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。

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。

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。

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）。

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。

1、光电器件的基本参数特性有哪些?（响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度）@响应特性分为电压响应度电流响应度光谱响应度积分响应度响应时间频率响应@噪声分类：热噪声散粒噪声产生-复合噪声 1/f噪声信噪比S/N 噪声等效功率NEP2、光电信息技术是以什么为基础，以什么为主体，研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。

（光电子学光电子器件）3、光电检测系统通常由哪三部分组成（光学变换光电变换电路处理）4、光电效应包括哪些外光电效应和内光电效应）外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物。

内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体。

内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。

光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象。

光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触面上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。

5、光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为哪几种？（光生伏特效应太阳能光电池和测量光电池）6、激光的定义，产生激光的必要条件有什么？（定义：激光是受激辐射的光放大粒子数反转光泵谐振腔）7、热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出？（交变辐射）8、CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的基本功能是什么？（电荷 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。

）9根据检查原理，光电检测的方法有哪四种。

（直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法）10、光热效应应包括哪三种。

（热释电效应辐射热计效应温差电效应）11、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD，他们各自用途是什么？（一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置；二维PSD用来测定光点在平面上的坐标。

）12、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管，其他元件都在真空管中，真空光电器件包括哪两类。