CN102156135A - 激光毁伤硅基探测器的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

光电探测器是光电检测***的核心部件，在一些特殊的场合，光电传感器经常要与激光光源配合使用，因而不可避免地存在激光对光电传感器的破坏问题。本发明属光电测试领域，提供了一种激光毁伤硅基探测器的测量方法和装置。根据强激光辐照前后探测器表面形貌、光电流、暗电流以及响应度的变化，判断激光对探测器损伤程度。以前对激光辐照探测器的研究，主要侧重于损伤阈值和损伤机理，对于定量研究探测器损伤过程中暗电流、光电流及响应度变化没有被报道。本发明能够在线检测探测器损伤过程中电学参量及表面形貌的变化，具有全面、准确、方便等优点，适用于硅基单元探测器的损伤检测以及激光诱导探测器的损伤机理研究。可以应用到激光加工、光学部件质量检测、激光器的研制等领域。

Description

激光毁伤硅基探测器的测量方法和装置

技术领域

本发明涉及一种激光毁伤硅基探测器的测量方法和装置，可以用于光电测试，应用领域包括探测器的研制、激光加工和科学研究等领域。

背景技术

光电探测器是光电检测***的核心部件，广泛的应用于军事、工业、医疗等各领域。在一些特殊的场合，光电传感器经常要与激光光源配合使用，因而不可避免地存在激光对光电传感器的破坏问题。探测器被强激光损伤后，性能会发生改变，表现为响应度下降，暗电流上升。

国内外学者对于强激光辐照探测器进行了大量的理论和实验工作，主要侧重于激光辐照探测器的损伤阈值和损伤机理研究，而对于探测器损伤后光电流、暗电流和响应度的变化研究的极少。而掌握激光诱导探测器损伤后性能的变化规律对研究激光辐照探测器的损伤机理，提高探测器的抗激光损伤能力具有重要意义。

本发明提供了一套激光毁伤硅基探测器的测量方法和装置，采用CCD成像技术获得强激光辐照前后探测器表面形貌图像，采用电流检测技术测量激光辐照前后光电流、暗电流以及探测器响应度的变化，根据表面形貌和响应性能的变化判定激光对探测器的损伤情况。该实验装置准确、简洁、易于操作，能对激光辐照探测器表面损伤进行实时监测，适用于激光辐照硅基单元探测器损伤效应的研究。

发明内容

研究强激光辐照下，探测器被损伤程度与电学性能变化的关系，对于研究激光辐照探测器的损伤机理，提高探测器的抗激光损伤能力具有重要意义。本发明提供了一套可直观检测探测器被激光诱导损伤后，表面形貌、光电流、暗电流的测量方法和装置。该装置包含激光辐照***，CCD成像***，电流检测***。

激光辐照***包含有Nd:YAG激光器(1)，激光衰减器(2)，分光片(3)，激光能量计(4)，会聚透镜(5)。由Nd:YAG激光器发出的激光，经过激光衰减器、分光镜、会聚透镜垂直辐照在探测器表面。衰减器可以调节入射激光的能量大小，分光镜和能量计可以实时监测入射激光的能量，样品被固定在调整架上，可以方便的进行调节。

电流检测***由He-Ne激光器(8)，衰减器(9)，测试电路(10)和光电检流计(11)组成。探测器依据内光电效应进行工作，在入射激光功率不太大的情况下，探测器工作在线性区。探测器对入射光的响应度是光电探测器的一项重要指标，跟入射光波长相关，即在某一波长λ光的光功率辐射下，所输出的电压V(λ)、电流I(λ)不一样，所以有电压光谱响应率R_V和电流光谱响应率R_I之分，记为

$R_V\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{V\left(\mathrm{\λ}\right)}{P\left(\mathrm{\λ}\right)}---\left(1\right)$

$R_I\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{I\left(\mathrm{\λ}\right)}{P\left(\mathrm{\λ}\right)}---\left(2\right)$

式中P(λ)为波长λ时入射光功率；V(λ)为光电探测器在入射光功率P(λ)作用下的输出信号电压，I(λ)为光电探测器在入射光功率P(λ)作用下的电流信号。实验中，用He-Ne激光作为参考光，通过测量探测器对He-Ne激光的光电流，可以得到探测器的响应度。探测器被激光损伤后，暗电流上升，响应度下降。所以，比较损伤前后，探测器响应度的变化就可以确定探测器的被损伤情况。

CCD成像***包括白光二极管(12)，成像透镜(13)，面阵CCD(14)和计算机(15)。白光二极管距离探测器约5cm左右，与探测器的夹角约为30℃左右，He-Ne激光与探测器的角度约为25℃左右。通过调节探测器样品、透镜和CCD之间的距离，使探测器在CCD表面成清晰的像。通过计算机将探测器表面形貌图像存储下来。强激光辐照后，再次记录探测器的表面形貌图片，并与激光辐照前的图像进行比较，确定探测器的损伤情况。

附图说明

附图1是激光诱导光电探测器损伤多参数测量方法和装置示意图；

附图2是光电流和暗电流测试电路；

附图3是不同功率密度的激光辐照下探测器暗电流的变化；

附图4是不同功率密度的激光辐照下探测器响应度的变化；

附图5是探测器被功率密度3.53×10⁷w/cm²激光辐照后的表面形貌图片；

附图6是探测器被功率密度3.66×10⁸w/cm²激光辐照后的表面形貌图片；

附图7是探测器被功率密度3.92×10⁸w/cm²激光辐照后的表面形貌图片；

附图8是探测器被功率密度4.51×10⁹w/em²激光辐照后的表面形貌图片。

具体实施方式

实施实例：以硅基PIN光电探测器(型号GT102，光敏面直径2mm)为例，研究不同功率密度的Nd:YAG激光辐照下，PIN光电探测器的表面形貌、光电流、暗电流及响应度的变化，并分析探测器性能改变与损伤程度的关系。

如图1所示，He-Ne激光器(8)输出激光经衰减器(9)后的功率为56uw，此时硅基PIN光电探测器工作在线性区。由光电检流计(11)测量探测器的光电流值为11.76uA，得到损伤前探测器的响应度为0.21uA/uw，测得探测器的暗电流值为0.001nA。调节白光二极管(12)、成像透镜(13)和面阵CCD(14)，使探测器样品在CCD上成像，并用计算机进行存储。Nd:YAG激光(1)经衰减器(2)、分光镜(3)、会聚透镜(5)辐照在样品(6)表面，并且和He-Ne激光光斑重合。调节激光衰减器，使入射激光能量由小到大逐渐增加。如果在单次脉冲辐照下，探测器发生损伤，更换样品重复上面的实验，可以得到不同功率密度激光单次辐照下，探测器的饱和，轻度损伤，中等损伤，严重损伤等现象。探测器的损伤后存储表面形貌图像，并再次测量探测器的光电流、暗电流数值，与最初的数据进行比较，分析探测器的损伤情况。

图3和图4描述的是强激光辐照下，探测器暗电流与响应度的变化情况。从图中可以看出，在激光功率密度超过3.54×10⁴w/cm²后，探测器处于饱和状态，表面形貌没有变化，暗电流、光电流和响应度均没有变化。

当入射激光功率密度达到3.53×10⁷w/cm²时，激光辐照后，探测器表面发生轻度的损伤，如图5所示，表面增透膜发生了损伤，导致了He-Ne参考光的透过率减小，此时暗电流增加了0.004uA，响应度下降了3.65％。

当入射激光功率密度达到3.66×10⁸w/cm²时，激光辐照后，探测器表面发生了较大面积的损伤。如图6所示，表层的损伤区域加大，光敏面内部发生轻微损伤。此时暗电流变化明显，增加了0.414uA，响应度也发生明显改变，下降了12.3％。

当入射激光功率密度达到3.92×10⁸w/cm²时，激光辐照后，探测器表面出现了较严重的损伤。如图7所示，损伤区域较大，损伤坑较深。此时探测器的光敏面被损伤，暗电流增加了12.78uA，响应度下降了18.11％。

当入射激光功率密度达到4.44×10⁹w/cm²时，强激光辐照后，探测器发生更严重的破坏。如图8所示，损伤区域更大，损伤坑更深，光敏区域遭到严重破坏，导致PN结被部分击穿，此时暗电流急剧增加，达到了2300uA，远远超过了探测器的光电流值，此时探测器已经失去探测能力。

从以上的分析能够看出，本发明装置能够实时监测探测器被强激光损伤的整个过程，同时，能够检测在不同的损伤程度下暗电流/光电流和响应度的变化，这对分析激光导致的探测器的损伤机理具有重要的意义。

Claims (14)

1.一种激光毁伤硅基探测器的测量方法和装置，由激光辐照***，CCD成像***，电流检测***组成。激光辐照***可以输出不同功率密度的强激光，对探测器进行辐照；电流检测***能检测探测器对参考光的光电流和暗电流；CCD成像***能对激光损伤前后探测器表面形貌进行成像。通过对激光辐照前后探测器表面形貌和响应性能的比较，判断强激光对探测器的损伤情况。

2.根据权利要求1所述的激光辐照***，其特征在于，由Nd:YAG激光器(1)，激光衰减器(2)，分光片(3)，激光能量计(4)，会聚透镜(5)，样品(6)和三维调整架(7)构成。调节衰减器，可以输出不同功率密度的激光，调节样品到会聚透镜的距离，可以改变辐照到样品上激光光斑大小。

3.根据权利要求1所述的电流检测***，其特征在于，包含He-Ne激光器(8)，测试电路(9)和灵敏检流计(10)。

4.根据权利要求1所述的CCD成像***，其特征在于，包括白光二极管(11)，成像透镜(12)，面阵CCD(13)和计算机(14)。

5.根据权利要求2所述的激光辐照***，其特征在于，调Q的Nd:YAG激光器(1)波长为1064nm，脉宽为9ns，重复频率10Hz，单脉冲最大激光能量为500mJ。

6.根据权利要求2所述的激光辐照***，其特征在于，激光衰减器(2)由一组中性密度的衰减镜片构成，镜片直径为50mm，最大衰减80db，最小衰减倍数1.07db，通过对不同衰减片的组合，可以使激光输出能量由小到大逐渐增加。

7.根据权利要求2所述的激光辐照***，其特征在于，激光能量计(4)的型号是NIM-E1000型激光能量计。分辨率为0.4mJ，测量不确定度为4％，适用波长为1064nm。

8.根据权利要求2所述的激光辐照***，其特征在于，会聚透镜(5)的口径为25mm，焦距为125mm。

9.根据权利要求3所述的电流检测***，其特征在于，He-Ne激光器(8)的功率为5mw。

10.根据权利要求3所述的电流检测***，其特征在于，测试电路(10)的反向偏压为40V，47μF和0.1μF的电容起滤波作用，具体见附图2。

11.根据权利要求3所述的电流检测***，其特征在于，光电检流计(11)的精度为10^-9A。

12.根据权利要求4所述的CCD成像***，其特征在于，白光二极管(12)的功率为0.1mw，工作电流20mA，二极管到样品表面的距离约为6cm，二极管与探测器表面法线的夹角在25-30℃之间。

13.根据权利要求4所述的CCD成像***，其特征在于，成像透镜(13)的焦距为70mm，口径为25mm的成像透镜。

14.根据权利要求4所述的CCD成像***，其特征在于，CCD(14)的总像素为(537(H)×505(V))。

Images