摘要
开展了不同重频下2.79 μm中红外激光对PbS探测器的损伤实验。基于传热学理论，利用有限元法对2.79 μm中红外激光辐照PbS探测器中的温度分布进行了数值分析，并比较了脉冲数目、重复频率对损伤效果的影响，分析了2.79 μm中红外激光辐照PbS探测器的损伤机理，获取了相关阈值数据。研究表明，2.79 μm中红外激光对PbS探测器的损伤机理主要以热熔融为主，在温度没有达到PbS熔点时，PbS就会发生热分解反应，析出黄色沉淀物PbO；计算得到单脉冲2.79 μm中红外激光对PbS探测器的损伤阈值为13.03 J/c
PbS 探测器作为一种发展成熟的中红外波段探测器，具有灵敏度高，时间常数小，生产工艺简单等诸多优
目前，对红外探测器的损伤效应研究主要集中在近红外波段1.06 μm激光和远红外10.6 μm激光
本文开展了不同重频的2.79 μm中红外激光对PbS探测器的损伤实验，建立了以傅里叶热传导方程为基础的热损伤理论模型，对PbS探测器受到激光辐照时产生的温度分布进行了数值模拟，主要讨论了中红外激光损伤机理，分析比较了不同重频下的激光损伤效果并获取了相关阈值数据。
整个损伤实验系统布局如
图1 损伤实验系统示意图
Fig.1 Sketch map of experimental system
其中1为2.79 μm中红外激光器，2为控制作用时间的定时器，3为衰减器，4为激光能量计，5为分束镜，6为蓝宝石聚焦透镜，7为PbS探测器，8为用于显示响应幅度的示波器。实验过程中，PbS探测器芯片安装在处理电路中，利用示波器随时显示输出电压，当2.79 μm激光脉冲辐照到探测器上时，输出电压会发生下降；当探测器损伤时，下降幅度会相应减小。采用Nomarski型的微分干涉相衬显微镜观察PbS探测器样品的损伤形貌。
激光在PbS探测器上的辐照时间由定时器控制。激光经分束镜，一束用于测量激光能量；另一束对PbS探测器进行辐照。通过测定分光镜的分束比，就可以得到辐照在探测器的激光能量大小。2.79 μm中红外激光器的增益介质为Cr ： Er ： YSGG晶体，脉冲能量随泵浦电压变化，激光器输出脉宽300 μs，在输出窗口光束直径为4.2 mm，输出激光光束符合高斯分布，输出重复频率5 Hz和10 Hz。探测器位于透镜焦点处，经感光相纸测量，聚焦后探测器上的激光光斑有效直径为0.5 mm。
不同激光重复频率条件下，PbS探测器响应电压绝对值随激光能量的变化情况如
（a） 5Hz
（b） 10Hz
图2 不同重复频率条件下探测器响应电压绝对值随激光能量的变化情况
Fig.2 Response voltage vs laser energy
在重复频率10 Hz，激光能量为220 mJ入射条件下，PbS探测器响应电压绝对值随激光辐照时间的变化情况如
图3 探测器响应电压随时间的变化历程（E=220mJ，PRF=10Hz）
Fig.3 Response voltage vs time（E=220mJ，PRF=10Hz）
综上实验研究表明，2.79 μm中红外激光辐照PbS探测器后，增加激光能量和辐照时间都会使探测器响应电压绝对值均有不同程度的降低，说明PbS探测器探测性能已经受到严重影响。
在激光能量为720 mJ，即能量密度为366.69 J/c
图4 PbS探测器的损伤形貌（单脉冲能量密度 366.69 J/c
Fig.4 Damage morphology of PbS detector with laser fluence of 366.69J/c
另外，实验发现PbS探测器的蓝宝石窗口内表面附着了大量颗粒，推测可能是由PbS材料熔融气化喷溅形成，不同激光能量密度下蓝宝石窗口上附着的颗粒如
图5 蓝宝石窗口内表面上附着的颗粒图， （a）149.22 J/c
Fig.5 Particles attached to the surface of sapphire window， （a） 149.22J/c
实验所用PbS探测器光敏面大小为6 mm×6 mm，选用TO-8型晶体管外壳进行封装，并将内部抽至真空。TO式封装和其中的热电冷却器提供低温操作增加其灵敏度和温度稳定性。基本探测单元由敏化的PbS膜、电极和封装在K9基板上的两个电极引线组成，电极引线将光敏面探测到的信号以电信号的形式传输至后置信号处理显示模块。选用厚度为0.5 mm的蓝宝石作为窗口材料，其在2.79 μm波段透光性较好，约为85%，基底材料为K9。PbS探测器结构示意图如
图6 PbS探测器结构示意图
Fig.6 Schematic diagram of PbS detector
损伤形貌是损伤机制的外在表现。从PbS探测器的损伤形貌中分析，2.79 μm中红外激光对激光PbS探测器的损伤机理应为热效应损伤。激光辐照光学材料，从宏观角度上来看，就是物质的热传导问题。激光辐照材料时，一部分激光能量被反射，而另一部分能量被材料的表层所吸收转化为热能，引起温度升高。根据能量守恒定律和傅里叶热传导理论，该能量将以激光作用区域为中心，通过热传导在靶材内扩散形成非均匀的温度场，并且迅速建立局部的热动态平衡。
为了建立合理模型，对实际的PbS探测器结构进行了必要的合理简化。当光束通过上层蓝宝石窗口材料聚焦在芯片上时，因为聚焦的光斑尺寸小于探测器芯片的大小，所以可以将PbS探测器结构看作圆柱体模型，以圆柱中心到边缘处的纵向截面建立简化的PbS探测器模型，圆柱体半径r为3 mm，其组成依次为蓝宝石窗口、真空环境、PbS、K9基底，从上到下依次排列。为了一般性和准确性，模型中各层厚度设为：蓝宝石窗口材料0.5 mm、真空层4 mm、PbS光敏面50 μm、K9基底300 μm。
图7 激光辐照PbS探测器的理论模型
Fig.7 Theoretical model of PbS detector irradiated by 2.79 μm laser
在PbS光敏面处，考虑激光作用时间短，整个系统处于真空的环境下，无对流换热，且热辐射能量损失相比吸收激光能量很小，对温度场的影响可忽略不计，激光经过蓝宝石窗口后，大部分能量辐照在PbS表面上。在激光对模型的热作用过程中，模型的温度T满足傅里叶热传导方
| ， | （1） |
| ， | （2） |
| ， | （3） |
| ， . | （4） |
模型的初始条件为：T0 = 293 K，设模型各层材料均匀且各向同性，材料特性参数为常数，则材料的性能参数如
取2.79 μm中红外激光单脉冲能量密度为10 J/c
图8 PbS探测器的温度场分布，（a）PbS探测器温度等值云图，（b）PbS光敏面上的温度分布，（c）模型轴线上的温度分布
Fig.8 Temperature distribution with laser fluence of 10 J/c
PbS常以单晶或多晶的形式作为中红外探测器的核心元件，目前PbS光敏面的制备方式常见的有：化学浴沉积法，电沉积法，紫外线照射法，微波辅助加热法，电化学法，其中化学浴沉积法易操控，工艺简单，常作为制备主要方法。高性能的PbS在制备敏化过程中不可避免引入了少量的PbSO4及极少量的铅的氧化
PbS光敏面在受激光辐照后，材料吸收激光能量导致表面温度迅速升高，在温度达到1273K时，PbS与PbSO4发生热分解反应，主要产物为氧化铅（PbO）、铅（Pb）与二氧化硫气体（SO2）等；当温度达到1340 K时，PbS与上一反应中产生的PbO再次发生热分解反应生成Pb与SO2气体等；当温度达到PbS熔点1387 K时，PbS发生熔
图9 探测器内部内部喷溅颗粒流动轨迹示意图
Fig.9 Schematic diagram of air flow trajectory inside the detector
由模拟结果
图10 单脉冲激光辐照下PbS最高温度与激光能量密度的关系
Fig.10 The relationship between maximum temperature of PbS and laser energy fluence
取单脉冲能量密度为10 J/c
图11 不同重频下PbS最高温度与脉冲数关系图
Fig.11 The relationship between the maximum temperature of PbS and the number of pulses under different repetition frequencies
开展了不同重频下2.79 μm中红外激光对PbS探测器的损伤实验，观察到激光辐照下探测器的响应电压绝对值变化趋势和损伤形貌，并通过建立2.79 μm中红外激光辐照PbS探测器的理论模型，数值模拟了PbS探测器的温度场分布和内部喷溅颗粒流动轨迹，分析了2.79 μm中红外激光辐照PbS探测器的损伤机理，获取了相关阈值数据。研究结果表明：在中红外激光辐照下，增加激光能量和辐照时间都会使探测器响应电压绝对值均有不同程度的降低，说明PbS探测器探测性能已经受到严重影响；2.79 μm中红外激光对PbS探测器的损伤机理以热熔融为主，在光斑中心处热烧蚀痕迹明显、光斑边缘出现了黄色沉淀物，且喷溅的颗粒物大范围附着；通过进一步理论分析表明，在温度没有达到PbS熔点时，PbS就会发生热分解反应，且黄色沉淀物为热分解反应产物PbO；计算得到单脉冲2.79 μm中红外激光对PbS探测器的损伤阈值为13.03 J/c
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