-
CCD和CMOS是图像传感器的典型代表，被广泛应用于军事侦察成像、精确制导及激光雷达等领域[1]。激光是对抗光电侦察探测的有效方式，开展激光对图像传感器的损伤效能研究，对提高光电对抗能力具有重要意义[2-3]。目前，学者对激光损伤CCD和硅材料的研究较多，分别有连续激光、脉冲激光以及不同脉宽、能量密度、作用时间等对CCD或硅材料损伤效应及机理的研究[4-12]。近年来，已有学者开展激光辐照CMOS图像传感器的干扰效应[13-14]、损伤效应[15-16]以及对CCD、CMOS辐照的对比性研究[17-20]，并开展了宽谱光源干扰效应[21-22]等方面的研究，但是尚无利用复合激光对CMOS图像传感器进行损伤的研究。
为了提高损伤效能，文中提出采用复合激光损伤CMOS的新思路，分别开展了双波长、双脉宽的复合激光对CMOS进行功能失效损伤的实验研究，发现复合激光能够有效提高损伤效能，降低损伤能量密度阈值，为多制式复合激光高效光电对抗提供了新的思路。
-
实验装置主要包括激光器、CMOS、能量计、显示器、小孔光阑、分光镜、合束镜、倍频晶体等。激光器包括三种制式，分别为：（1）波长1064 nm的10 ns激光器，能量7~60 mJ可调、重频1~20 Hz、光斑直径2.6 mm；（2）波长1064 nm的0.4 ms激光器，能量460 mJ~1.76 J可调、重频1~5 Hz、光斑直径5 mm；（3）波长532 nm的10 ns激光器，通过1064 nm的10 ns激光倍频得到，倍频晶体为10 mm×10 mm×8 mm的KTP。
CMOS型号为SC1145，光敏面4.12 mm×3.1 mm、100万像素、像素单元尺寸为3 μm×3 μm。由像素阵列、驱动电路、时钟电路、译码控制器、A/D转换器、总线控制等几部分组成[23]。像素阵列由像素单元及晶体管组成，是图像传感器的主体部分，也是容易受激光损伤部分。像素单元包括微透镜、彩色滤光片、金属铝、二氧化硅及掺杂硅等[24]，如图1所示。
Figure 1. Structure diagram of CMOS
-
实验分两步进行：（1）波长1064 nm和532 nm的脉宽10 ns激光以及波长1064 nm的脉宽0.4 ms激光分别对CMOS进行损伤；（2）脉宽10 ns、波长1064 nm和532 nm双波长复合激光，以及波长1064 nm的0.4 ms和10 ns双脉宽复合激光对CMOS损伤。实验均以单个脉冲辐照的方式进行，调节泵浦电流控制输出激光能量，观察在不同能量作用下CMOS损伤情况。以CMOS损伤占全屏2/3以上的面积为致盲损伤阈值判断标准。
脉宽10 ns、波长1064 nm和532 nm双波长复合激光损伤实验方案如图2所示。将波长1064 nm、脉宽10 ns的激光腔外倍频，产生1064 nm和532 nm的复合激光。直径0.8 mm的小孔光阑置于CMOS前1 cm处，作用在CMOS上的光斑面积等于小孔光阑透光面积。通过1064 nm/532 nm双色分光镜，分别测量通过小孔后不同波长的激光能量。
Figure 2. Schematic diagram of double wavelength composite laser damage experimental scheme
波长1064 nm、脉宽0.4 ms和10 ns双脉宽的复合激光损伤实验方案如图3所示。将1064 nm、脉宽0.4 ms和10 ns激光偏振合束为一束激光，用信号发生器控制激光器的触发，使10 ns激光在0.4 ms激光的脉宽时间中点发射，通过直径为0.8 mm的小孔光阑后作用在CMOS上。实验中保持光阑后脉宽0.4 ms激光能量31 mJ恒定不变，改变脉宽10 ns激光能量，并测量能量大小。
Figure 3. Schematic diagram of double pulse width composite laser damage experimental scheme
-
波长1064 nm、脉宽10 ns激光作用时，随着能量的增大，CMOS依次出现白色光斑损伤、线损伤、十字交叉线面损伤，如图4（a）~（c）所示。开始出现白色光斑损伤时，作用在CMOS上的激光能量为1.48 mJ，能量密度为294.6 mJ/cm2。当能量增大至1.91 mJ、能量密度为380.2 mJ/cm2时，出现十字交叉线面损伤，此时，屏左侧（全屏2/3以上面积）严重损伤。
Figure 4. Damage effect picture of the CMOS under increasing 10 ns laser energy. (a)-(c) Damage effect of 1064 nm laser on CMOS; (d)-(f) Damage effect of 532 nm laser on CMOS
波长532 nm激光、脉宽10 ns激光作用时，随着能量的增大，CMOS依次出现绿色光斑损伤、线损伤、十字交叉线面损伤，如图4(d)~(f)所示。开始出现绿色光斑损伤时，作用在CMOS上的激光能量为0.32 mJ，能量密度为63.7 mJ/cm2。当能量增大至0.8 mJ、能量密度为159.7 mJ/cm2时，出现十字交叉线面损伤，此时屏左侧（全屏2/3以上面积）严重损伤。
由图4可知，随着激光能量增加，CMOS依次出现光斑损伤、线损伤、十字交叉线面损伤。通过CMOS失效机理分析[18,23]、结合损伤CCD仿真模拟[10-11]，可知：CMOS出现光斑损伤主要是由于微透镜和滤光片受损，伴随着部分金属铝剥落融化，部分单元像素失效造成的；出现线损伤主要是由于局部电路短路或断路导致信号传输中断；随着CMOS温度继续升高，晶体硅融化，二氧化硅由于受到热应力作用发生变形和断裂，金属线路严重损坏，出现十字交叉线面损伤，CMOS大面积失效。
对比图4中两组损伤图像可以发现，波长532 nm激光造成的损伤状态中出现了绿色光斑损伤。由于532 nm激光辐射到彩色滤光片，致使滤光片发生光化学反应从而改变颜色，并造成滤光片受损区域无法成像[8]。
-
波长1064 nm、脉宽0.4 ms激光辐照CMOS，当光阑后能量为70.4 mJ，能量密度达14 J/cm2时也无法对其完成有效损坏，此时已经达到激光器最大输出能量。故采用对探测器加装焦距8 mm成像镜头的方式开展实验，镜头前置直径1.78 mm的小孔光阑。在逐渐增加能量的过程中，未出现点损伤的情况，当能量为96 mJ，能量密度为3.84×103 mJ/cm2时，CMOS几乎完全损伤，如图5（a）所示。
Figure 5. Damage effect picture of the CMOS with lens under increasing 1064 nm laser energy. (a) Damage effect of 0.4 ms laser on CMOS; (b)-(e) Damage effect of 10 ns laser on CMOS
波长1064 nm、脉宽10 ns激光作用于镜头时，随着激光能量的增加，CMOS依次出现点损伤、线损伤、面损伤，CMOS损伤状态如图5（b）~（d）所示。图5（e）是通过显示器显示的对应于图5（d）的图像。CMOS开始出现点损伤时，光阑后激光能量为0.065 mJ；当激光能量增大到0.1 mJ时，CMOS出现致盲损伤，此时的能量密度为4 mJ/cm2。
实验得到脉宽0.4 ms和10 ns激光分别对CMOS实现致盲损伤时的能量，并结合光斑面积和脉宽，计算可得致盲时的峰值功率密度和能量密度如表1所示。由表可知，脉宽0.4 ms激光致盲CMOS的能量密度是脉宽10 ns激光的960倍，峰值功率密度是脉宽10 ns激光的1/42。这是因为ns激光的峰值功率密度更高，在短时间内使温度快速上升，造成CMOS致盲损伤。
Pulse width Laser pulse power
density/W·cm−2Laser pulse energy
density/mJ·cm−20.4 ms 9.6×103 3.84×103 10 ns 4×105 4 Table 1. Damage threshold of CMOS with lens by different pulse width laser
对比波长1064 nm、脉宽10 ns激光对加装镜头前后CMOS的致盲损伤能量密度阈值分别为380.2 mJ/cm2和4 mJ/cm2，设镜头的光学增益是恒定的，脉宽0.4 ms激光对带镜头的CMOS的致盲损伤能量密度阈值为3.84×103 mJ/cm2，计算可得脉宽0.4 ms激光对不带镜头的CMOS的致盲损伤能量密度阈值为3.65×105 mJ/cm2。
-
增大双波长复合激光输出能量，CMOS依次出现绿色光斑损伤、交叉线损伤、完全损伤，如图6（a）~（c）所示。探测器开始出现绿色光斑损伤时，光阑后复合激光能量为0.57 mJ，其中1064 nm激光能量为0.43 mJ，532 nm激光能量为0.14 mJ。复合激光能量增大至1 mJ时，出现交叉线和绿色光斑损伤。能量增大至1.19 mJ时完全损伤，其中1064 nm激光能量为0.64 mJ，532 nm激光能量为0.55 mJ，此时激光器通过倍频晶体之前的原始输出能量为35 mJ。
Figure 6. Damage effect picture of double wavelength composite laser on CMOS. （a） Green spot damage; （b） Cross line damage; （c） Complete damage
波长1064 nm和532 nm的10 ns激光单独作用以及双波长复合激光作用于CMOS的致盲损伤数据如表2所示。对比可知：
Wavelength/nm Output laser energy/mJ Complete damage Laser energy/mJ Laser pulse power
density/W·cm-2Laser pulse energy
density/mJ·cm-21064 45 1.91 3.8×107 380.2 532 56 0.80 1.6×107 159.7 1064+532 35 1.19 2.4×107 236.9 Table 2. Comparison of damage threshold between double wavelength composite laser and single wavelength laser
（1）单波长激光完全损伤CMOS时，532 nm激光能量密度阈值是1064 nm激光的42%，且损伤效能高。这是因为相对于1064 nm激光，532 nm激光波长较短，光子能量较大，且吸收系数较大，吸收深度小，更容易造成CMOS的损伤[6]。
（2）双波长复合激光致盲损伤CMOS的能量密度阈值是单独1064 nm激光的62.3%，是单独532 nm激光的148%，但是对比损伤效果图可以发现，复合激光的损伤力度更强。1064 nm激光具有更强的穿透能力，可以实现更严重的热损伤和力学损伤，532 nm激光具有更大的光子能量，且处于CMOS的主响应波段内，具有更高响应能力[25]。双波长激光融合了1064 nm和532 nm激光的高能量、长吸收深度、高吸收系数等特性，具有更强的损伤效能，能够对像素单元及线路造成更严重的损伤。
（3）对比三种模式激光对CMOS造成致盲损伤时的基频光激光能量，双波长复合激光的基频光能量为35 mJ，是三种模式中最低的，反而单独532 nm激光的基频光能量为56 mJ，是三种模式中最高的。双波长复合激光致盲损伤CMOS的基频光能量是单独1064 nm的77.8%，是单独532 nm激光的62.5%。
-
波长1064 nm、脉宽0.4 ms和10 ns的激光复合输出，保持光阑后脉宽0.4 ms激光能量31 mJ恒定不变，随着脉宽10 ns激光能量的增大，CMOS依次出现白点损伤、交叉线损伤、完全损伤现象，如图7（a）~（c）所示。当光阑后脉宽10 ns激光能量为1.03 mJ时，CMOS开始出现白点损伤，当激光能量上升到1.46 mJ时，CMOS致盲损伤。
Figure 7. Damage effect picture of double pulse width composite laser on CMOS. （a） White spot damage; （b） Cross line damage; （c） Complete damage
波长1064 nm、脉宽0.4 ms和10 ns激光单独作用以及双脉宽复合激光作用于CMOS的损伤数据如表3所示。对比可知：
（1）脉宽10 ns激光的加入，使复合激光中脉宽0.4 ms激光的致盲损伤阈值降低为6.17×103 mJ/cm2，是单独作用时的1.7%。
（2）脉宽0.4 ms激光的加入，使复合激光中脉宽10 ns激光的致盲损伤阈值降低为290.6 mJ/cm2，是单独作用时的76.4%，且从损伤图像上可看出，CMOS的损伤面积加大，破坏力度更强。
Pulse width Spot damage Complete damage Laser energy/mJ Laser energy/mJ Laser pulse power density/W·cm−2 Laser pulse energy density/mJ·cm−2 10 ns 1.48 1.91 3.8×107 380.2 0.4 ms - - 9.1×105 3.65×105 10 ns+0.4 ms 1.03+31 1.46+31 2.9×107+1.5×104 （10 ns laser action time）
1.5×104 （other time）290.6+6.17×103 Table 3. Comparison of damage threshold between double pulse width composite laser and single pulse width laser
波长1064 nm、脉宽0.4 ms和10 ns激光复合作用过程分为三个阶段：第一阶段，在脉宽0.4 ms激光的作用下，CMOS表面温度升高，表面变软，屈服强度大大降低，同时吸收系数增大；第二阶段，在脉宽0.4 ms激光作用的中间时刻加入的脉宽10 ns激光具有高峰值功率特性，辐照后能够快速提高材料表面温度，产生热学和力学损伤，在第一阶段激光作用的基础上对CMOS造成初步局部损伤，同时产生的表面损伤会增加表面粗糙度，提高后续激光的吸收率；第三阶段，脉宽0.4 ms激光携带的大能量在前两个阶段造成的初步损伤和高吸收率基础上，迅速扩大和加深CMOS的损伤程度，造成致盲损伤。
-
文中开展了波长1064 nm、532 nm以及脉宽0.4 ms、10 ns激光及其复合激光对CMOS图像传感器损伤效能的实验，对比了单波长与双波长复合激光、单脉宽与双脉宽复合激光的损伤阈值和损伤效能。
研究发现，双波长复合激光只是在腔外增加倍频晶体即可获得，其辐照CMOS造成致盲损伤时的基频光能量是单独1064 nm激光的77.8%，是单独532 nm激光的62.5%，且损伤效能更好。在干扰、致盲损伤敌方光电探测器时，利用双波长复合激光可以获得更佳的对抗效果，并且在未知敌方光电探测器响应波段和保护窗口的情况下还可以对不同工作模式的光电探测器实施对抗，提高对抗效能。双脉宽复合激光损伤时，脉宽0.4 ms激光的能量密度降低为单独0.4 ms激光损伤时的1.7%，脉宽10 ns激光的能量密度降低为单独10 ns激光时的76.4%。双脉宽复合激光融合了ns激光高峰值功率的热学损伤、力学损伤以及ms激光大能量的热学损伤，相互加强激光的作用效果，使CMOS损伤面积加大，破坏程度加深，提高损伤效能。在光电对抗中，ms激光可以获得大的能量输出，不但可以与ns激光复合对光电探测器进行软杀伤，还可以与连续激光复合对目标进行硬毁伤[26]，实现多功能打击。这一发现为多制式复合激光高效光电对抗提供了新的思路和参考。
Experimental study on a CMOS image sensor damaged by a composite laser
doi: 10.3788/IRLA20210537
- Received Date: 2021-08-04
- Rev Recd Date: 2021-09-22
- Publish Date: 2022-08-05
Fund Project:
National Defense Pre-Research Fund（30102050101）；Key National Defense Research Projects（KYWHJWJK1702）
-
Key words:
- optoelectronic countermeasure /
- composite laser /
- damage effectiveness /
- contrast experiment
Abstract: Lasers are an effective way to counter photoelectric reconnaissance. To improve the damage efficiency, a new idea of a composite laser damage photodetector is explored. Damage efficiency experiments of a 1064 nm and 532 nm laser with a 10 ns pulse widths and its dual wavelength composite laser, 1064 nm laser with 0.4 ms and 10 ns pulse width and its dual pulse width composite laser on a CMOS image sensor were carried out respectively. The results show that when the dual-wavelength composite laser causes complete damage to the CMOS, the fundamental frequency light energy is 77.8% of the 1064 nm laser alone and 62.5% of the 532 nm laser alone; when the dual-pulse composite laser damages, the pulse width of the 0.4 ms laser is The energy density is reduced to 1.7% of the single action, and the energy density of the 10 ns pulse width laser is reduced to 76.4% of the single action. This discovery provides a new idea and reference for high efficiency optoelectronic countermeasures of multisystem composite lasers.
DownLoad: