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1、第17卷第7期强激光与粒子束Vol.17,No.72005年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2005文章编号:1001-4322(2005)07-1008-05激光辐照InSb(PV)型探测器的热损伤赵建君1,宋春荣1,张灵振1,牛燕雄2(1.军械工程学院理化教研室,河北石家庄050003;2.军械工程学院光学教研室,河北石家庄050003)摘要:在建立高斯型连续激光辐照InSb(PV)型探测器物理模型的基础上,采用近似解析解的形式计算了圆柱形InSb靶板的2维
2、温度场。通过数值分析得出了在激光辐照时,InSb(PV)型探测器的温升与时间的关系,并计算出相应的损伤阈值。研究表明:在强激光连续辐照下,半导体材料InSb会发生熔融损伤,且最早发生于迎光面的光斑中心,激光的功率密度越高,造成破坏所需要的时间越短;对于一定厚度胶层的InSb(PV)型探测器,只有强度大于一定阈值的连续激光辐照才可能发生熔融损伤,越薄的胶层对应的损伤阈值越大。为了增加InSb(PV)型探测器抗激光辐照能力,应该减小胶层厚度。采用该理论计算得到不同功率下的InSb熔融时间为1.57s和4.5
3、4s,与实验得到的2s和4～5s基本吻合。关键词:热损伤;InSb(PV)型探测器;高斯光束;损伤阈值中图分类号:TN249文献标识码:A光电探测器在受到强激光辐照时,由于吸收能量而温度升高,导致性能的暂时下降,严重的会形成永久性[1～13][5～10]破坏。陆启生等人从实验和理论上分别讨论了连续激光辐照InSb(PV)型探测器的破坏效应;蒋志[7][11～13]平等建立的1维模型研究了InSb(PV)型探测器温升计算以及胶层对破坏阈值的影响;强希文等讨论了半导体InSb材料的熔融破坏。但这些理论很少考
4、虑到边界条件对温度分布和损伤阈值的影响,实验证明,InSb(PV)型探测器受到激光辐照时会出现2维的温度变化,而且易受周围环境的影响,所以,我们建立了更加接近实际的理论模型,在一定的近似条件下,得出符合实际情况的解析解,通过具体数值计算给出了损伤阈值与损伤时间的关系,特别是胶层厚度对损伤阈值和损伤时间的影响,并与相关的实验结果进行了对比。1理论模型由于InSb晶体的禁带宽度窄,InSb(PV)型探测器一般在低温下工作,结构如图1所示。InSb(PV)型芯片用胶粘于装液氮的杜瓦瓶铜基座上,以保证达到热平衡
5、时工作温度维持在约77K。将InSb(PV)型芯片看作厚度为h,半径为b的圆板模型,采用柱坐标,坐标原点在样品的激光入射表面Fig.1SketchmapofInSb(PV)detector中心,z轴与激光照射方向一致。高斯型空间分布的图1InSb(PV)型探测器结构连续激光束垂直照射到样品表面(z=0)。从t=0时刻激光开始照射样品,初始时样品温度均匀,记为T,样0品上表面、侧面绝热,下表面与胶层有热交换。材料原子将吸收激光束能量,热运动加强,温度升高。但是,由于激光束能量分布的不均匀性,导致了材料内部
6、的温升也是非均匀的。根据热传导理论,圆板形半导体InSb材料样品内部的温度场T(r,z,t)满足热传导方程22∂T∂T1∂T∂T)=-r2/a2-βz(1)ρcp-λ(2++2ηI0e∂t∂rr∂r∂z初始条件为Tt=0=T0(2)边界条件为收稿日期:2004-09-30;修订日期:2005-03-21作者简介:赵建君(1975-),男,硕士,讲师,从事光与物质的相互作用研究;E-mail:aynt@sohu.com。第7期赵建君等:激光辐照InSb(PV)型探测器的热损伤1009∂T∂T∂T∂T==0
7、,=0,-λ=α(T-Ts)(3)∂rr=0∂rr=b∂zz=0∂zz=h式中:T为半导体InSb材料的温度;为材料的密度,作为常数处理;λ为导热系数;c为比定压热容;为表面ρpη吸收率;为吸收系数;α为表面传热系数;T为与InSb材料接触胶层的表面温度;a为高斯光斑半径;I为高βs0斯光斑中心处的光强。为了能够得到InSb材料样品内部的温度场T(r,z,t)的解析表达形式,需要作出一些必要的近似。设温度T由两部分组成:T=T1+T2,其中,T1满足热传导方程(1)、初始条件(2)和绝热边界条件,相应的
8、,T满足热传导方程(1)的齐次方程。初始条件为2Tt=0=0(4)边界条件需要对式(3)进行一定的变形。由于胶层很薄,而且T1》T2,边界条件可以近似改写为∂T2∂T2∂T2∂T2T1-T0==0,=0,-λ=-λs(5)∂rr=0∂rr=b∂zz=0∂zz=hΔ式中:λ为胶层导热系数;Δ为胶层厚度。s利用冲量定理和抛物位势理论,对T1和T2分别进行解析求解,得到∞∞∞T=TηI0[µmr)+µmr)z+0+ΣΣωm(b)Rn(z)Smn(
