TEA CO₂长波红外激光对红外凝视成像系统探测器组件的损伤效应

TEA CO 2 长波红外激光对红外凝视成像系统探测器组件的损伤效应 Damage effect of TEA CO 2 long wave infrared laser on detector assembly of infrared staring imaging system first-author 张　引（1997-），男，河南鹤壁人，硕士研究生，2019年于太原理工大学获得学士学位，主要从事激光辐照效应方面的研究。E-mail： 15735154639@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17423984&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17423991&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17423987&type= 22.01330566 32.00399780 张　引 （1997-），男，河南鹤壁人，硕士研究生，2019年于太原理工大学获得学士学位，主要从事激光辐照效应方面的研究。E-mail： 15735154639@163.com 15735154639@163.com corresp E-mail： 13159754836@163.com E-mail： 13159754836@163.com 13159754836@163.com 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 光电对抗部， 吉林 长春 130033 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 光电对抗部， 吉林 长春 130033 Photoelectric Countermeasure Department， Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics And Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China Photoelectric Countermeasure Department， Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics And Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China 为了探究长波红外激光对红外凝视成像系统HgCdTe红外探测器组件的损伤机理，在ANSYS软件仿真研究的基础，开展了9.3 μm激光对HgCdTe红外探测器损伤效应实验。通过利用ANSYS软件建立了激光辐照HgCdTe红外探测器的有限元理论仿真模型，获得了9.3 μm脉冲CO 2 激光照射下探测器模型的温升分布，以是否达到熔融温度为判定依据，得到探测器件的仿真损伤阈值。通过开展外场实验获得HgCdTe红外探测器真实工作环境下的损伤阈值，整理并分析实验结果得到HgCdTe红外探测器组件的实验损伤阈值。研究结果表明，基于有限元理论仿真得到的HgCdTe红外探测器模型的损伤阈值为0.54~1.1 J/cm 2 ，与实验得到的损伤阈值0.69~1.23 J/cm 2 结果较为一致。仿真结果和实验结果均和Bartoli理论的计算结果符合得较好， 验证了模型和实验结果的合理性。 To explore the mechanism of damage caused to a HgCdTe infrared detector by a long-wave infrared laser， the damage caused by a 9.3 μm laser to an HgCdTe infrared detector was experimentally analyzed. A finite element simulation model of the HgCdTe infrared detector irradiated by the laser was established in ANSYS. The temperature rise distribution of the detector model under CO 2 laser irradiation with a 9.3 μm pulse was obtained. The theoretical damage threshold of the detector was determined based on whether the melting temperature had been reached. Subsequently， the damage threshold of an HgCdTe infrared detector in an actual working environment was determined through field experiments. The results show that the damage threshold is 0.54-1.1 J/cm 2 . The simulation results， which predict a damage threshold of 0.69-1.23 J/cm 2 ， and the experimental results are in agreement with the Bartoli theory and are thus considered to be valid. 红外探测器 有限元 HgCdTe TEA CO 2 激光 infrared detector finite element method HgCdTe TEA CO 2 laser 1 引　言 1 HgCdTe是一种直接带隙半导体，量子效率高、载流子迁移率高，可以实现弱光探测。同时它可以通过调节Cd的组份比例，完全覆盖3个重要的大气红外窗口波段。凭借着上述优点，磅镉汞成为第三代红外探测器的首先材料 ［ 1 1 - 3 3 1-3 ］ 。然而，HgCdTe红外探测器也面临很多问题，例如用于生长HgCdTe的外延衬底碲锌镉价格昂贵，使得整个HgCdTe探测器的价格居高不下；并且碲，镉和汞三者之间是通过较弱的离子键组合在一起，汞很不稳定，在350 K左右即会有Hg析出，破坏晶体结构造成材料缺陷，从而影响等效噪声功率等性能。此外，碲镉汞的熔点在993 K左右，超过该温度并吸收足够的熔化潜热，碲镉汞材料会熔化。尽管如此，HgCdTe红外探测器仍然广泛应用于军事领域，尤其是在精确制导、红外侦察等方面具有不可替代的作用 ［ 4 4 - 5 5 4-5 ］ 。这些应用推动了激光干扰和损伤HgCdTe红外探测器的发展。HgCdT红外探测器属于弱光探测器件，强激光的干扰和损伤容易导致器件不能正常工作，因此关于HgCdTe材料或器件的干扰及损伤机理成为国内外的研究热点之一。 强激光损伤探测器是一个十分复杂的过程，主要由激光参数和材料物理特性决定。其中，激光参数包含波长、脉宽、重频以及光束质量等；材料的物理特性主要涉及导热系数、密度、热容和吸收系数，尤其是导热系数和吸收系数，对温度非常敏感。激光辐照探测器主要表现为材料的加热，熔化、气化和烧蚀以及材料气化烧蚀引起的力学效应和微结构的改变等 ［ 6 6 - 7 7 6-7 ］ 。因此，脉冲CO 2 激光对长波红外探测器件的损伤效应涉及材料自身吸收、反射、热扩散等物理特性，用激光加热理论模型可定量描述材料温升、熔化等物理过程 ［ 7 7 - 8 8 7-8 ］ 。目前，国内外对9.3 μm损伤碲镉汞红外探测器的研究较少，本文使用有限元软件建模仿真和实验相结合的方式，探究激光损伤效应，为之后开展其他波段激光损伤碲镉汞探测器的研究提供了9.3 μm损伤碲镉汞红外探测器的参考。 2 理论分析 1 2.1　理论基础 2 HgCdTe探测器为4层结构，各层之间的热膨胀系数不同，当探测器内部出现局部温度升高，探测器内部层与层之间会产生热应力，严重时会导致芯片断裂。近年来，伴随着HgCdTe探测器的发展，其内部应力已经得到了比较好的控制。已有研究表明，激光辐照HgCdTe探测器引发的热熔融损伤要优先于应力损伤的发生 ［ 9 9 ］ 。 激光与材料相互作用，主要反应为材料对激光辐照的热吸收和热传导过程。激光辐照到HgCdTe探测器表面，碲锌镉层对激光吸收较少，与激光接触面温升并不高。透过碲锌镉层，由于HgCdTe材料的光电耦合时间只有1~2 ps，以及吸收系数比较大，所以HgCdTe可以快速吸收光子能量使材料温度升高，并很快通过热传导将热量传递给HgCdTe和铟柱接触面。因此HgCdTe温度场分布可以通过热传导微分方程求得 ［ 10 10 ］ ： <math display="block" id="M1"><mfrac><mrow><mo>∂</mo></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mfenced open="[" close="]" separators="|"><mrow><mi>k</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>T</mi></mrow></mfenced><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>T</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac></mrow></mfenced><mo>+</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mfenced open="[" close="]" separators="|"><mrow><mi>k</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>T</mi></mrow></mfenced><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>T</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac></mrow></mfenced><mo>+</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mfenced open="[" close="]" separators="|"><mrow><mi>k</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>T</mi></mrow></mfenced><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>T</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac></mrow></mfenced><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>-</mo><mi>R</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>α</mi><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><msup><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow><mrow><mo>-</mo><mi>α</mi><mi>z</mi></mrow></msup><mo>=</mo><mi>ρ</mi><mi>c</mi><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>T</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17423996&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17423994&type= 115.31600189 9.48266602 ， 式中： T 为晶体在 t 时刻的温度， k 为材料的导热系数， <math id="M2"><mi>ρ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424001&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17423998&type= 1.86266661 3.64066648 为密度， c 为热容， α 为吸收系数， I 0 为辐照激光功率密度。制冷型面阵HgCdTe器件通常封装在杜瓦瓶内且通过液氮进行制冷，其工作温度保持在77 K。 因此，初始条件满足： <math display="block" id="M3"><mi>T</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>r</mi><mo>,</mo><mi>z</mi><mo>,</mo><mn mathvariant="normal">0</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">77</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">K</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424007&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424004&type= 26.67000008 3.55599999 . 边界条件满足： <math display="block" id="M4"><mo>-</mo><mi>k</mi><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>r</mi><mo>,</mo><mi>z</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>-</mo><mi>R</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>α</mi><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><msup><mrow><mi mathvariant="normal">e</mi></mrow><mrow><mo>-</mo><mi>α</mi><mi>z</mi></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424013&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424010&type= 51.13866425 7.70466709 ， <math display="block" id="M5"><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>r</mi><mo>,</mo><mn mathvariant="normal">0</mn><mo>,</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424019&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424016&type= 24.46866608 7.70466709 ， <math display="block" id="M6"><mi>T</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>r</mi><mo>,</mo><mi>L</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">77</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">K</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424027&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424024&type= 26.92399979 3.55599999 ， 其中 L 为器件内HgCdTe材料的厚度。 实际情况下，HgCdTe材料的物理参数会随入射波长、温度和Cd的比例而变化。Higgins通过实验研究发现HgCdTe密度随Cd组分呈线性变化，而随温度变化却非常小，并给出了HgCdTe材料密度的计算公式 ［ 11 11 ］ 。Chu等人给出了HgCdTe材料的折射率随温度、入射波长和Cd组分的拟合公式，经计算，HgCdTe材料在长波段的反射率 R 基本稳定在3.1。除此之外，他们还研究了HgCdTe吸收系数随温度和Cd组分的变化规律，给出了吸收系数 <math id="M7"><mi>α</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424034&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424031&type= 1.94733346 2.79399991 的经验公式 ［ 12 12 ］ ： <math display="block" id="M8"><mi>α</mi><mo>=</mo><msub><mrow><mi>α</mi></mrow><mrow><mi>g</mi></mrow></msub><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">x</mi><mi mathvariant="normal">p</mi><msup><mrow><mfenced open="[" close="]" separators="|"><mrow><mi>β</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>h</mi><mi>ω</mi><mo>-</mo><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mi>g</mi></mrow></msub></mrow></mfenced></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>/</mo><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424041&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424037&type= 40.80933380 6.43466663 . 本文数值仿真和实验采用的碲镉汞Cd的组分比例 x =0.2。 <math display="block" id="M9"><msub><mrow><mi>α</mi></mrow><mrow><mi>g</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">65</mn><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1.88</mn><mi>T</mi><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn mathvariant="normal">8694</mn><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">10.31</mn><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>x</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424048&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424045&type= 63.50000000 4.48733330 ， <math display="block" id="M10"><mi>β</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">0.083</mn><mi>T</mi><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn mathvariant="normal">21</mn><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">0.13</mn><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>x</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424056&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424052&type= 56.38800049 3.89466691 ， <math display="block" id="M11"><mtable><mtr><mtd><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mi>g</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">6.29</mn><mo>×</mo><msup><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">7.68</mn><mo>×</mo><msup><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn></mrow><mrow><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msup><mi>T</mi></mrow></mfenced><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">2.14</mn><mi>x</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>+</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac></mrow></mfenced><mo>.</mo></mtd></mtr></mtable></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424063&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424059&type= 70.69667053 13.63133430 <math display="block" id="M12"><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1.838</mn><mi>x</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">0.3424</mn><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">0.148</mn><msup><mrow><mi>x</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424070&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424066&type= 53.59400177 4.06400013 . 其中： T 为温度， x 为Cd比例。 关于测量HgCdTe热容和导热系数的实验比较多，研究发现它们随温度的变化比较大，当HgCdTe发生熔融时，其热容和导热系数会发生突变。本文不考虑HgCdTe发生熔融状态，并采用Holland等人给出的HgCdTe导热系数经验公式进行仿真研究 ［ 13 13 ］ 。 2.2　Bartoli理论分析 2 美、法等国对HgCdTe材料及单元探测器的激光损伤机理开展了系统的研究。其中，Bartoli在美国海军的支持下，系统性开展了多波长激光对多种红外探测器材料的损伤机理研究，建立了一维热传导理论模型，通过理论与实验相结合方式获得了CO 2 激光辐照下HgCdTe材料和器件的熔化破坏阈值，其研究为激光损伤探测器提供了基础数据和研究思路。Barteli建立的CO 2 激光对HgCdTe材料的热损伤模型 ［ 14 14 ］ ，方法简明、物理概念清晰且普适性较好，因此在国内外得到了广泛的应用。 Bartoli利用上述热传导微分方程推导出高斯光束作用于HgCdTe材料的热损伤阈值 E 0 的计算公式： <math display="block" id="M13"><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>k</mi><mi>τ</mi><mi>α</mi><msup><mrow><mi mathvariant="normal">π</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>/</mo><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow><mrow><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced open="[" close="]" separators="|"><mrow><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn><mi>k</mi><mi>τ</mi><mo>/</mo><msubsup><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msubsup></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>/</mo><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfenced></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424078&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424074&type= 58.08132935 12.02266598 ， 其中： <math display="block" id="M14"><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>T</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub><mi>ρ</mi><mi>c</mi></mrow><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>-</mo><mi>R</mi></mrow></mfenced><mi>α</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424085&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424082&type= 26.07733345 8.72066593 ， 式中：热扩散率 <math id="M15"><mi>k</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424092&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424089&type= 1.69333339 2.79399991 =0.09 cm 2 /s，从环境温度温升至热熔融温度707 °C中间的差值为 <math id="M16"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><msub><mrow><mi>T</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">h</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424100&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424096&type= 6.85799980 3.72533321 =950 K，光敏面反射率 R =0.31，热容 c =0.15 J·g·K，密度 ρ =7.6 g/cm 3 ，脉冲宽度 τ =100 ns，吸收系数 α =8 000 m -1 ，光斑半径 a 0 =60 μm。 其中扩散长度 D =（ kτ ） 1/2 =0.94 μm，吸收深度 L =1/ α μm，高斯光斑到靶半径 <math id="M17"><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424108&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424104&type= 3.04800010 3.72533321 =60 μm，因此扩散长度 D≪ 吸收深度 L ，且扩散长 D≪ 光斑半径 <math id="M18"><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424114&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424111&type= 3.04800010 3.72533321 。因而 式（7） 式（7） 括号的右边第二项可以忽略，简化为 式（8） 式（8） 。由该模型获得的损伤阈值理论数据与下节中实验结果的吻合度较好。 3 仿真计算 1 HgCdTe的熔点为993 K，当HgCdTe层温度达到熔点时，探测器单元将永久损伤。因此，以HgCdTe热熔化作为相对严格的器件损伤效果界定。在理论分析基础上，利用ANSYS软件建立了CO 2 激光对HgCdTe材料的三维温升有限元理论 ［ 15 15 - 16 16 15-16 ］ 仿真模型，获得了9.3 μm激光照射下材料的温升三维分布，通过材料表面温升情况判定损伤阈值。 3.1　仿真条件设定 2 红外凝视成像系统探测器的组件材料参数如 表1 表1 所示。由于HgCdTe材料的比热容、导热系数和吸收系数会随温度的升高而发生改变，故在此未列出，但模型中已引入。入射激光的波长为9.3 μm，脉冲宽度为100 ns，光波模式为TEM 00 模，探测器表面的光斑半径为60 μm。 参　数 数　值 密　度/（kg·m -3 ） 7 600 熔　点/K 993 熔化潜热/（J·g -1 ） 130 折射率 3.54 HgCdTe探测器组件模型分为4层，首先在CdZnTe层上生长一层HgCdTe晶体作为光敏元，然后焊接铟柱阵列，最上边是硅基，激光从下往上辐照。其中CdZnTe层厚50 μm，HgCdTe光敏层厚10 μm，In柱高10 μm，直径为20 μm，Si基厚50 μm。考虑到仿真效果与真实探测器的一致性，为了有效利用计算机资源，HgCdTe探测器模型采用11×11个像素元 ［ 18 18 ］ 。制冷环境温度设置为77 K。具体模型参见 图1 图1 。 采用三节点三角形对模型进行网格剖分，三角形单元对复杂几何轮廓有较强的适应能力，很容易通过增加三角形网格数量来精确地逼近复杂的几何边界。光斑处参数如下：最大单元尺寸为0.5 μm，最小单元尺寸为0.002 μm，最大单元生长率为1.1。网格剖分效果如 图2 图2 和 图3 图3 所示。 3.2　9.3 μm激光损伤仿真结果 2 以HgCdTe材料表面和中心温度达到熔点时激光的功率密度和能量密度作为损伤阈值的判定范围进行仿真实验。 激光辐照1 μs时，HgCdTe表面处的温度变化曲线如 图4 图4 所示，内部温度的分布情况如 图5 图5 和 图 6 图 6 所示。经计算，脉冲宽度为100 ns，激光功率密度达到0.54×10 7 W/cm 2 时，光斑中心距离铟柱1 μm处的HgCdTe材料温度达到熔点。此时激光能量密度为0.54 J/cm 2 。 激光辐照4 μs时，激光功率密度提高到1.1×10 7 W/cm 2 ，对应的激光能量密度为1.1 J/cm 2 时，HgCdTe中心处达到熔点。 图7 图7 显示了9.3 μm激光辐照下HgCdTe材料中心处温度随时间的变化，在4 μs处温度达到极值。 图8 图8 和 图9 图9 分别显示了9.3 μm激光辐照在4 μs时探测器内部的温度分布，同样可以看到温度最高区域处于HgCdTe下层。 分别以材料表面、材料中心达到熔点作为损伤阈值判据，计算得到仿真状态下HgCdTe的损伤功率密度为0.54×10 7 ~1.1×10 7 W/cm 2 ，损伤能量密度为0.54~1.1 J/cm 2 。 4 外场实验及结果分析 1 在理论分析与仿真计算基础上，为实际测量CO 2 激光对红外凝视成像系统探测器组件的损伤阈值，开展了外场实验。 4.1　实验条件及设备 2 CO 2 激光发射与受试设备两者点对点的距离为11.237 km，高程差为18 m。红外凝视成像系统探测器组件受试设备采用制冷型面阵长波红外成像系统，包括两个可以替换的光学镜头，具体参数见 表2 表2 。 口径/mm 透过率 F 数 Ф 50 0.80@9.3 μm F /2 Ф 100 0.81@9.3 μm F /2 受试设备制冷型长波红外器件材料为HgCdTe，分辨率为320×256，像元尺寸为30 μm，光谱响应波段为7.7~9.5 μm，噪声等效功率为27 mK，经长春光机所光学中心检测为28 mK。 激光远场能量测试设备采用Newport公司生产的818E型能量计，其量程下限可达为1 μJ，光谱响应范围为0.19~25 μm，测量精度为3%。为提高远场能量测量精度，在能量计接收孔径前加装了口径为 Ф 100 mm的长波红外镜头，9.3 μm激光的透过率为0.77。 气象测量中使用了两种大气参数测量设备，一是WXT520维萨拉气象传感器，每隔5 s记录一次大气温度和相对湿度，二是Belfort Model 6000能见度传感器，用于获得实时的大气能见度。 4.2　损伤实验结果 2 为准确获得激光对长波红外相机的损伤阈值，通过加装衰减片及孔径光阑对激光入瞳能量进行控制，最终观察到长波红外相机6次不同程度的损伤情况。 序号 重频/Hz 发射时间 镜头口径/mm 帧频/（frame·s -1 ） 积分时间/μs 1 100 5 Ф 50 100 300 2 100 2 Ф 50 50 300 3 100 5 Ф 50 50 300 4 300 3 Ф 50 50 300 5 500 3 Ф 50 50 300 6 100 2 Ф 100 50 300 光源为9.3 μm的长波红外激光，可以调整的变量有激光输出重频以及激光发射时间。靶材端通过调整镜头的口径，开展不同焦距下的损伤实验。探测器端通过调整帧频探究激光对长波红外凝视成像系统探测器组件的损伤情况。 4.3　损伤阈值分析 2 损伤阈值计算主要受激光远场能量测量精度以及到靶光斑尺寸取值的影响。其中，远场激光能量测量误差约为3%，实际到靶光斑尺寸难以精确测量，计算时根据实测镜头光学传递函数估算；采用 Φ 50 mm镜头时，光斑半径约为1.5~2.0倍衍射限，误差为12.5%；采用 Φ 100 mm镜头时，到靶光斑半径约为1.2~1.3倍衍射限，误差为7%。因此，综合误差分别为20%，31%。 实验结果表明，在9.3 μm激光重频为100，300，500 Hz，激光到靶的能量密度为0.54~2.48 J/cm 2 的条件下出现了多像元损伤现象。根据实验数据处理原则，大部分损伤情况发生在入瞳能量为170 μJ以上，剔除离散性较大的数据，可认为170 μJ为损伤发生的入瞳能量，对应到靶激光能量为176.67 μJ，按激光在靶面上形成的光斑尺寸为58.5~90 μm计算，对应的激光能量密度为0.69~1.23 J/cm 2 ，可作为9.3 μm激光的损伤阈值。 5 结　论 1 本文提出了通过有限元理论求解激光损伤HgCdTe探测器方法，对比经典的一维无限大模型和有限元模型仿真得到的损伤阈值结果，实验得到的9.3 μm激光损伤阈值0.69~1.23 J/cm 2 与有限元仿真数值计算结果0.54~1.1 J/cm 2 较为符合，验证了该方法及研究模型的合理性，为之后开展其他波长，脉宽和重频效应研究提供了良好的仿真研究平台。该实验结果对研究长波红外激光损伤HgCdTe红外探测器有较高的参考价值。 参考文献 LEI W ， ANTOSZEWSKI J ， FARAONE L.Progress ， challenges ， and opportunities for HgCdTe infrared materials and 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