CN105510809B - 脉冲激光模拟单粒子试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲激光模拟单粒子试验系统及方法。所述系统包括：依激光光束前进方向设置的脉冲激光器、激光能量调节器、光束准直器、扫描振镜系统、F‑θ物镜以及测试电路；脉冲激光器输出激光光束；激光能量调节器调节激光光束的能量；光束准直器减小激光光束的发散角；扫描振镜系统控制激光光束的偏转；F‑θ物镜对激光光束进行聚焦，聚焦形成的光斑作用于测试样品；测试电路获取测试样品在激光作用下发生单粒子效应的测试数据。通过本发明，能够保证单粒子效应实验效果，且易于实现重复定位，并降低实验成本。

Description

脉冲激光模拟单粒子试验系统及方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及脉冲激光模拟单粒子试验系统及方法。

背景技术

单粒子效应是指空间中单个高能粒子，在器件材料中通过直接电离作用或者核反应生成次级粒子的间接电离作用产生并累积有效电离电荷，被器件敏感节点收集后，导致器件工作状态、逻辑状态、输出电平、功能受阻等发生变化或损伤的现象。

针对单粒子效应的实验研究，目前主要的方法为脉冲激光模拟方法。脉冲激光模拟单粒子效应是将聚焦的脉冲激光束斑辐照在集成电路上，利用半导体的光电效应产生电子空穴对，模拟高能粒子进入半导体后电离出电子空穴对而产生的单粒子效应，这是方法能够快速评估抗辐照加固措施的性能，可以实现单粒子效应的截面测试及不同灵敏区域的阈值测试，并能够实现对具体单粒子效应灵敏区出错位置的三维定位。

现有的脉冲激光模拟单粒子效应系统(如波音公司研制的脉冲激光模拟单粒子效应系统、英国Matra BAe Dynamic公司研制的脉冲激光模拟单粒子效应系统、中国科学院空间科学与应用研究中心研制的测试系统等)的普遍结构为，分为以下几个部分：脉冲激光器、激光监测及调节系统、聚焦系统、扫描系统、成像系统以及单粒子效应检测系统。对应的功能为：脉冲激光器主要功能是发射激光脉冲；激光监测及调节系统的功能主要是监测脉冲激光的脉宽、能量、频率参数，根据需要调节激光能量；聚焦系统的功能主要是聚焦激光束及控制激光光斑的尺寸，和成像系统共用同一个显微物镜；扫描系统采用三维移动系统，它需要具有2维扫描的功能；成像系统是由显微物镜、照明器和CCD相机共同组成，成像系统的显微物镜既有成像的功能，又有将激光聚焦的功能；单粒子效应检测系统需要根据具体的试验对象和效应类型来设定，其主要功能是检测被测器件对单粒子效应的响应，如存储数据改变、电流变化、电压波动等。

基于现有脉冲激光模拟单粒子效应系统进行实验时，均要求被测器件安装在三维移动系统上，试验时器件随着三维移动系统不断运动，实现器件表面的扫描，存在以下弊端：(1)成本高昂。对于高集成度的集成电路，所需的精度也就越高，这就对三维移动系统的精度要求很高，使得系统成本高昂；(2)试验周期长。激光光斑一般仅为几微米，为了尽可能扫描整个器件，需要几十分钟甚至更久的时间扫描；(3)该三维移动系统在运动过程中不可避免产生的振动会对精确定位产生影响；(4)重复定位困难。由于振动和三维移动系统的精度，使得试验复现较难，一般需要复杂昂贵的隔振平台；(5)由于激光聚焦和成像采用同一个镜头，所以器件位于成像最清晰位置和激光聚焦最佳位置往往不重合，影响单粒子效应实验效果。

发明内容

基于此，本发明提供一种脉冲激光模拟单粒子试验系统及方法，能够保证单粒子效应实验效果，且易于实现重复定位，并降低实验成本。

本发明一方面提供脉冲激光模拟单粒子试验系统，包括：依激光光束前进方向设置的脉冲激光器、激光能量调节器、光束准直器、扫描振镜系统、F-θ物镜以及测试电路；

脉冲激光器输出激光光束；激光能量调节器调节激光光束的能量；光束准直器减小激光光束的发散角；扫描振镜系统控制激光光束的偏转；F-θ物镜对激光光束进行聚焦，聚焦形成的光斑作用于测试样品；测试电路获取测试样品在激光作用下发生单粒子效应的测试数据。

优选的，还包括激光监测系统，

所述激光监测系统包括光束轮廓分析仪、能量计和自相关仪，所述激光监测系统用于获取经激光能量调节器调节能量后激光光束的单脉冲能量、光场分布和脉宽的激光检测数据。

优选的，还包括数据处理设备，

所述数据处理设备用于控制扫描振镜系统的扫描路径，以及接收激光监测系统发送的激光检测数据、测试电路发送的测试数据，并处理测试数据和激光检测数据。

优选的，还包括电子显微镜，所述电子显微镜用于观测测试样品的表面形貌。

优选的，所述脉冲激光器输出的激光光束的波长范围为500nm～2000nm，脉宽范围为1fs～100ns，频率范围为1～10kHz。

优选的，所述激光能量调节器调节激光光束的能量，包括：

所述激光能量调节器包括电控旋转台、半波片、偏振分光棱镜，将激光光束通过由电控旋转台驱动旋转的半波片后改变偏振方向，之后再控制激光光束通过偏振分光棱镜，实现调节能量；或

所述激光能量调节器包括衰减片，将激光光束通过不同衰减率的衰减片以调节能量；或

所述激光能量调节器包括镀有介质膜的分光镜，通过改变所述分光镜的激光光束入射角度以调节能量。

优选的，所述光束准直器包括焦点重合的2个透镜。

优选的，所述扫描振镜系统包括2个伺服电机和2个扫描镜，每个伺服电机控制一个扫描镜偏转，激光光束射到其中一个扫描镜后反射到另一个扫描镜，控制两个扫描镜分别沿X、Y轴扫描，实现控制激光光束的偏转。

优选的，所述F-θ物镜为透镜组，像高y和偏转角度θ的关系为y＝fθ，所述F-θ物镜的焦距大于150mm，分辨率小于5μm；通过其聚焦形成的、作用于测试样品的光斑小于5μm。

本发明另一方面提供脉冲激光模拟单粒子试验方法，包括：

提供依激光光束前进方向设置的脉冲激光器、激光能量调节器、光束准直器、扫描振镜系统、F-θ物镜、测试电路；

脉冲激光器输出激光光束；

激光能量调节器调节激光光束的能量；

光束准直器减小激光光束的发散角；

扫描振镜系统控制激光光束的偏转；

F-θ物镜对激光光束进行聚焦，聚焦形成的光斑作用于测试样品；

测试电路获取测试样品在激光作用下发生单粒子效应的测试数据。

基于上述技术方案进行脉冲激光模拟单粒子试验，不需要精密的三维位移平台，也不需要高精度的隔振技术，有利于节约成本，并且实验过程中不产生振动，易于实现重复定位，且定位准确度高，通过扫描振镜系统的光扫描速度，可快速扫描器件，有效节约试验时间，通过成像和激光聚焦调试相互独立的设计，保证了单粒子效应实验效果。

附图说明

图1为一实施例的脉冲激光模拟单粒子试验系统的示意性结构图；

图2为另一实施例的脉冲激光模拟单粒子试验系统的示意性结构图；

图3为一实施例的扫描振镜系统的示意性结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为一实施例的脉冲激光模拟单粒子试验系统的示意性结构图；如图1所示，本实施例的脉冲激光模拟单粒子试验系统包括：依激光光束前进方向设置的脉冲激光器、激光能量调节器、光束准直器、扫描振镜系统、F-θ物镜以及测试电路。基于该系统结构，工作时，脉冲激光器输出激光光束；激光能量调节器调节激光光束的能量；光束准直器减小激光光束的发散角；扫描振镜系统控制激光光束的偏转；F-θ物镜对激光光束进行聚焦，聚焦形成的光斑作用于测试样品；测试电路获取测试样品在激光作用下发生单粒子效应的测试数据。

优选的，为适应不同的测试需求，所述激光能量调节器调节激光光束的能量的实施方式有多种，例如以下三种：

1)所述激光能量调节器具体包括：电控旋转台、半波片、偏振分光棱镜，通过该激光能量调节器调节激光光束的能量的方法为：将激光光束通过由电控旋转台驱动旋转的半波片后改变偏振方向，之后再控制激光光束通过偏振分光棱镜，实现调节能量。具体来说，对于线偏振激光，首先将其通过在电控旋转台驱动旋转的半波片，该半波片可以旋转激光的偏振方向，然后将激光通过偏振分光棱镜，根据马吕斯定律就可以连续调节激光的单脉冲能量；2)所述激光能量调节器包括有衰减片，通过所述激光能量调节器调节激光光束的能量的方法为：将激光光束通过不同衰减率的衰减片以调节能量；3)所述激光能量调节器包括镀有介质膜的分光镜，通过所述激光能量调节器调节激光光束的能量的方法为：通过改变所述分光镜的激光光束入射角度以调节能量。

作为一优选实施方式，还包括激光监测系统，该激光监测系统包括光束轮廓分析仪、能量计和自相关仪，所述激光监测系统用于获取经激光能量调节器调节能量后激光光束的单脉冲能量、光场分布和脉宽的激光检测数据。

进一步的，还包括数据处理设备，该数据处理设备用于控制扫描振镜系统的扫描路径，以及接收激光监测系统发送的激光检测数据、测试电路发送的测试数据，并处理测试数据和激光检测数据。可以理解的是，所述数据处理设备可为电脑，如图2所示，作为数据处理设备的电脑可与激光监测系统、测试电路以及扫描振镜系统分别连接。

进一步的，还包括电子显微镜，通过所述电子显微镜观测测试样品7的表面形貌。

作为一优选实施方式，所述脉冲激光器输出的激光光束的波长范围为500nm～2000nm，脉宽范围为1fs～100ns，频率范围为1～10kHz。

作为一优选实施方式，所述光束准直器包括焦点重合的2个透镜，从而实现了减小激光发散角的目的。所述光束准直器可采用倒置望远镜的光路来实现。

作为一优选实施方式，所述扫描振镜系统包括2个伺服电机和2个扫描镜，该扫描振镜系统的工作原理是：每个伺服电机控制一个扫描镜偏转，激光光束射到其中一个扫描镜后反射到另一个扫描镜，控制两个扫描镜分别沿X、Y轴扫描，实现控制激光光束的偏转。

基于上述实施例所述，作为一优选实施方式，如图2所示，所述脉冲激光模拟单粒子试验系统具体包括：脉冲激光器1、激光能量调节器2、激光监测系统3、光束准直器4、扫描振镜系统5、F-θ物镜6、测试样品7、电子显微镜8、测试电路9以及电脑10。各部分具体说明如下：

所述激光能量调节器1(例如泵浦激光器)输出的光束是脉冲工作的，其波长范围在500nm～2000nm之间，脉宽范围为1fs～100ns，重复频率范围为1～10kHz。所述能量调节器2调节激光的单脉冲能量，以适应不同的测试需求。所述激光监测系统3监测激光光束的单脉冲能量、光场分布和脉宽，并将测试数据传输到电脑10中。所述光束准直器4减小激光发散角。所述扫描振镜系统5是由2个伺服电机、2个扫描镜和控制组成，工作原理是将激光束入射到两反射镜(扫描镜)上，用计算机控制伺服电机从而控制反射镜的反射角度，这两个反射镜可分别沿X、Y轴扫描，从而达到激光束的偏转。所述F-θ物镜6是透镜组，其像高y和偏转角度θ的关系为y＝fθ，实现了在扫描成像面上的等速扫描，为了实现高速扫描，所述F-θ物镜的焦距大于150mm，为了满足单粒子测试需求，所述F-θ物镜的分辨率小于5μm，通过其聚焦形成的、作用于测试样品7的光斑小于5μm。所述测试电路9监测样品7是否发生单粒子效应，测试电路9连接样品7，当样品在激光作用下发生单粒子效应时，可将测试结果反馈给电脑10。所述电脑10用来控制系统及处理试验数据。电脑10还可用来控制激光能量调节器2，显示和记录激光监测系统3的测试数据，以及控制扫描振镜系统5的伺服电机、从而控制激光扫描的路径。在实验过程中，电子显微镜8用来观测器件7表面形貌。

进一步的，如图3所示，其中扫描振镜系统5是由第一伺服电机51、第一扫描镜52、第二伺服电机53和第二扫描镜54组成。该系统控制激光光束的偏转的工作原理是：将激光束入射到第一扫描镜52和第二扫描镜54上，通过计算机控制第一伺服电机51和第二伺服电机53，从而控制两个扫描镜的反射角度，这两个扫描镜可分别沿X、Y轴扫描，从而实现激光束的偏转。

通过上述实施例的脉冲激光模拟单粒子试验系统，有益效果包括：(1)成本低廉。由于不需要精密的三维位移平台，也不需要高精度的隔振技术，节约成本；(2)节约试验时间。该发明所采用光学扫描系统的扫描速度可达7m/s，有效节约试验时间；(3)静态测试。实验过程中不产生振动；(4)重复定位精度高。该系统使用位置传感器和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度，整个系统的扫描速度和重复定位精度达到非常高的水平。(5)成像和激光聚焦调试相互独立。

本发明还提供了一种脉冲激光模拟单粒子试验方法的实施例，本实施例的脉冲激光模拟单粒子试验方法包括如下步骤：

S1、提供依激光光束前进方向设置的脉冲激光器、激光能量调节器、光束准直器、扫描振镜系统、F-θ物镜、测试电路；

S2、脉冲激光器输出激光光束；

S3、激光能量调节器调节激光光束的能量；

S4、光束准直器减小激光光束的发散角；

S5、扫描振镜系统控制激光光束的偏转；

S6、F-θ物镜对激光光束进行聚焦，聚焦形成的光斑作用于测试样品；

S7、测试电路获取测试样品在激光作用下发生单粒子效应的测试数据。

需要说明的是，对于上述方法实施例，为了简便描述，将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。可以理解，其中所使用的术语“第一”、“第二”等在本文中用于描述各对象，但这些对象不受这些术语限制。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，可以将第一扫描镜称为第二扫描镜，将第二扫描镜称为第一扫描镜。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.脉冲激光模拟单粒子试验系统，其特征在于，包括：依激光光束前进方向设置的脉冲激光器、激光能量调节器、光束准直器、扫描振镜系统、F-θ物镜以及测试电路；

脉冲激光器输出激光光束；激光能量调节器调节激光光束的能量；光束准直器减小激光光束的发散角；扫描振镜系统控制激光光束的偏转；F-θ物镜对激光光束进行聚焦，聚焦形成的光斑作用于测试样品；测试电路获取测试样品在激光作用下发生单粒子效应的测试数据。

2.根据权利要求1所述的脉冲激光模拟单粒子试验系统，其特征在于，还包括激光监测系统，

所述激光监测系统包括光束轮廓分析仪、能量计和自相关仪，所述激光监测系统用于获取经激光能量调节器调节能量后激光光束的单脉冲能量、光场分布和脉宽的激光检测数据。

3.根据权利要求2所述的脉冲激光模拟单粒子试验系统，其特征在于，还包括数据处理设备，

所述数据处理设备用于控制扫描振镜系统的扫描路径，以及接收激光监测系统发送的激光检测数据、测试电路发送的测试数据，并处理测试数据和激光检测数据。

4.根据权利要求1所述的脉冲激光模拟单粒子试验系统，其特征在于，还包括电子显微镜，所述电子显微镜用于观测测试样品的表面形貌。

5.根据权利要求1所述的脉冲激光模拟单粒子试验系统，其特征在于，所述脉冲激光器输出的激光光束的波长范围为500nm～2000nm，脉宽范围为1fs～100ns，频率范围为1～10kHz。

6.根据权利要求1所述的脉冲激光模拟单粒子试验系统，其特征在于，所述激光能量调节器调节激光光束的能量，包括：

所述激光能量调节器包括电控旋转台、半波片、偏振分光棱镜，将激光光束通过由电控旋转台驱动旋转的半波片后改变偏振方向，之后再控制激光光束通过偏振分光棱镜，实现调节能量；或

所述激光能量调节器包括衰减片，将激光光束通过不同衰减率的衰减片以调节能量；或

所述激光能量调节器包括镀有介质膜的分光镜，通过改变所述分光镜的激光光束入射角度以调节能量。

7.根据权利要求1所述的脉冲激光模拟单粒子试验系统，其特征在于，所述光束准直器包括焦点重合的2个透镜。

8.根据权利要求1所述的脉冲激光模拟单粒子试验系统，其特征在于，所述扫描振镜系统包括2个伺服电机和2个扫描镜，每个伺服电机控制一个扫描镜偏转，激光光束射到其中一个扫描镜后反射到另一个扫描镜，控制两个扫描镜分别沿X、Y轴扫描，实现控制激光光束的偏转。

9.根据权利要求1所述的脉冲激光模拟单粒子试验系统，其特征在于，所述F-θ物镜为透镜组，像高y和偏转角度θ的关系为y＝fθ，所述F-θ物镜的焦距大于150mm，分辨率小于5μm；通过其聚焦形成的、作用于测试样品的光斑小于5μm。

10.脉冲激光模拟单粒子试验方法，其特征在于，包括：

提供依激光光束前进方向设置的脉冲激光器、激光能量调节器、光束准直器、扫描振镜系统、F-θ物镜、测试电路；

脉冲激光器输出激光光束；

激光能量调节器调节激光光束的能量；

光束准直器减小激光光束的发散角；

扫描振镜系统控制激光光束的偏转；

F-θ物镜对激光光束进行聚焦，聚焦形成的光斑作用于测试样品；

测试电路获取测试样品在激光作用下发生单粒子效应的测试数据。