张 超，张 伟，王 滨，万 勇，薛亮平，李燕凌

（1.中国人民解放军总参谋部四部驻成都地区军代室，成都610036；2.西南技术物理研究所，成都610041）

不同波长激光对CCD的干扰性实验研究

张 超1，张 伟2，王 滨2，万 勇2，薛亮平2，李燕凌2

（1.中国人民解放军总参谋部四部驻成都地区军代室，成都610036；2.西南技术物理研究所，成都610041）

为了对比研究激光对可见光CCD的干扰效果，采用532nm，808nm和1064nm波长的激光对同一可见光CCD进行了干扰实验。结果表明，3种波长的激光对CCD都有一定的干扰效果，由于干扰波长、干扰功率、工作方式等不一样，干扰效果也存在差异。对于脉冲式激光器，532nm激光比1064nm激光具有更低的光饱和阈值；当各波长激光输出达到一定功率时，CCD会出现饱和串音的现象。此干扰实验为更好干扰CCD成像系统提供了一定的实验依据。

激光技术；CCD；激光干扰；饱和串音

引 言

电荷耦合器件（charge coupled devices，CCD）由BOYLE和SMITH发明的［1-2］。近年来，由于其体积小、电路简单、输出信噪比高、动态范围宽、功耗小等优点，已被大规模应用在民用、军用等各成像领域。激光可引起CCD成像器件暂时或永久失效，造成设备无法正常工作。因而针对激光对CCD器件的干扰与损伤效应已成为一个具有十分重要意义的研究领域［3-8］。国内外许多学者对这方面作过一定的研究［9-13］，但大都采用一种激光器对CCD进行一些干扰或损伤实验。作者在前人的基础上，通过采用不同波段的激光对近距离同一CCD成像器件进行干扰，当激光的输出波长、输出功率以及CCD光圈大小不同时，干扰效果明显不一样。此干扰实验为更好干扰CCD成像系统提供了一定的实验依据。

1 CCD工作原理及光饱和串音机理

当前，CCD品种、型号较多，参量各异，但其基本结构和工作原理基本相同。CCD都是在陶瓷材料上粘接的N型或P型Si为衬底生长一层二氧化硅绝缘层，再在绝缘层上沉积一层金属铝为栅极构成金属氧化物（metal oxide silicon，MOS）电容器，多个MOS电容器就组成了CCD。当CCD工作时，可通过光注入或电注入的方式向势阱注入电荷，以获得自由电子或自由空穴，形成电荷包。提取信号时，利用耗尽层耦合原理进行电荷转移，CCD中的电荷转移必须按照确定的方向，因此MOS电容列阵上所加的电位脉冲必须严格满足相位时序要求，使得任何时候势阱的变化总是朝着一个方向，最后检测出输出电荷，成为视频信号。

激光作用于CCD光电探测器时，主要包括光电效应作用和热作用。当强光辐照CCD时可使局部P-N结退化为电阻，使得电阻降低，伏安曲线变直。当用强光辐照CCD探测器光敏面的局部时，从输出的信号观察到，被光照射的区域达到以饱和，未被光照射的区域也有信号输出，当光足够强时光功率密度超过CCD的线性区域时，整个探测器处于饱和状态，即所谓的“光饱和串音”现象［14-15］。

造成“光饱和串音”现象（也称“弥散现象”），的原因与CCD的结构和工作方式有关，CCD的光敏元是并行的，但它的转移传输元去是串行的，各元之间用沟阻隔开，基底是在一起的。在极短时间内（约1ps），强光辐照产生的大量光生载流子在光信号积分时间内（约为微秒和毫秒量级）可以向邻近势阱溢流。对于不同的CCD器件，其对于不同的激光具有不同的光饱和阈值，且都比较低，表1中为一些CCD的光饱和阈值。但是，光饱和串音并没有对CCD器件造成损伤，只是干扰了CCD的正常工作，显然，连续（contionus wave，CW）激光比脉冲激光更能实现光饱和串音。

Table 1 Saturation thresholds of CCD at a certain laser wavelength［16］

2 实验介绍

Fig.1 Experimental assembly

实验原理图如图1所示。图中采用的CCD单像元尺寸为6.35μm×7.4μm，电子快门积分时间约为1／60s～1／100000s，且配备了焦距为75mm的镜头。实验中使用的3台不同波长的激光器的参量如表2所示。

laser wavelength／nm pulse width／ns 1 808 9 CW —2 532 8 8 30 3 1064 5 8 10 divergence angle／mrad frequency／kHz

根据干扰原理图，通过干扰激光的功率P和光束发散角θ利用下式可计算出被干扰目标所在位置处的激光平均功率密度ρ（W／cm2）：

式中，P为干扰激光功率（W）；τ1为干扰激光器光束准直光学系统的透过率；τ2为干扰激光单程传输的大气透过率；L为干扰距离（105.6m）；θ为激光束发散角。可见，干扰目标所在位置处的激光平均功率密度ρ与干扰距离L、激光发散角θ成反比，与激光功率P成正比，因而要实现激光远距离有效干扰CCD，必须使用功率高、发散角小的激光器。

3 干扰实验结果及分析

3.1 808nm激光器对可见光CCD成像系统的干扰

Fig.2 Jamming effect of the 808nm laser against CCD at different power

808nm激光器对可见光CCD的干扰效果如图2所示。由图2可知，由于808nm激光器输出功率不一样，从而造成对CCD的干扰效果不同。当输出功率为0.5W左右时，由于输出功率未到CCD的光饱和阈值，因而未出现饱和干扰现象。当输出功率为2W以上时，由（1）式可算出此时的功率密度为1.38× 10－4W／cm2，其中τ1＝0.49，此时刚出现光饱和串音现象，如图2b所示。由此可见，对于808nm激光，CCD的光饱和阈值大概为1.38×10－4W／cm2，当超过这一饱和阈值以后，激光将对CCD成像系统出现更强的光饱和串音现象。由于对于连续激光来说，造成CCD的硬损伤的功率要求很高，现实中不易实现，但如果再次提高808nm激光的输出功率，可能会使CCD局部饱和无法正常工作。由图2可以看出，随着808nm激光功率的增加，光饱和串音现象越来越明显。

3.2 532nm激光对CCD成像系统的干扰

实验中使用的532nm激光器是通过1.064μm激光抽运磷酸钛氧钾（KTiOPO4，KTP）倍频率晶体来实现的。图3在不同输出功率情况下532nm激光对可见光CCD成像系统的干扰实验。

Fig.3 Jamming effect of the 532nm laser against CCD at different power

如图3a所示，可见光CCD刚超过光饱和阈值，此时532nm输出功率为0.8W左右，根据以往的实验提供的532nm参量可得出现饱和串音时的功率密度大约为8×10－6W／cm2，其中τ1＝0.29，当超过这一功率时，会出现饱和串音现象。当输出532nm的功率从0.8W增加到1W时，干扰效果也越来越明显，光饱和串音现象也越来越显著。可见532nm激光对可见CCD具有很好的干扰效果。

3.3 1064nm激光对CCD成像系统的干扰

图4为不同输出功率下1064nm激光对CCD成像系统的干扰效果。由图4可知，由于输出功率不同，干扰效果也不一样。但是，当达到饱和阈值（根据以往实验提供的1064nm参量，由（1）式可得到出现饱和串音时的功率密度大约为3.4×10－5W／cm2，此时τ1＝0.61，CCD成像系统从开始干扰逐渐出现饱和串音，且越来越明显。由此干扰效果可知，1064nm激光可以对可见光CCD成像系统进行有效干扰。

Fig.4 Jamming effect of the 1064nm laser against CCD at different power

由以上干扰实验效果可知，对于可见光CCD成像系统来说，808nm，532nm和1064nm激光都具有有效的干扰效果，但由于3种激光的波长以及运转方式不一样，从而对同一CCD的光饱和阈值不一样，相对于脉冲式的激光器来说，532nm比1064nm激光具有更低的光饱和阈值。

4 结 论

通过808nm，532nm和1064nm激光对同一可见光CCD成像系统进行有效干扰实验。由干扰实验效果可知，不同波长的激光对同一可见光CCD存在不同的光饱和阈值功率，且当干扰功率达到这一光饱和阈值时会出现光饱和串音现象，并且进一步提高激光器的干扰功率时有可能使CCD达到硬损伤。此干扰实验有效性地验证了激光对CCD有效干扰的可行性。

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Experimental study on interference characteristics of CCD at different laser wavelengths

ZHANG Chao1，ZHNAG Wei2，WANG Bin2，WAN Yong2，XUE Liangping2，LING Yanling2
（1.Military Representative Office in Chengdu，Fourth Department of the Headquarters of the General Staff，Chinese People’s Liberation Army，Chengdu 610036，China；2.Southwest Institute of Technical Physics，Chengdu 610041，China）

To study the laser jamming of CCD comparatively，three lasers at wavelengths of 532nm，808nm and 1064nm were adopted in the jamming experiments.The experiments results reveal that the jamming of three lasers to CCD is effective.However，the jamming effect is different because of the difference of the jamming wavelength，the power and the working mode.For pulsed lasers，532nm laser has the lower light saturation threshold than 1064nm laser.When the output laser power reaches a certain value，the saturation crosstalk phenomenon occurs in a CCD.It provides an experimental basis for better jamming against CCD imaging systems.

laser technique；charge coupled devices；laser jamming；saturation cross-talk

TN249

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.022

1001-3806（2014）06-0826-04

张 超（1976-），男，工程师，主要从事电子对抗的研究。

E-mail：289038404＠qq.com

2013-11-07；

2013-12-09