рисунке 1.8.

Рис. 1.7. Схема конструкции ФПЗС

Структура ФПЗС сформирована на кремниевом кристалле, фоточувствительные элементы являются МОП-конденсаторами. Если излучение попадает в прибор при использовании фронтального освещения, свет проходит через обкладку МОП-конденсатора, которая должна быть прозрачной, в качестве материала обкладки используют сверхтонкие слои сильнолегированного кремния или из прозрачных проводящих окислов, например, на основе окиси индий-олово.

В обращенной геометрии излучение проходит в зону МОП-конденсатора через полупроводник (рисунок 1.8).

В КМОП структурах тонкий слой монокристаллического кремния расположен на диэлектрическом монокристалле, например, сапфире. Чувствительными элементами также являются МОП-конденсаторы или р -- i -- nпереходы.

При попадании на структуру мощного импульса неодимового лазера излучение поглощается, в основном, в материале металлических дорожек и в полупроводниковых слоях. Поглощением в изолирующих слоях и сапфировой подложке можно пренебречь. Поглощенное излучение преобразуется в тепло.

Рис. 1.8. Различные варианты конструкции фоточувствительных элементов, выполненных по КМОП-технологии.

Наибольшую концентрацию тепловыделения можно ожидать в металлических дорожках и сильно-легированных областях полупроводника.

Сильное легирование проводников сужает ширину запрещенной зоны, что приводит к изменению спектров поглощения. На рисунке 1.10 показаны спектры поглощения кремния, сильно легированного мышьяком, и на рисунке 1.11 - кремния, сильно легированного бором.

Показатель поглощения кремния на длине волны неодимового лазера л = 1,06 мкм равен ? 20 см^-1, а на удвоенной частоте (л ? 0,5 мкм) - ? 1•10⁴ см^-1.

Из рисунка 1.9 получим для кремния, легированного мышьяком до концентрации n = 6•10¹⁸ см^-3, ? 300 см^-1; из рисунка 1.10 следует, что для кремния, легированного бором до концентрации 6•10¹⁹ см^-1 на длине волны л ? 1,06 мкм ? 500 см^-1.

Рис. 1.9. Спектр поглощения кремния, легированного мышьяком.

Рис. 1.10. Энергетический спектр поглощения в кремнии сильно легированном бором.



Проведем оценочный расчет поглощения А падающего излучения полупроводниковыми слоями фотоприемников изображения по формуле (1.34). Типичные толщины слоев имеют порядок 10^-4 см.

Для нелегированного кремния на длине волны неодимового лазера А = 1,4•10^-3; на удвоенной частоте А ? 0,1.

Для легированного мышьяком слоя кремния на длине волны неодимового лазера А = 0,02.

Для легированного бором слоя кремния на той же длине волны А = 0,034.

Для полупроводниковых слоев будем считать пороговой мощностью облучения, приводящей к повреждениям структур, такую, которая доводит слой до температуры плавления за время импульса. Расчеты проведем по формуле (1.33), не учитывающей теплопередачи облучаемого слоя соседним элементам. Получим следующий результат:

Для случая 1:Р = 4•10¹¹ Вт/см² при ф = 1 нс и Р = 4•10¹⁰ Вт/см² при ф = 10 нс. В случае удвоенной частоты Р = 5,44•10⁹ Вт/см² и Р = 5,4•10⁸ Вт/см² соответственно.

Для случая 2:Р = 2,8•10¹⁰ Вт/см² при ф = 1 нс и Р = 2,8•10⁹ Вт/см² при ф =10 нс и легировании мышьяком.

Для случая 3:Р = 1,6•10¹⁰ Вт/см² при ф = 1 нс и Р = 1,6•10⁹ Вт/см² при ф = 10 нс и легировании бором.

Алюминий прогревается с поверхности, в отличие от кремния, и необходимо учитывать, что глубина прогревания меньше толщины слоя проводника, определяется длиной тепловой волны в нем. Для оценки пороговой мощности используем выражение (1.33), в котором под ДТ_max необходимо понимать разницу между температурой кипения и комнатной температурой. Получим:



. (1.35)

Подставив данные табл. 1.1, найдем:

Р₀ ? 2,2•10⁹ Вт/см² при ф = 1 нс,

Р₀ ? 7,03•10⁸ Вт/см² при ф = 10 нс.

Сравнение результатов поражающей мощности лазерного облучения на длине волны неодимового лазера полупроводниковых слоев и алюминиевых проводников показывает, что проводники разрушаются при мощности облучения на 1-2 порядка величины меньшей, чем полупроводниковые слои; на удвоенной частоте излучения неодимового лазера (л ? 0,5 мкм) полупроводниковый фоточувствительный слой имеет примерно такую же, как алюминий, лучевую стойкость.

В табл. 1.2 помещены сводные результаты расчетов лучевой стойкости (пороговых мощности и энергии импульса) при импульсном лазерном облучении структур, а также литературные данные по порогам повреждения глаз.

Таблица 1.2. Оценка пороговой мощности Р₀и пороговой энергии Е₀ поражения фоточувствительных структур и их элементов при импульсном лазерном облучении

Фоточувствительная структура, длина волны облучения	1 нс	10 нс
	Р0, Вт/см2	Е0, Дж/см2	Р0, Вт/см2	Е0, Дж/см2
Многощелочные фотокатоды л = 1,06 мкм	108	0,1	107	0,1
Фотокатоды с отрицательным сродством на GaAs, л = 0,96 мкм	5,15•109	5,15	5,15•108	5,15
Фотокатоды с отрицательным сродством на InxGa1-хAs, л = 1,05 мкм	2,9•108	0,29	2,9•107	0,29
Кремниевые фотоэлектронные приборы, л = 1,06 мкм: - алюминиевые проводники - фоточувствительный слой - сильнолегированные области	2,2•109 4•1011 (1,6-2,8)•1010	2,2 400 16-28	7•108 4•108 (1,6-2,8)•109	7400 16-28
Кремниевые фотоэлектронные приборы, л = 0,5 мкм: - алюминиевые проводники - фоточувствительный слой	2,2•109 5,4•109	2,2 5,4	7•108 5,4•108	75,4
Глаз: л = 0,67 мкм (ф = 30 нс) л = 1,06 мкм (ф = 30 нс)	5•106 3•107	6 30

Наименьшей стойкостью, как показывает наша оценка, обладает человеческий глаз.

При расчетах порогов с целью упрощения не учитывался теплоотвод от нагреваемых излучением слоев к соседним. Наибольшая погрешность возникает при этом при длительности импульса 10 нс, результаты таблицы можно в этой части считать заниженными на 10-50 %.

Следует отметить, что для полупроводниковых структур длина волны неодимового лазера приходится на край спектральной области чувствительности приборов с этими структурами, или лежит вне этой области. Удвоение частоты излучения (путем использования в неодимовом лазере удвоения частоты за счет применения нелинейного элемента), которое сейчас может производиться с высоким к.п.д., приведет к ухудшению лучевой стойкости приборов на ~ 2 порядка величины.

Проведенные расчеты позволяют оценить требуемые от светоклапанных противоослепляющих средств пороги их срабатывания.

1.5 Исследования характера радиационного и теплового воздействия лазерного ослепляющего облучения на элементы приемных устройств

Для анализа поражающих факторов воздействия лазерного ослепляющего облучения на элементы приемных устройств были проведены экспериментальные исследования на реальных образцах фотоприемников, в качестве моделей были использованы web-камеры (содержащие ПЗС-матрицы). Web-камеры имели разрешение 640x480 при размере матрицы 3x3 мм. Камера закреплялась на двухкоординатном столике, вертикально установленном, в свою очередь, на рейтере оптической скамьи.

Для проведения испытаний был разработан и изготовлен макетный стенд. На оптической скамье последовательно установлены:

-твердотельный лазер ЛТИ-501, работающий в импульсном режиме, средняя мощность регулируется в диапазоне от 25 до 80 Вт, частота следования импульсов - 10 кГц, длина волны 1,06 мкм, длительность импульса 20-50 нс;

-лазерный измеритель мощности в канале заднего зеркала, интенсивность лазерного излучения в котором в 500 раз меньше, чем в прямом канале;

-набор фильтров для понижения мощности излучения (с коэффициентами пропускания 0,13 и 0,21);

-механическая заслонка, перекрывающая прохождение излучения от лазерак камере;

-web-камера, подключенная с помощью USB-интерфейса к персональному компьютеру.

Изображение с web-камеры в реальном масштабе времени передавалось по USB-кабелю в персональный компьютер (в цифровом виде) и записывалась на жесткий диск в виде файлов формата MPEG-2.

Для проведения исследований были выбраны два критерия:

-временная стойкость матрицы в зависимости от мощности излучения;

-пороговая мощность излучения, при которой происходит частичное или полное разрушение матрицы в течение короткого периода времени, имитирующего предполагаемые полевые условия (1-2 сек).

Применение двух фильтров для ослабления излучения.

Перед камерой устанавливалось два фильтра, понижающих среднюю мощность лазерного излучения до 0,7 Вт. В первый момент времени (немедленно после открытия механической заслонки) наблюдается засветка всей матрицы, длящаяся примерно 1 с. Современные web-камеры снабжены системой автоматической регулировки чувствительности. После блокирования излучения камера восстановилась на прежний режим работы. При постепенном увеличении мощности до 2,2 Вт, диаметр светящейся точки увеличивается примерно на 5-10 %. В результате эксперимента характеристики камеры не претерпевали изменений и после прекращения облучения камера возвращалась к штатному режиму работы. Необходимо, однако, отметить, что чем выше мощность падающего излучения - тем больший промежуток времени необходим для срабатывания системы автоматической регулировки уровня сигнала и снижения чувствительности камеры.

В процессе облучения оптический фильтр, на который падало лазерное излучение, в результате поглощения энергии высокой плотности получил механические повреждения в виде трещины. Можно заключить, что пороговая мощность, вызывающая повреждение ПЗС-матрицы, достигнута не была и, следовательно, превышает 2,2 Вт.

Применение одного фильтра для ослабления излучения.

Перед камерой был установлен фильтр, понижающий мощность лазерного излучения до 5,25-16,8 Вт. Полученный результат аналогичен предыдущему, однако время релаксации камеры имеет большее значение. Кроме того, при указанных мощностях уже становится заметным поглощение лазерного излучения объективом web-камеры и, как следствие, сильный их нагрев. В таком режиме камера может функционировать относительно большой промежуток времени - более 1 мин.

Ослабления излучения не применяется.

Применение излучения со средней мощностью 25 Вт качественных изменений картины воздействия на web-камеру не вызвало, кроме увеличения размеров светящегося пятна после релаксации чувствительности.

Мощность 50 Вт: Наблюдается сплошная засветка экрана, сопровождаемая цветными горизонтальными полосами, через 10 секунд на изображении формируется светлое пятно большого диаметра.

Мощность 80 Вт: Наблюдается сплошная засветка экрана, сопровождаемая большим количеством широких и толстых цветных горизонтальных полос. По истечении 1 с, в результате разогрева пластиковой оправы объектива и ее оплавления, штатный объектив web-камеры выходит из строя.

Разборка web-камеры для выяснения причины выхода из строя показала, что микросхема ПЗС-матрицы имеет защитное стекло. Согласно доступной литературе, это стекло выполняет также роль ИК-фильтра. Попытка применения внешнего объектива для фокусировки лазерного излучения привела к разогреву корпуса микросхемы и помутнению защитного стекла изнутри.

Дальнейшие исследования предполагалось продолжить после удаления защитного стекла, однако конструкция и технология сборки микросхемы ПЗС-матрицы не позволяют это сделать без того, чтобы не повредить внутреннюю разводку.

На последующих этапах НИР предполагается продолжить экспериментальные исследования на моделях по определению пороговых плотностей мощностей лазерного излучения, проводящих различные ФПУ к выходу из строя, с использованием излучений с другими длинами волн.



2. Разработка концепции построения и математической модели функционирования микромеханического затвора с наносекундным быстродействием

2.1 Основные требования к защитным быстродействующим затворам

Существующие оптико-электронные системы обнаружения, наведения, слежения и опознавания, равно как и разрабатываемые вновь, малоэффективны в условиях применения организованных оптических помех, что ограничивает возможности средств, использующих эти системы. Проблема предотвращения ослепления не может эффективно решаться путем применения узкополосных отражающих светофильтров или использованием устройств, основанных на резонансном возбуждении атомов поглотителя (переводом на более высокие энергетические уровни), так как при этом требуется совпадение длины волны излучения средства подавления (которая, как правило, неизвестна) и рабочей длины волны средства защиты. Также малоэффективны и другие существующие устройства со светоклапанным эффектом.

Ячейка Керра (электрооптический затвор) основана на использовании наведенного двулучепреломления и может обеспечить быстродействие до 0,1 нс, но требует знания направления поляризации падающего светового излучения и применения электронных схем, срабатывающих от фотодатчика.

Пленочные электрооптические затворы с фотопроводящим слоем, интегрированным в структуру затвора, обладают недостаточным быстродействием (10^-7 с) в связи с инерционностью фотопроводников, а также, как и в случае с ячейкой Керра, модулируемый свет должен быть поляризован.

Жидкокристаллические управляемые лазерным пучком пространственные модуляторы обладают малым быстродействием (10^-5 с). Использование фазовых переходов вещества при нагревании, сопровождающихся изменением оптических свойств неэффективно в силу того, что оптические свойства изменяются в ограниченном спектральном диапазоне, амплитудная модуляция света недостаточна для затвора и т.п.

Предлагается микромеханическое светоклапанное устройство с наносекундным временем срабатывания, принципиальной особенностью которого является приведение устройства в действие за счет использования энергии самого «ослепляющего» луча.

Падающее на световой клапан излучение поглощается и нагревает элементы клапана, преобразуется в тепло. Поглощение не может иметь резонансного характера, должно происходить во всем спектральном диапазоне возможных оптических помех. Необходимо, чтобы увеличение температуры элементов клапана за время порядка десятой доли длительности импульса ослепления (т.е. ? 1•10^-9 с) приводило к изменению отражения или пропускания клапана и модуляции прошедшей части излучения с эффективностью 90ч100 %.