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电荷耦合器件(charge-coupled devices, CCD)以其体积小、重量轻、灵敏度高等优点，在摄像、探测、勘察等领域得到广泛的应用。CCD按其电荷转移方式可分为：帧转移型、行间转移型和帧行间转移型3种。其中以行间转移型CCD应用最为普遍。由于CCD在与激光配合使用的过程中易受激光的干扰而产生不利的影响，因此, CCD在激光作用下的损伤效应研究具有十分重要的意义。
早在1989年，美国就开始了脉冲激光引起CCD功能退化及破坏问题的研究[1-4]，可是相关研究内容主要集中于纳秒脉冲激光辐照CCD的损伤形态分析。而国内的相关研究工作开始于20世纪90年代，包括激光对CCD的破坏阈值研究[5]、光饱和串扰现象[6-9]等。近年来，国内外学者进一步展开了不同参量的激光对CCD探测器损伤效应的研究，并针对CCD在激光辐照作用下的损伤机理进行了详尽分析，但其关注点主要集中于短脉冲激光[10]、连续激光[11]和高重频激光[12]对黑白CCD探测器的损伤研究，以及毫秒量级[13]脉冲激光对CCD探测器的热损伤仿真研究[14-16]。而关于毫秒脉冲激光辐照行间转移型彩色面阵CCD的损伤研究却非常少见。本文中针对行间转移型彩色面阵CCD在毫秒脉冲激光辐照作用下，视频图像出现的不可恢复“焦斑”及全屏雪花的现象进行了理论分析与实验研究，通过测量CCD在单脉冲激光作用下的受损面积及损伤深度，结合实验过程中CCD表面中心点的温度变化以及引脚阻抗值的变化，对CCD的损伤过程进行热应力分析，最终以理论计算和实验结果相结合的方法分析CCD的损伤原理。
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激光对CCD的损伤效应可分为软损伤和硬损伤。所谓软损伤是指探测器在激光作用下发生功能性退化或暂时失效，如光饱和、暗电流、电阻率降低等，光照停止后仍有信号输出。而硬损伤指的是器件局部或整体的结构发生了可观测的变化, 通常是不可逆的，如熔融、汽化、层裂等现象。
当脉宽为毫秒量级的长脉冲激光作用于硅基CCD光电探测器时，由于激光作用时间较长，所以CCD吸收激光的能量有足够的时间将其转化为热能。若激光的光斑尺寸远大于CCD内部的热传播深度x，且CCD表面的温度分布为高斯分布，假设κ为材料的热导率，I为光强，c为入射激光光速，λ为激光波长，t为激光作用时间，t0为热作用时间，γi为第i层材料的热容，则CCD第i层材料表面温度分布可表示为：
$ \begin{array}{l} T\left( {x, t} \right) = \frac{{2I}}{{c{\gamma _i}{{(4{\rm{ \mathsf{ π} }}\kappa )}^{3/2}}}} - \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{{\int_0^t {{\rm{exp}}\left( {\frac{{ - {x^2}}}{{4\kappa t}}} \right)dt} }}{{\sqrt t (t + {t_0})}} \end{array} $
(1) 此时，CCD表面中心点温度为：
$ {T_{\rm{m}}}(0, t) = \frac{{I{\rm{arctan}}\sqrt {t/{t_0}} }}{{{\rm{ \mathsf{ π} }}\lambda \sqrt {4{\rm{ \mathsf{ π} }}\kappa {t_0}} }} $
(2) 由(1)式和(2)式可以计算得出激光作用于CCD表面时的温度分布和表面中心点温度值。
行间转移型彩色面阵CCD的工作方式如图 1所示, 图中e为电荷。该CCD主要由光敏区、垂直移位寄存器、水平移位寄存器和输出放大器四部分组成，其中光敏区以多个CCD探测器的光敏单元(metal oxide semiconductor, MOS)电容排列组合而成，其结构剖面如图 2所示。微透镜层与彩色膜层(cyan, magenta, yellow, green, CMYG)作为CCD的表面材料位于光敏区上方；氮化硅、金属栅极和二氧化硅等材料沉积在N型硅基底上方，构成CCD的光敏区。光敏区接收外界光的照射后进行光电转换，然后通过移位寄存器对信号电荷进行存储和读出转移，最后通过其它结构或装置将电荷信号还原成图像信号。
Figure 1. Working mode of interline transfer CCD
Figure 2. Sectional view of CCD pixel structure
在激光辐照作用下，彩色面阵CCD吸收激光能量，会引起其内部材料不同程度的温升，产生熔融、气化、喷溅甚至断裂等现象。当微透镜和彩色膜层等表面材料发生熔融气化时，CCD表面会发生轻微形貌损伤；随着温度的升高，微透镜和彩色膜层达到气化点而缺失，使CCD受损区域深度达到光敏区，影响器件的光电转换；当温度达到硅基底熔点时，硅基底材料发生形变甚至断裂，内部移位寄存器受损，无法进行电荷的存储与转移，最终导致CCD无电荷信号输出，完全损坏。
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实验中采用Nd: YAG激光器作为激光光源，CCD为SONY公司生产的ICX405AK型彩色面阵CCD。
实验装置如图 3所示。其中Nd: YAG激光器，其输出激光波长为1064nm，激光能量范围为1J~10J，脉宽为1.5ms。经能量衰减器衰减后，由聚焦透镜聚焦然后辐照到CCD表面，通过1维平移台调节CCD的位置来调节辐照CCD激光光斑的大小。实验中，使用脉宽探头和能量计对激光脉宽和激光能量进行测量，采用点温仪对CCD中心温度进行测量，采用DG645触发器对激光器和点温仪进行同步触发。
Figure 3. Introduction to experimental instruments
CCD离线视频图像采集装置如图 4所示。该装置由CCD驱动电路、数据采集卡和电脑构成。而表面形态变化、复位时钟信号和阻抗值变化等其它实验结果，可通过自聚焦显微镜和万用表等测量。
Figure 4. Schematic diagram of CCD parameter testing device
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在激光束直径为5.3mm、重复频率为10Hz时，以激光能量密度分别为13.16J/cm2, 17.03J/cm2和23.49J/cm2的激光对CCD探测器进行辐照。由于CCD表面上方的光学窗口主要材料为K9玻璃，其对光有一定的折射作用，因此在实验结果测量过程中，对CCD进行去光窗处理，且在处理视频输出图像时，只考虑CCD对外界可见光的感应程度。
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实验中以激光能量密度为13.16J/cm2, 17.03J/cm2, 23.49J/cm2的单脉冲激光分别对CCD进行辐照，CCD表面中心点温度随时间的变化关系如图 5所示。表 1中为CCD各层材料的熔点和气化点。当激光能量密度为13.16J/cm2时，点温仪测得温度为737.52K，微透镜(有机玻璃(polymethyl methacrylate, PMMA))与彩色膜层达到熔点发生熔融，光敏区未受损，因此受损区域会发生褪色现象；当激光能量密度为17.03J/cm2时，温度为843.53K，微透镜与彩色膜层达到气化点，发生缺失现象，受损部位激光直接进入感光层，CCD受损区域失去光的颜色分辨能力；当激光能量密度增加到23.49J/cm2时，点温仪测得温度为1728.92K，多晶硅电极和N型硅基底达到熔点，发生短路现象，使CCD无信号输出。
Figure 5. Relationship between temperature and time with different laser energy densities
Table 1. The melting point and the gasification point of each layer of CCD material
material microlens PMMA color film CMYG Si3N4 wolfram polysilicon SiO2 N-Si melting point/K 513 429 2173 36830 1683 1923 1687 gasification point/K 670 795 — 6200 2628 2503 3173 -
实验中采用IFM G4自动变焦3维表面测量仪对损伤后的CCD表面面积及损伤深度进行离线测量，结果如表 2所示。其中损伤面积比为激光对CCD表面的受损面积与整个光敏面的面积之比。根据结果对比可以看出，激光能量密度越大，CCD的损伤面积比越大，损伤深度也越深。
Table 2. Surface topography of CCD under different laser energy densities
laser energy density/(J·cm-2) 13.17 17.03 23.49 the depth of damage/μm 13.38 17.56 23.79 the ratio of damage area/% 5.74 14.88 24.96 以单脉冲激光能量密度为17.03J/cm2为例，CCD在毫秒脉冲激光的作用下其表面损伤形貌变化如图 6所示。截取其中某一条线，如图 6c所示，观察CCD在截线上的高度分布：(1)焦斑边缘处向上凸起。这是由于微透镜与彩色膜层在激光热作用下发生熔融，产生向外的挤压力，激光作用停止后温度骤然下降，重新凝固的材料堆积在焦斑边缘处形成凸起；(2)灰白色区域向下凹陷。这是由于彩色膜层在激光热作用下达到气化点后脱离CCD表面，致使CCD表面材料缺失形成凹陷，光敏区材料露出；(3)中心部位向上凸起。这是由于激光热作用导致微透镜与彩色膜层发生溶液飞溅现象，光照停止后，未完全与CCD表面分离的材料重新凝固在CCD表面，形成凸起。
Figure 6. Surface damage morphology of CCD under the action of millisecond pulsed laser
由CCD的形貌损伤结果可以看出：CCD表面材料在激光热作用下发生熔融，产生烧蚀熔坑。当温度达到CCD表面材料的气化点时，表面材料发生喷溅、缺失现象，使感光层暴露。损伤深度进一步向下延伸，当熔坑达到硅基底内部一定深度时，CCD的电荷存储及转移功能将受到影响，相应区域无法进行光电转换。当激光能量密度达到23.49J/cm2时，硅基底内部移位寄存器受损，无信号输出，最终导致CCD完全损坏，无法工作。
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CCD视频输出图像结果如图 7所示。当单脉冲激光能量密度为13.17J/cm2时，视频图像出现了不规则圆形“焦斑”，且颜色发生改变，激光未照射区域对光有感应；当激光能量密度增加到17.03J/cm2时，焦斑面积增大且边缘颜色发生改变，中心区域颜色表现为白色，其它未照射区域对光仍有感应；当能量密度达到23.49J/cm2时，CCD输出图像为全屏黑白雪花且对光无感应，判定CCD为完全失效。因此，作者认为CCD的功能损伤阈值在23.49J/cm2左右。
Figure 7. Output images of CCD
从视频输出图像可以看出，CCD探测器在激光作用下表面焦斑颜色发生改变，结合CCD表面中心点温度变化可得出，彩色膜层在激光热作用下的熔融飞溅现象为焦斑颜色发生变化的主要原因。
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利用万用表对CCD的移位寄存器阻抗值与复位时钟信号进行测量，结果如表 3所示，V表示垂直引脚，H表示水平引脚，R表示复位时钟引脚。由表中数据可以看出：当激光能量密度为13.17J/cm2时，损伤后的CCD各引脚阻抗值均属于正常范围，所以CCD的垂直、水平移位寄存器和复位时钟信号并未受到破坏。当激光能量密度达到23.49J/cm2时，垂直移位寄存器的阻抗下降了一个数量级，所以可以认为，CCD的主要损伤原因为多晶硅电极在激光热作用下发生熔融，N型硅基底发生短路，漏电流增加，最终导致CCD的信号传输通道破坏，无法工作。
Table 3. Vertical and horizontal shift register impedance and reset clock signal for CCD detectors under different laser power densities when τ=1.5ms
serial number laser energy density/(J·cm-2) V1/MΩ V2/MΩ V3/MΩ V4/MΩ H1/MΩ H2/MΩ R/kΩ 1 13.16 3.62 1.47 3.63 1.41 1.18 1.46 96.6 2 17.03 3.47 1.24 3.52 1.23 1.13 1.12 96.5 3 23.49 4.6 1.35 4.6 1.38 0.45 0.39 96.6 -
对行间转移型彩色面阵CCD在毫秒脉冲激光辐照下的损伤效果进行了理论分析与实验研究，根据相关结果分析了毫秒量级单脉冲激光辐照行间转移型彩色面阵CCD的损伤原因，得到的结论如下:当激光能量密度未达到彩色面阵CCD的功能损伤阈值时，激光热作用仅对CCD的表面形貌产生影响，尤其是对微透镜和彩色膜层等表面材料影响较大，会导致其出现熔融、气化等现象；当激光能量密度达到CCD的功能损伤阈值时，此时CCD损伤深度增加，多晶硅电极熔融，与衬底发生短路，从而导致移位寄存器的阻抗值大幅度降低，产生漏电流，致使彩色面阵CCD无信号输出，无法工作。
毫秒脉冲激光损伤CCD探测器的实验研究
Experimental study about CCD detectors damaged by millisecond pulsed laser
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摘要: 为了研究行间转移型彩色面阵CCD在毫秒脉冲激光辐照下的损伤效果，采用实验研究的方法，测量了不同能量密度的激光作用下，CCD表面中心点温度、受损区域面积、深度及CCD内部复位时钟信号和阻抗值的变化，结合CCD输出图像中出现不可恢复的焦斑及黑白雪花现象，对彩色面阵CCD在毫秒脉冲激光作用下的损伤效果进行了分析。结果表明，在毫秒脉冲激光的辐照作用下，行间转移型彩色面阵CCD内部结构会产生不同程度的烧蚀，当能量密度达到23.49J/cm2时，烧蚀深度直达基底层，致使CCD内部信号传输通道断开，漏电流增加，最终造成CCD无信号输出，完全损坏。该研究对CCD探测器在强激光作用下的损伤效果研究是有帮助的。Abstract: In order to study damage effect of interline-transfer color CCD under millisecond pulsed laser irradiation, theoretical analysis and experimental study were carried out. The center temperature, damage area and depth on the CCD surface, the internal reset clock signal and impedance value of the CCD were measured under the action of laser beam with different energy densities. Combined with non-recoverable focal spot and black-white snowflake phenomena in the CCD output images, the damage effect of color plane array CCD irradiated by millisecond pulse laser was analyzed. The results show that the internal structure of the interline transfer color array CCD is damaged to different extents under the irradiation of millisecond pulsed laser. The ablation depth is direct to the basement layer with laser power intensity of 23.49J/cm2 so that the internal signal transmission channel of CCD is cut off and the leakage current is increased, and then, there is no signal output from the CCD, and the CCD is completely damaged. The study is helpful to study the damage effect of CCD detectors under intense laser.
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Key words:
- laser physics /
- morphological damage /
- thermal stress /
- CCD /
- millisecond pulsed laser
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Figure 5. Relationship between temperature and time with different laser energy densities
Figure 6. Surface damage morphology of CCD under the action of millisecond pulsed laser
a—damage map under the microscope b—the intercepting line c—height distribution of the intercepting line
Figure 7. Output images of CCD
a—0J/cm2, the unimpaired CCD b—13.17J/cm2, the irreversible focal spot c—17.03J/cm2, with the increases of focal spot size d—23.49J/cm2, the full-screen snowflakes
Table 1. The melting point and the gasification point of each layer of CCD material
material microlens PMMA color film CMYG Si3N4 wolfram polysilicon SiO2 N-Si melting point/K 513 429 2173 36830 1683 1923 1687 gasification point/K 670 795 — 6200 2628 2503 3173 
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Table 2. Surface topography of CCD under different laser energy densities
laser energy density/(J·cm-2) 13.17 17.03 23.49 the depth of damage/μm 13.38 17.56 23.79 the ratio of damage area/% 5.74 14.88 24.96
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Table 3. Vertical and horizontal shift register impedance and reset clock signal for CCD detectors under different laser power densities when τ=1.5ms
serial number laser energy density/(J·cm-2) V1/MΩ V2/MΩ V3/MΩ V4/MΩ H1/MΩ H2/MΩ R/kΩ 1 13.16 3.62 1.47 3.63 1.41 1.18 1.46 96.6 2 17.03 3.47 1.24 3.52 1.23 1.13 1.12 96.5 3 23.49 4.6 1.35 4.6 1.38 0.45 0.39 96.6
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图(7) / 表(3)
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