面阵CCD相机的飞秒激光损伤分析

研究了飞秒激光对CCD相机的干扰和损伤效应。采用波长为800 nm,脉宽为100 fs,单脉冲能量为500μJ的脉冲激光辐照行间转移型面阵CCD相机,测量了飞秒激光对CCD相机的损伤阈值。在逐步提高到达CCD靶面能量的过程中观察点损伤、线损伤和全靶面损伤等实验现象,得到了点损伤阈值为151.2 mJ/cm2,线损伤阈值为508.2 mJ/cm2,全靶面损伤阈值为5.91 J/cm2。测量了CCD在不同损伤情况下时钟信号线间及其与地间的电阻值,通过对比CCD损伤前后的电阻值,发现线损伤和全靶面损伤时CCD垂直转移时钟线间及其与地间的电阻值明显变小。最后分析讨论了损伤部位和损伤机理。     

532 nm脉冲激光辐照CCD实验研究

采用532 nm,10 ns的脉冲激光对面阵CCD进行辐照实验,对每一阶段的实验现象和电路层面的破坏机理进行了深入分析,根据实验现象,把脉冲激光对CCD的硬破坏分为3个阶段：第1阶段在低能量密度激光辐照下,被破坏的CCD局部出现无法恢复的白色盲点,但其它部分仍可正常成像;第2阶段CCD探测器受到激光辐照后,在光斑处的时钟线方向出现白色竖直亮线,亮线处无法正常成像且激光辐照撤去后无法恢复;第3阶段受高能量密度激光辐照后,CCD完全失效,无法恢复成像。针对CCD的饱和及恢复阶段,利用Matlab编码对分辨力靶板的成像数据进行处理,分析了激光辐照CCD对饱和像元数和对比度的影响。结果表明：当CCD受到激光辐照时,饱和像元数迅速增多,图像对比度迅速下降为零,激光脉冲消失后,整个CCD成像亮度下降,饱和像元数迅速下降为零,经过一段时间后CCD又恢复至线性工作状态,激光的能量密度越高,CCD恢复所需的时间就越长。研究还发现：当恢复时间超过0.6 s,CCD出现不可恢复的白色条带,严重影响成像质量。     

多波长拉曼激光对CCD损伤实验研究

本文开展了多波长纳秒脉冲拉曼激光对行间转移CCD相机的损伤实验。分别研究了496 nm、574 nm、630 nm单波长拉曼激光与混合输出的多波长拉曼激光对CCD的点损伤、线损伤和面损伤情况,测量了不同波长拉曼激光的损伤阈值区间,并根据损伤情况统计拟合,获得了不同波长拉曼激光能量与损伤概率的关系曲线。实验结果表明：混合波长拉曼激光对CCD的损伤阈值低于单波长拉曼激光的损伤阈值,不同波长拉曼激光对于CCD的损伤阈值也存在区别,其中630 nm拉曼激光的损伤阈值低于496 nm激光,574 nm激光的损伤阈值介于496 nm和630 nm拉曼激光之间。在此基础上,通过分析CCD不同损伤情况的显微图像,以及受损伤CCD的电子学特性,对拉曼激光损伤CCD的机理进行了探讨。     

纳秒脉冲激光诱导CCD探测器铝层金属液-固相变时间特性研究

从理论仿真计算方面开展了脉冲激光诱导CCD探测器铝层金属温升变化的液-固相变时间特性研究。通过傅里叶热传导方程计算仿真了纳秒激光诱导CCD探测器铝层金属材料的温升曲线,获得了铝层金属材料液-固相变起始时刻和液-固相变时间长度随激光脉冲峰值功率和激光入射角度的变化规律。理论计算结果表明,随着入射激光脉冲峰值功率增加,激光诱导CCD探测器铝层表面的最高温度逐渐升高,铝层材料的液-固相变起始时刻往后延迟,且液-固相变时间长度增加;随激光入射角度的增大,铝层表面的最高温度逐渐降低,液-固相变起始时刻不断前移,而液-固相变时间长度逐渐变短。研究结果表明,激光脉冲峰值功率密度和激光入射角对激光诱导CCD探测器的液-固相变时间特性有重要影响,对揭示纳秒激光诱导CCD探测器的热损伤机制有重要的理论意义。     

CCD损伤进程中光学成像系统激光 猫眼回波实验研究

建立了猫眼回波探测成像光学系统损伤程度的实验系统,得到激光损伤CCD时猫眼回波峰值功率随辐照时间的变化曲线,分析了回波峰值功率的变化机理,并据此建立回波峰值功率变化与CCD损伤程度之间的联系.研究表明,受CCD不同损伤区域的反射率及粗糙度差异的影响,猫眼回波峰值功率随CCD损伤程度的加深呈现先显著上升再迅速下降的变化规律,实际应用时可通过探测CCD猫眼回波强度的变化,再依据此规律来推断CCD各层结构的损伤状态.     

CCD在fs激光辐照下的损伤研究

用脉宽为60 fs、波长为800 nm的 fs激光辐照电荷耦合器件,研究了电荷耦合器件在fs激光作用下的失效问题。实验得到fs激光作用下电荷耦合器件的失效阈值为4.22×10－3 J/cm2。这比ns激光作用下电荷耦合器件的损伤阈值低2～3个量级。对该器件进行显微观测,在光敏元上没有发现损伤,但在器件的栅极上发现了明显的激光引起的损伤痕迹。     

CCD在fs激光辐照下的损伤研究

 用脉宽为60 fs、波长为800 nm的 fs激光辐照电荷耦合器件,研究了电荷耦合器件在fs激光作用下的失效问题。实验得到fs激光作用下电荷耦合器件的失效阈值为4.22×10^－3 J/cm²。这比ns激光作用下电荷耦合器件的损伤阈值低2～3个量级。对该器件进行显微观测,在光敏元上没有发现损伤,但在器件的栅极上发现了明显的激光引起的损伤痕迹。     

激光等离子体温度时间演化特性

 用脉冲CO₂激光的10.6 μm光束击穿空气产生等离子体,使用光谱仪和ICCD采集等离子体辐射光谱,在局部热力学平衡近似下,利用相对谱线强度法对激光等离子体温度进行了计算。当激光器单脉冲能量为35 J时,选择NⅡ399.5 nm和NⅡ500.5 nm两条线状谱的相对谱线强度计算了不同延迟时间下等离子体温度。实验结果表明:在等离子体的不同位置,等离子体温度均随时间经历了明显的上升到饱和再到下降的过程,等离子体前沿的温度最先达到饱和,距离靶面最近的位置温度达到饱和所需时间最长。     

激光等离子体温度时间演化特性

用脉冲CO2激光的10.6 μm光束击穿空气产生等离子体,使用光谱仪和ICCD采集等离子体辐射光谱,在局部热力学平衡近似下,利用相对谱线强度法对激光等离子体温度进行了计算。当激光器单脉冲能量为35 J时,选择NⅡ399.5 nm和NⅡ500.5 nm两条线状谱的相对谱线强度计算了不同延迟时间下等离子体温度。实验结果表明:在等离子体的不同位置,等离子体温度均随时间经历了明显的上升到饱和再到下降的过程,等离子体前沿的温度最先达到饱和,距离靶面最近的位置温度达到饱和所需时间最长。     

窄带干涉滤光片抗击不同输出方式激光的损伤特性研究

利用Nd∶YAG调Q单脉冲激光和自由脉冲激光对硬膜窄带干涉滤光片进行激光损伤阈值的测试,并且采用表面热透镜技术测量了滤光片的吸收率。实验发现:窄带干涉滤光片的吸收率和激光损伤阈值强烈依赖于辐照激光波长与窄带干涉滤光片通带的相对位置;在调Q单脉冲激光作用下,不同中心波长的滤光片损伤形貌存在明显的差别,而在自由脉冲激光作用下,各滤光片的损伤形貌则趋于相同,均表现为典型的热熔烧蚀破坏。根据实验结果,结合损伤形貌,通过驻波场理论对激光作用下滤光片内电场分布的分析与模拟,探讨了两种激光模式作用下滤光片的损伤特征和损伤机理的不同特点。     

窄带干涉滤光片抗击不同输出方式激光的损伤特性研究

利用Nd∶YAG调Q单脉冲激光和自由脉冲激光对硬膜窄带干涉滤光片进行激光损伤阈值的测试,并且采用表面热透镜技术测量了滤光片的吸收率。实验发现：窄带干涉滤光片的吸收率和激光损伤阈值强烈依赖于辐照激光波长与窄带干涉滤光片通带的相对位置;在调Q单脉冲激光作用下,不同中心波长的滤光片损伤形貌存在明显的差别,而在自由脉冲激光作用下,各滤光片的损伤形貌则趋于相同,均表现为典型的热熔烧蚀破坏。根据实验结果,结合损伤形貌,通过驻波场理论对激光作用下滤光片内电场分布的分析与模拟,探讨了两种激光模式作用下滤光片的损伤特征和损伤机理的不同特点。     

500 fs超短脉冲激光对CCD探测器的破坏效应

 采用脉宽500 fs,脉冲能量250 μJ的超短脉冲激光辐照线阵CCD探测器,观察到了CCD从线性响应到像元饱和、饱和串音直至硬损伤的整个过程,并着重对两种辐照能量密度下的硬损伤机理进行了理论分析。结果表明：激光能量密度为0.45 μJ/cm²时,达到像元饱和;能量密度为0.14 J/cm²时,辐照6个脉冲后实现了CCD器件的硬损伤,硬损伤源于晶格被加热并汽化形成等离子体;能量密度为1.41 J/cm²时,单个脉冲就使CCD器件的输出波形无法辨认,2个脉冲后CCD器件没有任何信号输出,硬破坏源于电荷分离形成的电场库仑力。     

激光大气等离子体时间演化特性的光谱研究

采用延时光谱法和谱线演化法 ,对YAG脉冲激光器 1 0 6 μm光束击穿一个大气压的空气所产生的等离子体进行了时间分辨光谱研究。对激光大气等离子体连续光谱的短波带与长波带分别进行了时间分辨测量 ,结果表明两者的衰变速率均在等离子体激发约 0 5微秒以后明显变慢。分析认为这种衰变速率的变慢可能与空气中氧对自由电子的吸附与去吸附有关。对激光大气等离子体线状光谱所作的时间分辨测量则表明 ,大部分线状光谱的演化寿命大于其标称寿命 ,部分线状光谱还呈现“衰变—增涨—衰变”的复杂形式。分析认为线状光谱的这些演化特征可能与等离子体在衰变期间的各种复合过程和能量转移过程有关。     

红外光电探测器的激光损伤分析

分析了国内外有关红外光电探测器激光损伤阈值的大量测量数据。讨论了激光损伤探测器的机理以及目前尚未解决的问题。比较了高重复频率脉冲激光和连续波激光对探测器的损伤效果。分析表明 ,在相同平均功率的条件下 ,高重复频率脉冲激光与连续波激光相比 ,探测器损伤效果前者要比后者大得多     

激光诱导Pb等离子体光谱的时间演化特性

用 Nd:YAG脉冲激光器产生的1.06 μm激光在空气中烧蚀金属Pb靶产生等离子体,并观测了其时间分辨的发射光谱. 依据光谱线波长、相对强度等参数估算了不同延迟时间等离子体的电子温度;由PbI线的Stark加宽计算得到等离子体的电子密度;讨论了电子温度和电子密度的时间分布特征. 电子温度平均为14500 K、电子密度达到1017 cm-3. 从等离子体产生、发展机制的角度定性探讨了电子温度和电子密度的时间分布特征.     

激光诱导Pb等离子体光谱的时间演化特性

用 Nd:YAG脉冲激光器产生的1.06 μm激光在空气中烧蚀金属Pb靶产生等离子体,并观测了其时间分辨的发射光谱. 依据光谱线波长、相对强度等参数估算了不同延迟时间等离子体的电子温度;由PbI线的Stark加宽计算得到等离子体的电子密度;讨论了电子温度和电子密度的时间分布特征. 电子温度平均为14500 K、电子密度达到1017 cm-3. 从等离子体产生、发展机制的角度定性探讨了电子温度和电子密度的时间分布特征.     

熔石英光学材料紫外皮秒激光损伤的瞬态特性研究

光学元件激光损伤是限制高功率激光装置输出能力的关键因素,为了理解光学元件激光损伤过程,提高光学元件抗激光损伤性能,利用偏振阴影显微镜成像技术和光电探测技术研究了紫外皮秒激光诱使熔石英光学元件损伤的时间分辨动力学过程。结果显示了紫外皮秒激光作用过程中冲击应力波的传输特性、瞬态吸收的演变过程以及裂缝的发展过程。结果表明,冲击应力波的传输速度约为6.9μm/ns;532nm波长的激光瞬态吸收在激光作用之后2.5μs时激光吸收达到最大值,之后缓慢下降,整个持续时间可达50μs以上;损伤裂纹在7.5ns时刻就基本停止增长。研究结果对理解皮秒激光的损伤机制有重要意义。     

激光诱导Ti等离子体光谱的时间演化特性研究

利用Nd:YAG激光器产生的1064 nm、10 ns脉冲激光聚焦在空气中的Ti靶,观测了激光诱导Ti等离子体发射光谱.调节激光能量为45 mJ/pulse,分析了时间范围在0到4000 ns的时间分辨发射光谱和谱线轮廓以及展宽.在局部热力学平衡(LTE)条件下,利用Saha-boltzmann图法拟合电子温度,Saha方程计算电子密度,讨论了等离子体电子温度和电子密度随时间的演化规律.结果表明,在所讨论的时间范围内,谱线的强度在延时250 ns处达到最大,250 ns后随着延迟时间的增加减小,电子密度和电子温度在延时1000 ns内快速衰减,1000 ns后衰减速度变慢.     

不同光照条件下CCD相机时间噪声和空间噪声的研究

在用CCD相机进行目标探测时,多数情况下目标的背景具有一定的照度,这个照度会对探测结果产生影响。为了了解背景对探测结果的影响,通过建立CCD相机三维噪声模型及其测试系统,在不同光照条件下对CCD相机的时间噪声和空间噪声进行了测量与分析。给出了测试系统的结构框图和部分测试结果,得到了对CCD输出质量产生主要影响的噪声以及时间噪声和空间噪声随光照度变化的规律。测试结果表明：随着CCD相机光敏面光照度的提高,空间噪声和时间噪声均升高,符合CCD相机的实际性能。     

激光对面阵CCD器件破坏的一种新机理

 用波长为1 064 nm、脉宽为5 ms的激光辐照SONY ICX055BL可见光硅CCD器件,实验中由图像采集卡采集得到相机的视频输出,同时用示波器检测ICX055BL的输出信号和垂直输出时钟信号。结果表明,在脉冲激光的辐照下,器件比较容易被破坏。研究中将器件作为一个功能整体,破坏机理分析不只局限于CCD的探测、电荷存储、电荷转移的MOS结构部分。结合实验结果和CCD器件的电路特点,初步判断该器件的破坏机理为电路破坏,脉冲激光所产生的信号电荷冲坏了复位的场效应管,使器件整体永久失效。