激光辐照InSb(PV)型探测器的热损伤

　　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破坏[1~13]。陆启生[5~10]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;蒋志平[7]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[11~13]等讨论了半导体InSb材料的熔融破坏。但这些理论很少考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,以保证达到热平衡时工作温度维持在约77 K。

　　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中心,z轴与激光照射方向一致。高斯型 空间分布的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T0,样品上表面、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

　初始条件为

　边界条件为

式中:T为半导体InSb材料的温度;ρ为材料的密度,作为常数处理;λ为导热系数;cp为比定压热容;η为表面吸收率;β为吸收系数;α为表面传热系数;Ts为与InSb材料接触胶层的表面温度;a为高斯光斑半径;I0为高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,T2满足热传导方程(1)的齐次方程。初始条件为

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

式中:λs为胶层导热系数;Δ为胶层厚度。

　　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66