CN105807305B - 一种双波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统，该系统包括双波长脉冲激光产生系统、脉冲激光双光路能量衰减与调节系统、测试与控制系统；本发明可同时产生532nm和1064nm的脉冲激光，并引入到双光路衰减和调节系统，两种波长激光在半导体器件中穿透深度不同，并通过物镜或扩束镜进行光斑聚焦或扩束，可对半导体器件灵活进行灵敏层和灵敏位置定位，有效弥补了现有单波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统的不足，降低了试验成本，提高了试验效率，为有针对性的进行抗辐射加固设计提供了有效手段。

Description

一种双波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统

技术领域

本发明属于半导体器件辐射效应研究领域，主要涉及一种双波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统。

背景技术

在众多应用场景中，存在着多种辐射因素。当其与半导体器件相互作用，会引发电离效应、位移效应等物理过程，严重影响器件乃至整个系统的工作性能，甚至可能使之永久失效。深入认识辐射效应的影响并探讨相应的抗辐射加固技术是研究人员重点关注的课题。

前期，人们主要依靠电子直线加速器、各种放射源等大型地面装置开展辐射效应研究。但这些大型地面辐射模拟装置存在如辐射测量范围有限、参数调节非常困难、改变辐射种类和能量需要的时间长、对被测器件有损伤、难于精确提供器件在辐射下的精确时间和空间信息、需要严格的辐射屏蔽和保护措施等局限性，难以满足科研人员在设计初期，在实验室中灵活、快捷、安全地对半导体器件辐射效应和工作性能进行研究和验证的需求。

由于激光可以在半导体器件内产生同某些辐射效应相近的电学特征，激光模拟辐射电离效应方法应运而生。近二十余年来，得到了国外科研界的推广和认可，在半导体器件辐射效应敏感性测试、抗辐射加固器件的批量筛选以及防护措施验证等方面中证实了其独特优势，可以在很大程度上弥补地面装置模拟方法的不足，具有非常广阔的应用前景。

目前国内现有的激光模拟系统大多为单粒子效应激光模拟系统，且多为单波长试验系统，波长切换成本昂贵，不能满足辐射剂量率效应激光模拟要求。因此本发明提出一种双波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统，可以在同时实现双波长输出，可选择使用532nm或者1064nm或者同时使用532nm和1064nm，利用532nm和1064nm激光在半导体器件中穿透深度不同的特点定位半导体器件灵敏层，降低了试验成本，可灵活快捷地在实验室条件下对半导体器件辐射剂量率效应进行研究和验证。

发明内容

针对目前国内激光模拟剂量率效应系统存在的不足，以及其他模拟装置的固有限制，本发明提出了一种双波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统，实现双波长输出，可选择使用532nm或者1064nm或者同时使用532nm和1061nm，降低了试验成本，可定位半导体器件灵敏层和敏感位置，可灵活快捷地在实验室条件下对半导体器件辐射剂量率效应进行研究和验证。

本发明技术方案如下：

一种双波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统，包括双波长脉冲激光产生系统、脉冲激光能量衰减与调节系统、测试与控制系统；

双波长脉冲激光产生系统，用于产生双波长的脉冲激光，并将两个波长的脉冲激光分离；

脉冲激光能量衰减与调节系统，用于选择所需激光波长，衰减和调节脉冲激光能量，并两个波长的激光光路进行合并后引入到测试与控制系统的显微镜，经过聚焦或者扩束后照射到测试样品上；

测试与控制系统，用于采集并记录脉冲激光能量、测试样品辐射剂量率效应的电信号、待测样品的显微成像，控制精密位移平台。

所述双波长脉冲激光产生系统包括波长为1064nm的脉冲激光器、1/2波长板一、倍频晶体、增透反射镜、反射镜。波长为1064nm的脉冲激光器产生波长为1064nm的脉冲激光，在空间上依次经过1/2波长板一、倍频晶体、增透反射镜、反射镜；脉冲激光经过1/2波长板一被调节到合适的偏振态；经过倍频晶体时，1064nm脉冲激光的竖直方向的偏振分量被倍频到532nm，水平方向的偏振分量保持不变。

所述增透反射镜镀有1064nm的波长增透膜，镀有532nm波长反射膜，当包含532nm和1064nm两种波长的激光经过增透反射镜时，波长为1064nm的脉冲激光完全透射，波长为532nm的脉冲激光完全反射。

所述脉冲激光能量衰减与调节系统包括两路依次设置的光学快门、反射式衰减滤光片、1/2波长板二、偏振分光棱镜、分光镜、反射镜。光学快门用于选择脉冲激光波长为532nm或者1064nm；反射式衰减滤光片用于激光能量衰减，可选择单独使用一种透过率的滤光片或者组合使用多种透过率的滤光片；1/2波长板二和偏振分光棱镜组合在一起，用于连续调节脉冲激光能量，1/2波长板二调节脉冲激光偏振态，竖直方向的偏振分量经过偏振分光棱镜透射，水平方向的偏振分量经过分光镜反射；分光镜将脉冲激光按能量比为1:1分为两束。

经过两个反射镜后，设置有沃拉斯顿棱镜、CCD摄像头、显微镜镜筒、分光棱镜、物镜或者扩束镜；沃拉斯顿棱镜将分光镜分离出来的532nm和1064nm脉冲激光合束；CCD摄像头安装在显微镜镜筒上方，用于采集测试样品表面图像和观察光斑位置；显微镜镜筒放置在分光镜上方，分光镜下方为物镜或者扩束镜。

所述测试与控制系统包括、计算机、示波器、自由空间光探测器、用于放置测试样品的精密位移平台。自由空间光探测器将探测信号发送给示波器，示波器将信号反馈给计算机，计算机控制精密位移平台。

优选的，所述自由空间光探测器的工作波长范围覆盖400nm-1100nm，带宽不小于2GHz。

优选的，所述精密位移平台为六轴精密位移平台。

本发明有益效果如下：

本发明提供了一种在实验室条件下用于辐射剂量率效应脉冲激光模拟系统，可同时输出532nm和1064nm两种波长激光，并且可以灵活切换或者同时使用两种波长激光，可定位半导体器件敏感层和敏感位置，该系统克服了现有激光模拟系统的不足，为大型地面试验装置提供了有效的补充试验手段。

附图说明

图1 位本发明实例双波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实例进行详细描述。

参见图1，一种双波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统，包括双波长脉冲激光产生系统I、脉冲激光能量衰减与调节系统II、测试与控制系统III。

双波长脉冲激光产生系统I作用是产生双波长的脉冲激光，并将两个波长的激光分离，包括波长为1064nm的脉冲激光器1、1/2波长板一2、倍频晶体3、增透反射镜4、反射镜5。

其中，波长为1064nm的脉冲激光器1产生波长为1064nm的脉冲激光，在空间上依次经过1/2波长板一2、倍频晶体3、增透反射镜4、反射镜5。脉冲经过1/2波长板一2调节到合适的偏振态，经过倍频晶体3时，1064nm脉冲激光的竖直方向的偏振分量被倍频到532nm，水平方向的偏振分量保持不变。

增透反射镜4镀有1064nm波长增透膜，镀有532nm波长反射膜，因此，当包含532nm和1064nm两种波长的激光经过增透反射镜4，波长为1064nm的脉冲激光完全透射，波长为1064nm的脉冲激光完全反射。波长为532nm的脉冲激光经过反射镜5反射与波长为1064nm的激光同时输出。

脉冲激光能量衰减与调节系统II的作用是选择所需激光波长，衰减和调节脉冲激光能量，并两个波长的激光光路进行合并后引入到显微镜，经过物镜聚焦或者扩束镜扩束后照射到测试样品上，包括光学快门6、反射式衰减滤光片7、1/2波长板二8、偏振分光棱镜9、分光镜10、反射镜11、沃拉斯顿棱镜12、CCD摄像头13、显微镜镜筒14、分光棱镜15、物镜或者扩束镜16。

光学快门6用于选择脉冲激光波长为532nm或者1064nm，打开波长为532nm的激光所在光路的光学快门则代表使用532nm的激光，1064nm激光同理，同时打开两个光学快门，则同时使用532nm和1064nm的脉冲激光；反射式衰减滤光片7用于激光能量衰减，可选择单独使用一种透过率的滤光片或者组合使用多种透过率的滤光片；1/2波长板二8和偏振分光棱镜9组合在一起，用于连续调节脉冲激光能量，1/2波长板二8调节脉冲激光偏振态，竖直方向的偏振分量在偏振分光棱镜9透射，水平方向的偏振分量在分光镜9反射；分光镜10将脉冲激光按能量比为1:1分为两束，反射激光由自有空间光探测器21接收；532nm和1064nm的激光经过分光镜10后的透射激光经过反射镜11进行角度调整后，沃拉斯顿棱镜12将532nm和1064nm脉冲激光合束。

CCD摄像头13安装在显微镜镜筒上方，用于采集测试样品17表面图像和观察光斑位置；显微镜镜筒14放置在分光镜15上方，分光镜15下方为物镜或者扩束镜16。合束后的脉冲激光经过分光镜15，反射光经过物镜或者扩束镜16进行聚焦或者扩束后照射到测试样品17表面。

测试与控制系统III的作用是采集并记录脉冲激光能量、测试样品辐射剂量率效应的电信号、待测样品的显微成像，控制精密位移平台，包括用于放置测试样品17的精密位移平台18、计算机19、示波器20、自由空间光探测器21。

测试样品17固定在精密位移平台18上，精密位移平台18带动测试样品17运动，使脉冲激光的光斑局部照射或者全面覆盖待测样品17上。脉冲激光照射在测试样品17上后，测试样品17产生的电学响应由示波器20采集并记录。自由空间光探测器21接收到激光得到的电学响应由示波器20采集，自用空间光探测器21的电学响应用作脉冲激光能量的标定。

Claims (5)

1.一种双波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统，其特征在于：包括双波长脉冲激光产生系统（I）、脉冲激光能量衰减与调节系统（II）、测试与控制系统（III）；

双波长脉冲激光产生系统（I）用于产生双波长的脉冲激光，并将两个波长的脉冲激光分离；所述双波长脉冲激光产生系统（I）包括波长为1064nm的脉冲激光器（1）、1/2波长板一（2）、倍频晶体（3）、增透反射镜（4）、反射镜（5）；所述脉冲激光器（1）的脉冲激光输出方向依次放置有1/2波长板一（2）、激光束 倍频晶体（3）、增透反射镜（4），增透反射镜（4）的脉冲激光反射方向上放置有反射镜（5）；所述脉冲激光器（1）产生波长为1064nm的脉冲激光，在空间上依次经过1/2波长板一（2）、倍频晶体（3）、增透反射镜（4）、反射镜（5）；

脉冲激光能量衰减与调节系统（II）用于选择所需激光波长，衰减和调节脉冲激光能量，并将两个波长的激光光路进行合并后经显微，然后经过聚焦或者扩束后照射到测试样品上；所述脉冲激光能量衰减与调节系统（II）包括两路依次设置的光学快门（6）、反射式衰减滤光片（7）、1/2波长板二（8）、偏振分光棱镜（9）、分光镜（10）、反射镜（11）；所述光学快门（6）用于选择脉冲激光波长为532nm或者1064nm；所述反射式衰减滤光片（7）用于激光能量衰减；所述1/2波长板二（8）和偏振分光棱镜（9）组合在一起，用于连续调节脉冲激光能量，1/2波长板二（8）调节脉冲激光偏振态，脉冲激光的竖直方向的偏振分量在偏振分光棱镜（9）透射，脉冲激光的水平方向的偏振分量在分光镜（9）反射；所述分光镜（10）将脉冲激光按能量比为1:1分为两束；所述反射镜（11）用于反射经过分光镜（10）分离的脉冲激光；经过两个反射镜（11）后，设置有沃拉斯顿棱镜（12）、CCD摄像头（13）、显微镜镜筒（14）、分光棱镜（15）、物镜或者扩束镜（16）；所述沃拉斯顿棱镜（12）用于将两束脉冲激光合束；所述CCD摄像头（13）安装在显微镜镜筒上方，用于采集测试样品（17）表面图像和观察光斑位置；所述显微镜镜筒（14）放置在分光镜（15）上方，分光镜（15）下方为物镜或者扩束镜（16）；

测试与控制系统（III）用于采集并记录脉冲激光能量、测试样品辐射剂量率效应的电信号、待测样品的显微成像，控制精密位移平台；所述测试与控制系统（III）包括放置测试样品（17）的精密位移平台（18）、计算机（19）、示波器（20）、自由空间光探测器（21）；自由空间光探测器（21）将探测信号发送给示波器（20），示波器（20）将信号反馈给计算机（19），计算机（19）控制精密位移平台（18）。

2.根据权利要求1所述的一种双波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统，其特征在于：所述增透反射镜（4）镀有1064nm的波长增透膜，还镀有532nm的波长反射膜；当包含532nm和1064nm两种波长的脉冲激光经过增透反射镜（4）时，波长为1064nm的脉冲激光完全透射，波长为532nm的脉冲激光完全反射。

3.根据权利要求1或2所述的一种双波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统，其特征在于：所述脉冲激光器（1）产生的1064nm的脉冲激光经过1/2波长板一（2）时，被调节到合适的偏振态；然后，经过倍频晶体（3）时，脉冲激光的竖直方向的偏振分量被倍频到532nm，水平方向的偏振分量保持不变。

4.根据权利要求1所述的一种双波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统，其特征在于：所述反射式衰减滤光片（7）选择单独使用一种透过率的滤光片，或者组合使用多种透过率的滤光片。

5.根据权利要求1所述的一种双波长脉冲激光辐射剂量率效应模拟系统，其特征在于：所述自由空间光探测器（21）的工作波长范围覆盖400nm-1100nm，带宽大于或等于2GHz。