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 τ_P = 1 нc); E_S ≈ 20 Дж/см² при τ_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 (τ_P = 1 нc) и E_S ≈ 38,4 Дж/см² при τ_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–n пе­реходов, 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 (10⁷÷10⁸ 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 Δm 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 ψ - 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;

τ_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.

Фотоэмиссионные приборы с многощелочным фотокатодом

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 = 1,3÷1,4 эВ. Толщина современных многощелочных катодов d = 0,1÷0,135 мкм. Спектральные характеристики такого катода при толщине 0,135 мкм показаны на рисунке 1.5.

2,0

1,5

1,0

0,5

0,4

0,8

hν, эв

T

K′

Рис. 1.5 Спектральные оптические характеристики пленки многощелочного фотокатода на стекле, (сплошные кривые – эксперимент, пунктирные – расчет)

Из этого рисунка следует, что при λ ≈ 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, ρ, 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.
ΔТ = Т_пл – 290 = 340), при толщине d = 0,135 мкм, и длительности импульса
τ = 1 нс получим Р₀ = 1,05∙10⁸ Вт/см²; при τ = 10 нс получим
Р₀ = 1,05∙10⁷ Вт/см².

Энергии Е в импульсе 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 1÷1,5 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 1.6 показаны спектральные зависимости показателя поглощения арсенида галлия при различных концентрациях примеси, на рисунке 1.7 – зависимости для пленки In_xGa_1-xAs.

Из рисунка 1.6 следует, что показатель поглощения арсенида галлия при концентрации р-примеси 2,6∙10¹⁹ см^-3 и энергии фотонов hν ≈ 1,3 эВ
(λ ≈ 0,96 мкм) равен α ≈ 300 см^-1. Отсюда найдем поглощение А слоя толщиной d = 10^-4 см. Коэффициент отражения R = 0,3:

. (1.34)

Получим А = 0,02.

102

103

104

1,2

1,4

1,6

hν, эв

Рис. 1.6 Спектральные зависимости показателя поглощения арсенида галлия при раз­личных концентрациях (см^-3) примеси. 1 – 1,5∙10¹⁷; 2 – 1,1∙10¹⁹;
3 - 2,6÷10¹⁹; 4 - 6∙10¹⁹; 5 - 1∙10²⁰

В случае пленки In_xGa_1-xAs (рисунок 1.7,а) при x = 0,22 показатель поглощения равен α = 7∙10³ см^-1 при длине волны λ = 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.

103

104

λ, Ǻ

0,017

0,041

0,058

0,098

0,121

0,140

0,220

a)

104

103

λ, Ǻ

xInAs 1. 0,19 2. 0,18 3. 0,20 4. 0,10

xGaAs 0,66 0,65 0,59 0,55

б)

Рис. 1.7 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-xAsпри малых х можно предположить близость ее свойств к свойствам пленки арсенида галлия, приведенным в табл. 1.1 По­лучим оценочные значения пороговой интенсивности облучения: при τ = 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 (λ < 1,1) получили фоточувствительные ПЗС-приборы (ФПЗС) и КМОП приборы.

Схема конструкции ФПЗС прибора показана на рисунке 1.8, схема КМОП прибора - на рисунке 1.9.

1D

1G

φ1

φ2

φ3

0G

0D

Алюминий

p+

n+

n+

p+

Si p-типа

SiO2

Рис. 1.8 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 — n переходы.

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.

p+

p

n+

10-20 um

Подложка

Сапфир Al2O3

0,6um

Si

Si

а)

б)

p+

p

n

p

p+

n+

n

p

n

n+

Al2O3

Рис. 1.9 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
λ = 1,06 мкм равен a ≈ 20 см^-1, а на удвоенной ча­стоте (λ ≈ 0,5 мкм) -
a ≈ 1∙10⁴ см^-1.

Из рисунка 1.10 получим для кремния, легированного мышьяком до концен­трации n = 6∙10¹⁸ см^-3, a ≈ 300 см^-1; из рисунка 1.11 следует, что для кремния, легированного бором до концентрации 6∙10¹⁹ см^-1 на длине волны
λ ≈ 1,06 мкм a ≈ 500 см^-1.

102

1,0

1,2

1,1

hν, эв

Рис. 1.10 Спектр поглощения кремния, легированного мышьяком

0,5

1,0

1,5

2,0

2∙102

103

a, см-1

hν, эв

4(х10)

Рис. 1.11 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 τ = 1 нс и Р = 4∙10¹⁰ Вт/см² при
τ = 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 τ = 1 нс и Р = 2,8∙10⁹ Вт/см² при
τ =10 нс и легировании мышьяком.

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

Повреждающим фактором для алюминиевых дорожек необходимо считать их разрушение (образование кратера) под действием облучения, что происходит при достижении температуры кипения.

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 ΔТ_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 τ = 1 нс,

Р₀ ≈ 7,03∙10⁸ Вт/см² при τ = 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 (λ ≈ 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 данные по порогам повреждения глаз.

Таблица 1.2

Оценка пороговой мощности Р₀ и 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 λ = 1,06 мкм	108	0,1	107	0,1
Фотокатоды с отрицательным сродством на GaAs, λ = 0,96 мкм	5,15∙109	5,15	5,15∙108	5,15
Фотокатоды с отрицательным сродствомна InxGa1-хAs, λ = 1,05 мкм	2,9∙108	0,29	2,9∙107	0,29
Кремниевые фотоэлектронные приборы, λ = 1,06 мкм: - алюминиевые проводники - фоточувствительный слой - сильнолегированные области	2,2∙109 4∙1011 (1,6-2,8)∙1010	2,2 16-28	7∙108 4∙108 (1,6-2,8)∙109	16-28
Кремниевые фотоэлектронные приборы, λ = 0,5 мкм: - алюминиевые проводники - фоточувствительный слой	2,2∙109 5,4∙109	2,2 5,4	7∙108 5,4∙108	5,4
Глаз: λ = 0,67 мкм (τ = 30 нс) λ = 1,06 мкм (τ = 30 нс)	5∙106 3∙107

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 лазера к 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 записывалось 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.

Целесообразно 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.