硅光电二极管激光损伤阈值随激光脉宽的变化
激光二极管的特性
激光二极管的特性1、伏安特性半导体激光器是半导体二极管，具有单向导电性，其伏安特性与二极管相同。
反向电阻大于正向电阻，可以通过用万用表测正反向电阻确定半导体激光二极管的极性及检查它的PN结好坏。
但在测量时必须用1k以下的档，用大量程档时，激光器二极管的电流太大，容易烧坏。
2、P—I特性激光二极管的出射光功率P与注入电流I的关系曲线称为P-I 曲线。
注入电流小于阈值电流I th时，激光器的输出功率P很小，为自发辐射的荧光，荧光的输出功率随注入电流的增加而缓慢增加。
注入电流大于Ith时，输出功率P随注入电流的增加而急剧增加，这时P—I曲线基本上是线性的。
当I再增大时，P—I曲线开始弯曲呈非线性，这是由于随着注入电流的增大，使结温上升，导致P增加的速度减慢。
判断阈值电流的方法：在P—I特性曲线中，激光输出段曲线的向下延长线与电流轴的交点为激光二极管的阈值电流。
3、光谱特性激光二极管的发射光谱由两个因素决定：谐振腔的参数，有源介质的增益曲线。
腔长L确定纵模间隔，宽W和高H决定横模性质。
如果W和H足够小，将只有单横模TEM00存在。
多模激光二极管在其中心波长附近呈现出多个峰值的光谱输出。
单纵模激光器只有一个峰值。
工作在阈值以上的1mm腔长的增益导引LD的典型发射光谱激光二极管是单模或多模还与泵浦电流有关。
折射率导引LD，在泵浦电流较小、输出光功率较小时为多模输出；在电流较大、输出光功率较大时则变为单模输出。
而增益导引LD，即使在高电流工作下仍为多模。
折射率导引激光器光谱随光功率的变化发射光谱随注入电流而变化。
I<It 发荧光，谱线很宽；I>It 发射激光，光谱突然变窄。
因此，从激光二极管发射光谱图上可以确定阈值电流。
当注入电流低于阈值电流时光谱很宽，当注入电流达到阈值电流时，光谱突然变窄，出现明显的峰值，此时的电流就是阈值电流。
I<It 自发辐射 I>It 激光辐射4、温度特性半导体激光器的阈值电流随温度的升高而增加，变化关系可表示为：)/exp()(0T T A T I th 式中0T 是衡量阈值电流th I 对温度变化敏感程度的参数——叫特征温度，取决于器件的材料和结构等因素，0T 值越大，表示th I 对温度变化越不敏感，器件的温度特性越好。
硅光电二极管的光谱响应测量及其响应时间研究
Modern Physics 现代物理, 2020, 10(5), 73-78Published Online September 2020 in Hans. /journal/mphttps:///10.12677/mp.2020.105008硅光电二极管的光谱响应测量及其响应时间研究曾丽娜，李林*，李再金，杨红，李功捷，赵志斌，李志波，乔忠良，曲轶，刘国军海南师范大学，物理与电子工程学院，海南省激光技术与光电功能材料重点实验室，海南海口收稿日期：2020年8月11日；录用日期：2020年8月27日；发布日期：2020年9月3日摘要在气流和温度稳定，卤素灯照明为背景光的环境下，当硅光电二极管未达到最大响应时测量了硅光电二极管对入射光波长为400 nm至1050 nm的光谱响应。
分析了硅光电二极管的光谱响应的影响条件和硅光电二极管的光谱响应规律。
在测光电路中采用不同的负载电阻和偏置电压测试硅光电二极管的响应时间，解释了硅光电二极管的物理特性。
关键词硅光电二极管，光谱响应，时间响应Study on Measurement of Spectral Response and Response Time of Silicon PhotodiodesLina Zeng, Lin Li*, Zaijin Li, Hong Yang, Gongjie Li, Zhibin Zhao, Zhibo Li, Zhongliang Qiao, Yi Qu, Guojun LiuKey Laboratory of Laser Technology and Optoelectronic Functional Materials of Hainan Province, College of Physics and Electronic Engineering, Hainan Normal University, Haikou HainanReceived: Aug. 11th, 2020; accepted: Aug. 27th, 2020; published: Sep. 3rd, 2020AbstractThe spectral response of Silicon photodiodes with incident light wavelengths of 400 nm to 1050 nm is measured when Silicon photodiodes do not reach maximum response in the background *通讯作者。
皮秒砷化镓薄膜损伤阈值
皮秒砷化镓薄膜损伤阈值砷化镓（GaAs）薄膜是一种重要的半导体材料，广泛应用于光电子器件和集成电路中。
然而，在一些特殊情况下，砷化镓薄膜可能会遭受损伤，这给器件的性能和可靠性带来了挑战。
因此，研究砷化镓薄膜的损伤阈值成为了研究的热点之一。
皮秒激光是一种脉冲宽度在皮秒量级（1皮秒=10的负12次方秒）的激光。
在砷化镓薄膜的研究中，人们发现皮秒激光可以对砷化镓薄膜产生显著的损伤效应。
而皮秒砷化镓薄膜损伤阈值则是指在皮秒激光作用下，砷化镓薄膜开始出现损伤的最低能量密度。
砷化镓材料具有很高的吸收系数和热导率，这使得其在受到激光辐照时会产生较大的光吸收和热传导效应。
当皮秒激光照射到砷化镓薄膜表面时，光能会被吸收并转化为热能，导致薄膜温度升高。
当温度升高到一定程度时，砷化镓薄膜会发生相变或熔化，并最终导致损伤。
砷化镓薄膜损伤阈值的研究可以帮助人们了解砷化镓薄膜在不同激光作用下的损伤特性，从而指导光电子器件和集成电路的设计和制造。
因此，许多研究人员已经对砷化镓薄膜的损伤阈值进行了深入的研究。
研究发现，砷化镓薄膜的损伤阈值受到多种因素的影响。
首先，激光的能量密度是影响损伤阈值的重要因素之一。
当激光能量密度较低时，砷化镓薄膜仅受到轻微的热效应，不会发生损伤。
随着能量密度的增加，薄膜表面会出现微小的损伤，如烧孔或裂纹。
当能量密度进一步增加时，损伤的范围和程度也会随之增加。
激光的脉冲宽度对损伤阈值也有一定的影响。
研究表明，当激光的脉冲宽度较长时，砷化镓薄膜可以更好地承受激光的作用，损伤阈值相对较高。
而当脉冲宽度变短至皮秒量级时，激光能量更容易聚焦在砷化镓薄膜上，导致损伤阈值降低。
砷化镓薄膜的厚度和晶格缺陷等因素也会影响损伤阈值。
研究表明，砷化镓薄膜的厚度较大时，可以承受更高能量密度的激光作用而不发生损伤。
而晶格缺陷等缺陷会导致砷化镓薄膜的光吸收和热传导性能发生变化，进而影响损伤阈值。
为了准确测量砷化镓薄膜的损伤阈值，研究人员通常使用光学显微镜、扫描电子显微镜等工具对薄膜表面进行观察和分析。
DOE的损伤阈值
DOE的损伤阈值衍射光学元件简称为DOE，目前在高端激光加工设备中的应用越来越普遍，能够现实极佳的光学加工效果。
随着激光技术的发展，商用激光器功率不断增加，许多系统集成商和用户担心，衍射光学元件（DOE）可能无法承受这么高的功率。
因此，激光损伤阈值（LIDT 或LDT，laser induced damage threshold）的参数是选择光学元件时重要的参数之一。
激光器覆盖了很宽的波长范围内（从紫外到远红外）和时间范围（超快到持续波），不同的激光对应不同的损伤原理。
超短脉冲（t <0.5 [ns]）纳秒脉冲（0.5 [ns] <t <100 [ns]）连续波（CW）（t> 1 [μs]）损伤类型介电击穿介电击穿材料过热，导致化学降解雪崩电离·对于高脉冲重复率，可能会出现热效应，类似于CW光束。
在实际应用中，有三个主要影响激光损伤阈值LDT的因素。
1）制造工艺- 原材料和制造过程中的缺陷。
选择具有高光学质量（表面质量20-10 Scratch-Dig或更好的熔融石英）的基片。
整个制造过程在洁净无尘的实验室中，还会对每个元件进行缺陷检查。
2）镀膜层- AR镀膜层中的污染物。
使用具有高QA的离子辅助沉积（IAD）抗反射（AR）膜层。
3）使用- 热恢复期，元件的使用环境以及清洁和维护方式。
Holo/Or制定了安全使用和清洁的协议，以及彻底的LDT测试（参见下面的示例）。
衍射光学元件DOE的激光损伤阈值测试（LASHARE EU project）实验方法：在实际生产环境中（非洁净室）用激光照射DOE的8个不同位置，并持续增加每一束激光的功率，如果镜片表面没有损伤，则表示当前功率密度在损伤阈值之下，一旦出现打坏的情况则说明此时超过了损伤阈值。
测试流程：波长1030 [nm]重复频率800 [kHz]脉宽 6 [ps]空间脉冲形状高斯光时间脉冲形状高斯光照射持续时间30 [s]照射位置P. 1, …, 8每个位置P的照射间隔 5 [s]每个位置P之间的距离~1 [mm]焦点直径（表面）70 [um]重复实验次数 5用于测试的DOE参数：材料：紫外熔融石英表面质量：20-10 Scratch-Dig（或更好）镀膜性能：Ravg <0.2％DOE的镀膜类型这里准备了三组不同的DOE进行测试，无增透膜、单面镀膜（非衍射面）和双面镀增透膜。
激光对光学多孔薄膜的损伤机理
激光对光学多孔薄膜的损伤机理黎咏清材料复合新技术国家重点实验室指导老师：朱明教授摘要本文综合目前已发的相关文献和出版书籍，对不同脉宽的激光辐射到光学薄膜上发生的热损伤机理作了简要的综合性阐述。
总而言之，不论是本征吸收还是由于多光子吸收或场击穿后产生等离子体带来的非线性吸收，他们最终的效果都是以热的形式表现出来，从而导致局部温升，带来相应的局部应力变化，最后再通过热力耦合作用导致光学薄膜的形变和最终损坏。
一引言激光、原子能、半导体和计算机一起被称为20世纪的四项重大发明。
四十年来，以激光器为基础的激光技术已被广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科学研究等各个领域，并取得了很好的经济效益和社会效益。
在激光技术的发展中，光学薄膜在其中扮演着重要的角色，可以说没有一个光学系统能够离开光学薄膜而独立存在；与此同时，光学薄膜也是激光系统中最为薄弱的环节之一。
伴随着激光核聚变的提出和高功率激光系统的建立，更深层次的应用对光学薄膜的抗激光损伤性能提出了越来越高的要求。
一旦光学薄膜出现损坏，哪怕是极小的瑕疵，都会导致输出光束的质量下降，严重时将引起整个系统的瘫痪。
根据热工工程课程自身特点以及本人在硕士研究生学习期间从事的研究方向，本文将主要从激光对光学薄膜的热损伤机理来进行综述式的阐述。
二激光与光学薄膜系统2.1 激光简介激光具有高方向性、高亮度、单色性好、高相干性等特点。
（传感器与检测技术余志根主编北京：科学出版社196-197）如上图所示为激光产生机理的示意图，假如电子处于高能太E2，然后跃迁到低能态K1，则它以辐射形式发出能量。
可以有两种途径：一是电子无规则地转变到低能态，称为自发发射；二是一个具有能量等于两能级间能量差的光子与处于高能态的电子作用，使电子转到低能态，同时产生第二个光子，这一过程称为受激发射，即用一个光子去激发位于高能级的电子使之放出光子，受激发射产生的光就是激光。
用于激光防护的二氧化钒薄膜研究
华中科技大学硕士学位论文摘要近年来，激光战术战略武器得到了迅速发展，激光致盲武器作为战术激光武器的一种，不仅可以干扰对方光电系统的正常工作，也能使士兵暂时性失明，受到了各国军方的重视，对激光防护材料的研究也就显得越来越重要。
二氧化钒（VO2）作为一种典型的相变材料，在68℃时会发生金属-半导体相变（metal-to-insulator transition, MIT），相变前后伴随着明显的光学与电学性能的变化，其中红外透过率由低温态的高透过率转变为高温态的高反射率，且具有低的相变阈值与高的损伤阈值，满足了激光防护的基本要求，因而被认为是新型激光防护智能材料。
本文围绕VO2在红外波段的激光防护和提高其可见光透过率两个方面进行了研究。
本论文的主要工作如下：1.详细分析了VO2的相变原理与激光防护理论，引入Drude模型与Lorentz模型研究了VO2的光学常数，基于等效介质理论分析了VO2纳米孔洞薄膜的光学特性，为后续仿真和实验提供了理论基本。
2.分别用膜系仿真软件TFCalc与光器件仿真软件FDTD Solutions对VO2连续薄膜与孔洞薄膜进行了仿真，为实验提供了方向性指导。
3.优化了反应离子束溅射制备VO2薄膜的工艺参数，获得了性能较好的VO2薄膜。
分析了后退火工艺对薄膜质量的影响，获得了最佳退火温度。
4.采用半导体工艺中的紫外光刻与ICP刻蚀技术制备了VO2孔洞薄膜，探索了工艺流程与参数。
5.采用多种激光器测试了VO2薄膜的相变阈值与激光损伤阈值。
6.用硅光电池作为靶子，进行了VO2薄膜的激光防护实验。
关键词：VO2薄膜离子束溅射VO2孔洞薄膜半导体工艺激光防护华中科技大学硕士学位论文AbstractThe rapid developing laser weapons are playing important role in modern wars. As one of the tactical weapon, laser blind jamming can not only disturb the regular function of the photoelectric devices but also blind soldiers temporarily, that cause the attention of the military, so the research on laser protective materials is becoming more and more important.As a typical phase transition material, vanadium dioxide(VO2) demonstrates sharp metal to insulator transition(MIT) at 68 degrees, accompanying with abrupt changes in the optical and electrical properties. The infrared transmittance would be transformed from a high transmittance at low temperature state to high reflectance at high temperature state, with low phase transition threshold and high damage threshold, VO2meets the basic requirement of laser protection and is considered as a new intelligent material for laser protection. This thesis studies the laser protection of VO2in infrared band and the enhancement of its visible light transmittance.The main contents of this thesis are as follows.1.The phase transition mechanism and laser protection theory have been brieflyanalyzed. By introducing Drude model and Lorentz model, we studied the optical constant of VO2. Based on effective medium theory, we analyzed the optical properties of vanadium dioxide nanogrid films, that provided the theoretical basic for the subsequent simulations and experiments.2.The TFCalc coating design software and optical devices simulation software FDTDSolutions were used to simulate the continuous film and nanogrid film, providing a directional guidance for the experiments.3.The parameters of reactive ion beam sputtering to fabricate VO2film wereoptimized and high quality films were obtained. Also the influence of post-annealing process on the quality of the film was studied, and the optimal annealing temperature was obtained.华中科技大学硕士学位论文4.VO2microgrid films were prepared by semiconductor technology such as UVlithography and ICP etching, the parameters of the process were explored.5.The phase transition threshold and laser damage threshold of the film were testedwith different kind of lasers.6.With the silicon photocell as the target, the laser protection experiment of VO2 filmswere carried out.keywords：VO2film reactive ion beam sputtering VO2nanogrid film semiconductor technology laser protection华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)1绪论课题背景 (1)研究的目的和意义 (1)国内外概况分析 (3)二氧化钒基本性质与应用 (4)激光防护方案 (7)本课题主要研究内容和创新点 (9)2VO2激光防护理论分析VO2相变原理 (10)VO2激光防护原理 (11)等效介质理论 (13)本章小结 (14)3VO2膜系仿真设计软件介绍 (15)VO2光学常数仿真计算 (17)本章小结 (26)4VO2薄膜的制备华中科技大学硕士学位论文VO2的制备工艺 (27)离子束溅射制备VO2薄膜 (29)孔洞薄膜的制备 (33)本章小结 (42)5薄膜表征与性能测试VO2薄膜性能测试 (43)VO2孔洞薄膜性能测试 (49)本章小结 (50)6VO2薄膜在激光防护中的应用激光防护中VO2薄膜相变阈值 (51)激光防护中VO2薄膜破坏阈值 (55)硅光电池防护实验 (56)VO2薄膜中红外开关率测试 (58)VO2薄膜响应时间测试初步探索 (59)本章小结 (60)7总结与展望总结 (62)展望 (63)致谢 (64)参考文献 (65)华中科技大学硕士学位论文附录攻读学位期间发表的论文目录 (71)华中科技大学硕士学位论文1绪论课题背景近年来激光武器得到迅速发展，几乎决定了现代战争的胜负成败。
光电检测技术课程作业及答案打印版概要
思索题及其答案习题01一、填空题1.一般把对应于真空中波长在（0.38 ）到（0.78 ）范围内旳电磁辐射称为光辐射。
2、在光学中, 用来定量地描述辐射能强度旳量有两类, 一类是（辐射度学量）, 另一类是(光度学量)。
3、光具有波粒二象性, 既是（电磁波）, 又是（光子流）。
光旳传播过程中重要体现为（波动性）, 但当光与物质之间发生能量互换时就突出地显示出光旳（粒子性）。
二、概念题1.视见函数: 国际照明委员会（CIE）根据对许多人旳大量观测成果, 用平均值旳措施, 确定了人眼对多种波长旳光旳平均相对敏捷度, 称为“原则光度观测者”旳光谱光视效率V(λ),或称视见函数。
2.辐射通量: 辐射通量又称辐射功率, 是辐射能旳时间变化率, 单位为瓦(1W=1J/s), 是单位时间内发射、传播或接受旳辐射能。
3、辐射亮度: 由辐射表面定向发射旳旳辐射强度, 除于该面元在垂直于该方向旳平面上旳正投影面积。
单位为(瓦每球面度平方米) 。
4、辐射强度：辐射强度定义为从一种点光源发出旳, 在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出旳能量, 单位为W／sr(瓦每球面度)。
三、简答题辐射照度和辐射出射度旳区别是什么？答: 辐射照度和辐射出射度旳单位相似, 其区别仅在于前者是描述辐射接受面所接受旳辐射特性, 而后者则为描述扩展辐射源向外发射旳辐射特性。
四、计算及证明题证明点光源照度旳距离平方反比定律, 两个相距10倍旳相似探测器上旳照度相差多少倍？ 答:2224444R I R I dA d E R dA d E R II===∴=ππφπφφπφ＝的球面上的辐射照度为半径为又＝的总辐射通量为在理想情况下，点光源设点光源的辐射强度为 ()122222222211221211001001010E E L IE L I L I L I E R I E L L L L =∴====∴== 又的距离为第二个探测器到点光源，源的距离为设第一个探测器到点光 习题02一、填空题1.物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。
激光薄膜损伤阈值的检测
几种光学薄膜激光损伤阈值测量方法的介绍与探讨1.前言光学薄膜现在已经成为各个光学元器件不可或缺的部分，随着高功率激光器件的发展，由于光学薄膜相对于其他光学元件一般具有比较低的激光损伤阈值，因而光学薄膜成为了高功率器件限制功率提高的瓶颈所在，因此提高薄膜的激光损伤阈值显得极为重要。
然而要想提高薄膜的激光损伤阈值，准确的测量薄膜的激光损伤阈值成为了当前亟需解决的难题。
本文系统的总结了1-on-1、S-on-1、R-on-1和光栅扫描四种测试方式，以及normaski相称显微镜观察、等离子体闪光判别等几种判断薄膜损伤方法的原理。
可为薄膜激光损伤阈值的测试提供参考与借鉴。
2.几种损伤阈值测量方法的介绍当前主流的测量方式有1-on-1、S-on-1、R-on-1和光栅扫描四种方式。
其测试设备均如图一]1[所示，只是在激光辐照到样品表面时而采取不同的方式。
图一激光损伤阈值测量光路玻片与偏振片共同构成激光器发出强激光用来作为损伤光，2衰减器，He-Ne激光器所发出的光作为准直光使用，聚焦透镜使得光斑聚焦到合适的大小，分光镜将光分为三束，其中一束通向样品，一束通向能量计以时时监测能量值，另外一束通向CCD以确定光斑大小。
2.1 1-on-1测量方法]2[采用不同能量密度的激光依次对样品上一排点进行辐照，每个点辐照一次，为了保证各个点之间不相互影响，应使得两个点之间的距离为样品表面处理光斑直径的3倍以上（如图二），辐照完后计算出该功率下的损伤几率，然后用相同的方法进行下一个功率的辐照。
得出各个功率密度分别对应的损伤几率（必须包含0损伤几率与100%损伤几率）后，利用最小二乘法原理，对数据进行线性拟合，进而得到损伤阈值。
图二样品的测试点分布该种方法应用较为普遍，它得到的损伤阈值也较为准确，但是该方法测量面积较大，且不能得到阈值分布，对于重频激光来说必须考虑激光辐照的累积效应]3[，该测试方法也不能满足。
2.2 S-on-1测量方法采用不同能量密度的激光对样品上的一排点进行辐照，每个点辐照S（可以为1,10,100,1000等）次（若不到S次就发生损伤则应立即移动至下一个测试点），为保证各个点之间不相互影响，应使得两个点间的距离为样品表面处光斑直径的3倍以上，辐照完后计算出该功率下的损伤几率，然后用相同的方法进行下一个功率的辐照。
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第16卷 第6期强激光与粒子束Vol.16,No.6 2004年6月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS J un.,2004 文章编号:100124322(2004)0620685204硅光电二极管激光损伤阈值随激光脉宽的变化Ξ罗 福, 江继军, 孙承纬(中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900) 摘 要: 对飞秒激光辐照下硅光电二极管损伤阈值进行了实验测量,对从1s到60fs不同脉宽激光辐照下硅光电二极管损伤阈值进行了讨论。
实验数据表明,在1s到10ns脉宽范围内损伤所需能量密度近似而非严格地与脉宽的平方根成正比。
信号分析表明硅光电二极管的损伤主要由热效应造成,而60fs激光辐照下的损伤阈值为0.1J/cm2,明显偏离普通温度分布预言的趋势。
关键词: 飞秒激光; 硅光电二极管; 损伤阈值; 脉宽效应 中图分类号:TN249 文献标识码:A 光环境特别是激光给光电器件的应用带来了极其严重的影响,因此受到人们的高度重视。
硅PIN光电二极管因其响应时间快,工艺成熟,是可见光近红外区域的首选探测器。
Lars Sjoqvist对探测器的激光损伤问题进行了较为全面的探讨[1]。
早期面临的主要是长脉冲或连续激光,F.Bartoli等人给出了1.064μm激光照射下硅PIN光电二极管的损伤阈值[2],陈德章等研究了60μs钕激光对光电探测器的损伤阈值[3],2000年钟海荣等综述了激光对光电探测器的破坏机理研究情况[4],Steve E.Watkins等对10ns激光辐照下光电探测器的损伤机理进行了较为深入的研究[5]。
啁啾技术的应用使人们可以在压缩脉宽的同时获得很高的能量,现在已可获得脉宽达数fs的高能激光输出。
飞秒激光辐照下,器件材料内部发生各种瞬态非平衡过程,器件的损伤既有可能是晶格被电子加热引起的,也有可能是电子爆轰产生的冲击波造成的,为分析飞秒激光辐照下光电探测器的失效机制,我们对探测器的响应信号进行了监测分析。
1 激光辐照效应实验 飞秒激光辐照下,激光首先将能量传给电子,电子通过与电子碰撞扩散能量,通过与晶格碰撞将能量转移给晶格,可发生元件材料电离形成等离子体,靶内产生冲击应力等效应。
强冲击应力在波阵面上产生微孔洞甚至层裂,热熔化导致掺杂扩散,因而冲击应力损伤与热损伤是两类不同的损伤。
飞秒激光辐照下光生载流子的生灭运动及等离子体可引起器件信号饱和失真,热熔化及应力波损伤可导致元件性能的永久性改变或完全失效。
它们可通过器件的输出电信号而得到反映。
测量飞秒激光辐照下光电元件的响应信号的实验布局如图1所示。
Fig.1 Experimental setup for diode response measurement图1 飞秒激光辐照光电元件的响应实验布局图 飞秒激光波长为800nm,装置输出激光到达靶面处的激光脉宽为60fs,单脉冲能量40mJ,到达靶面的激光功率密度通过在光路中插入衰减片调节。
激光输出为10Hz的重复频率激光,通过在光路中插入快门控制使单脉冲激光辐照到样品上。
光斑半径通过长焦距透镜聚焦到靶面上,用面阵CCD相机对靶面处的光斑形状及过中心剖面光强分布进行测量,调整位置使光斑半径为1mm。
用一稳定的参考光照射到样品上,调节样品上的光照度使光电器件工作于线性段,测试期间参考光一直加在样品上。
用示波器记录探测器的光响应信号。
Ξ收稿日期:2003209228; 修订日期:2004201204基金项目:国家863计划项目资助课题作者简介:罗 福(1965—),男,博士,副研,从事激光束效应研究工作;绵阳9192113信箱。
所用样品为Si 2PIN ,有GT106和GT101两种型号:GT106光敏元<0.1mm ,响应时间0.1ns ,工作电压15V ;GT101光敏元<2mm ,响应时间1ns ,工作电压15V 。
2 实验结果及分析2.1 损伤阈值 光电器件在强激光辐照下发生响应信号饱和,饱和时无法探测到对象信号的变化,故饱和时间对某些应用而言也是一个重要参量。
光电器件一旦发生损伤,对信号光的响应会在很长时间内不能恢复,故可用激光辐照前后光电器件对信号光的响应幅度变化来判断是否发生损伤。
探测器如果彻底失效,输出信号将变为零。
改变入射到靶面上的飞秒激光能量,得到光电器件饱和时间与飞秒激光能量的关系。
实验结果如表1所示,表中t s 为饱和区宽度,t d 为激光脉冲后信号从饱和恢复到对参考光稳定响应的过渡时间,V 1,V 2分别为脉冲前、后的响应幅值。
测得的典型信号如图2所示。
GT101在177mJ ・cm -2激光辐照时探测器外层已可见轻度损伤,1.18J /cm 2激光单脉冲辐照下探测器外层已发生明显损伤,但仍能正常响应。
用10Hz 重复频率激光辐照时发现第4个脉冲后输出饱和到测试结束(18s )。
GT106和GT101的饱和时间与激光辐照能量的关系如图3所示。
U oe 为光电器件所测信号。
表1 光电器件损伤阈值实验结果T able 1 Experimental results of diodes d am agesamples E /mJΨ/(mJ ・cm -2)I /(TW ・cm -2)t s /μs V 1/V V 2/V t d /μsGT1010.125 3.980.066292 2.20 2.2441.260.33310.60.177296 2.08 2.0841.942.2270.7 1.18303 2.04 2.0440.885.55177 2.94259 1.92 2.0840.6714.84747.91253 1.92 2.1639.2337118019.6253 1.92 2.0840.00GT106 2.2270.7 1.181180.50.4663.495.55177 2.9476.60.4560.33645.5114.84747.9179.40.4160.5539.6137118019.60.40.360.33 Fig.2 Typical response of GT106irradiated with different laser fluence 图2 不同能量激光辐照时GT106的典型响应曲线 从图3可见,激光能量密度Ψ>70mJ /cm 2后随Ψ的增加,饱和时间减小,表明pn 结有损伤。
在Ψ低于70mJ /cm 2时饱和时间随激光能量的增加而增大。
饱和时间最长的点在ψ=1170mJ /cm 2之间,最大值仅约300μs 。
GT101的饱和时间比GT106的长,主要是因为GT106的光敏面积比GT101的小。
关于探测器响应的饱和现象陆启生[6]、江厚满等[7]人曾提出过强光响应模型,但该模型没有计及瞬态效应。
响应信号下降沿的拉长可从Dember 电动势对内建电场的抵消作用而得到定性理解,对停止激光辐照后还存在数百μs 的饱和时间这一现象现有的解析模型尚不能进行解释。
2.2 损伤区内光电信号特征 激光能量密度Ψ>70mJ /cm 2后开始出现损伤,对GT106,能量密度为71,177,474,1180mJ /cm 2的相邻4次单脉冲激光辐照时探测器的响应如图2、图4所示。
未受损伤时,探测器的响应为0.5V ,经4次辐照后,响应幅值分别降为0.456,0.416,0.36,0V 。
不可逆的响应降低表明探测器发生了不可逆的结构改变。
686强激光与粒子束 第16卷Fig.3 Saturation time vs irradiated fluence for twokinds of Si PIN diodes图3 探测器饱和时间与辐照激光能量的关系 激光结束后输出信号回复到稳定值的时间常数拉长到约40μs ,但对下一次脉冲响应的上升沿响应时间在示波器的分辨率内并未变化,在分辨率为0.5ns 条件下用177mJ /cm 2激光对GT106的局部响应进行采样,表明其上升沿仍未变缓。
如果探测器内部受到冲击波损伤,则在所用的大光斑照射条件下损伤应大体平行于入射表面,探测器的响应时间将拉长,输出信号的上升沿和下降沿都将变缓。
表明冲击应力不是造成探测器永久损伤的主要因素,下降沿的拉长并不表征损伤,仅仅是载流子复合速度降低所致。
2.3 损伤阈值与激光脉宽的关系 不同脉宽辐照下,硅光电二极管的损伤阈值如图5所示,Fig.4 Response of GT106diode irradiated with different laser fluence图4 不同能量激光辐照时GT106的响应曲线脉宽大于9ns 的数据取自文献[15,8]。
图中“о”为完全失效点。
Fig.5 Damage threshold vs laser pulse duration图5 损伤阈值与辐照激光脉宽的关系 硅对800nm 光的吸收深度为9.1μm ,硅的平均热扩散系数0.24cm 2/s ,热扩散深度与吸收深度相等对应的脉宽为3.45μs 。
按传统的热传导模型,远低于微秒量级的辐照时间内热扩散的影响可以忽略,损伤阈值由吸收深度控制。
故由温度控制的损伤阈值随激光脉宽τ变化的趋势应该是:随着脉宽减小,损伤阈值按τ1/2降低,当τ小于1μs 时,因温度由吸收深度控制,损伤阈值应与脉宽无关而趋于某一常数。
但实验结果仅在脉宽大于1μs 的范围内与此趋势相符,在脉宽小于1μs 时,损伤阈值并没有趋于常数,而是近似以τ0.29降低,直到60fs 仍是继续降低。
可见,平衡态温度模型不能解释1μs 以下短脉冲激光对光电二极管的损伤阈值特性,需建立新的模型。
对单晶硅样品的试验表明,在137mJ /cm 2激光辐照时样品发生轻度损伤,对其进行光学显微观察发现主要是由表面缺陷所致。
对0.2μm 铝、银膜的辐照试验表明,辐照能量达348mJ /cm 2时铝膜已局部烧穿。
它们都接近于探测器的损伤阈值,因此,探测器损伤可能是温升造成的结构损伤。
3 结 论 试验得到硅PIN 光电二极管在60fs 激光辐照下的损伤和失效阈值分别为70mJ /cm 2和1.2J /cm 2。
随着激光脉宽的缩短,损伤阈值并未象普通温度模型预言的那样趋于常数,而是以τ0.29继续降低。
对损伤时探测器的响应时间的分析表明,控制损伤阈值的仍然是温度效应而非力学效应。
探测器引线及器件结构对其失效均有贡献,其损伤应是温度控制的结构损伤。
对飞秒激光辐照后还有数百μs 的“饱和”时间这一特殊现象,现有的解析模型无法解释,需要建立新的模型。
致 谢 感谢杜祥琬院士对本工作的关心与支持,感谢中科院物理所强光物理实验室对实验的大力支持。
786第6期 罗 福等:硅光电二极管激光损伤阈值随激光脉宽的变化886强激光与粒子束 第16卷参考文献:[1] Sj qvist ser induced damage in detector materials and detectors[R].FOA2R29620028123.12SE,1996,PB972128391/HDM.[2] Bartoli F,Esterowitz L,Kruer M,et al.Irreversible laser damage in IR detector materials[J].A ppl Opt,1977,16(11):2934—2937.[3] 陈德章,张承铨,卿光弼,等.激光对光电探测器的损伤阈值研究[J].激光技术,1995,19(3):135—140.(Chen D Z,Zhang C Q,Qing G B,et al.Research on laser damage threshold of photoelectric detector.L aser Technology,1995,19(3):135—140)[4] 钟海荣,刘天华,陆启生,等.激光对光电探测器的破坏机理研究综述[J].强激光与粒子束,2000,12(4):423—428.(Zhong H R,Liu T H,Lu Q S,et al.Review on laser2induced damage mechanism study of photoelectric detectors.High Power L aser and Particle Beams,2000,12(4): 423—428)[5] Watkins S E,Zhang C Z,Walser R M,et ser2induced parameter degradation in silicon photodiodes[A].Laser induced damage in optical mate2rials[C].1988.288—310.[6] 陆启生,蒋志平,刘泽金,等.激光辐照下InSb探测器(PV型)的瞬变行为[J].强激光与粒子束,1991,3(1):102—108.(Lu Q S,Jiang Z P,Liu Z J,et al.Transient behavior of InSb(PV)detector irradiated by laser.High Power L aser and Particle Beams,1991,3(1):102—108) [7] 江厚满,程湘爱.描述光伏效应的新解析模型[J].强激光与粒子束,2002,14(2):177—180.(Jiang H M,Cheng X A.New analytic model de2scribing photovoltaic effect.High Power L aser and Particle Beams,2002,14(2):177—180)[8] Van Den Heuvel J C,Van Putten F J ser jamming in the3to5μm wavelength band[R].FEL2972A382,1997,AD2A346689V ariation in damage thresholds of Si photodiodeswith laser pulse durationLUO Fu, J IAN G Ji2jun, SUN Cheng2wei(Institute of Fluid Physics,CA EP,P.O.Box9192113,Mianyang621900,China) Abstract: The damage thresholds of Si PIN photodiodes irradiated by800nm fs laser with pulse duration of60fs have been mea2 sured.The damage thresholds of Si photodiodes irradiated by laser pulse of different duration from1s to60fs are present and discussed. Experimental data indicates that damage fluence increases approximately but not strictly with square root of pulse duration for pulses longer than10ns.The output signal analysis shows the damage was caused mainly by thermal effect.However the damage threshold to 60fs laser is0.1J/cm2,which deviates apparently from what general temperature distribution model predicted. K ey w ords: Femtosecond laser; Si photodiode; Damage threshold; Duration effect。