脈沖激光模擬單粒子試驗(yàn)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及脈沖激光模擬單粒子試驗(yàn)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單粒子效應(yīng)是指空間中單個(gè)高能粒子，在器件材料中通過直接電離作用或者核反應(yīng)生成次級(jí)粒子的間接電離作用產(chǎn)生并累積有效電離電荷，被器件敏感節(jié)點(diǎn)收集后，導(dǎo)致器件工作狀態(tài)、邏輯狀態(tài)、輸出電平、功能受阻等發(fā)生變化或損傷的現(xiàn)象。
[0003]針對(duì)單粒子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，目前主要的方法為脈沖激光模擬方法。脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)是將聚焦的脈沖激光束斑輻照在集成電路上，利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，模擬高能粒子進(jìn)入半導(dǎo)體后電離出電子空穴對(duì)而產(chǎn)生的單粒子效應(yīng)，這是方法能夠快速評(píng)估抗輻照加固措施的性能，可以實(shí)現(xiàn)單粒子效應(yīng)的截面測試及不同靈敏區(qū)域的閾值測試，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)具體單粒子效應(yīng)靈敏區(qū)出錯(cuò)位置的三維定位。
[0004]現(xiàn)有的脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)系統(tǒng)(如波音公司研制的脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)系統(tǒng)、英國Matra BAe Dynamic公司研制的脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)系統(tǒng)、中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心研制的測試系統(tǒng)等)的普遍結(jié)構(gòu)為，分為以下幾個(gè)部分:脈沖激光器、激光監(jiān)測及調(diào)節(jié)系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、成像系統(tǒng)以及單粒子效應(yīng)檢測系統(tǒng)。對(duì)應(yīng)的功能為:脈沖激光器主要功能是發(fā)射激光脈沖;激光監(jiān)測及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能主要是監(jiān)測脈沖激光的脈寬、能量、頻率參數(shù)，根據(jù)需要調(diào)節(jié)激光能量;聚焦系統(tǒng)的功能主要是聚焦激光束及控制激光光斑的尺寸，和成像系統(tǒng)共用同一個(gè)顯微物鏡;掃描系統(tǒng)采用三維移動(dòng)系統(tǒng)，它需要具有2維掃描的功能;成像系統(tǒng)是由顯微物鏡、照明器和CCD相機(jī)共同組成，成像系統(tǒng)的顯微物鏡既有成像的功能，又有將激光聚焦的功能；單粒子效應(yīng)檢測系統(tǒng)需要根據(jù)具體的試驗(yàn)對(duì)象和效應(yīng)類型來設(shè)定，其主要功能是檢測被測器件對(duì)單粒子效應(yīng)的響應(yīng)，如存儲(chǔ)數(shù)據(jù)改變、電流變化、電壓波動(dòng)等。
[0005]基于現(xiàn)有脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，均要求被測器件安裝在三維移動(dòng)系統(tǒng)上，試驗(yàn)時(shí)器件隨著三維移動(dòng)系統(tǒng)不斷運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)器件表面的掃描，存在以下弊端:(I)成本高昂。對(duì)于高集成度的集成電路，所需的精度也就越高，這就對(duì)三維移動(dòng)系統(tǒng)的精度要求很高，使得系統(tǒng)成本高昂；(2)試驗(yàn)周期長。激光光斑一般僅為幾微米，為了盡可能掃描整個(gè)器件，需要幾十分鐘甚至更久的時(shí)間掃描；(3)該三維移動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中不可避免產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)對(duì)精確定位產(chǎn)生影響；(4)重復(fù)定位困難。由于振動(dòng)和三維移動(dòng)系統(tǒng)的精度，使得試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)較難，一般需要復(fù)雜昂貴的隔振平臺(tái)；(5)由于激光聚焦和成像采用同一個(gè)鏡頭，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，影響單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于此，本發(fā)明提供一種脈沖激光模擬單粒子試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，能夠保證單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)效果，且易于實(shí)現(xiàn)重復(fù)定位，并降低實(shí)驗(yàn)成本。
[0007]本發(fā)明一方面提供脈沖激光模擬單粒子試驗(yàn)系統(tǒng)，包括:依激光光束前進(jìn)方向設(shè)置的脈沖激光器、激光能量調(diào)節(jié)器、光束準(zhǔn)直器、掃描振鏡系統(tǒng)、F-θ物鏡以及測試電路；
[0008]脈沖激光器輸出激光光束;激光能量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)激光光束的能量;光束準(zhǔn)直器減小激光光束的發(fā)散角；掃描振鏡系統(tǒng)控制激光光束的偏轉(zhuǎn);F-θ物鏡對(duì)激光光束進(jìn)行聚焦，聚焦形成的光斑作用于測試樣品；測試電路獲取測試樣品在激光作用下發(fā)生單粒子效應(yīng)的測試數(shù)據(jù)。
[0009]優(yōu)選的，還包括激光監(jiān)測系統(tǒng)，
[0010]所述激光監(jiān)測系統(tǒng)包括光束輪廓分析儀、能量計(jì)和自相關(guān)儀，所述激光監(jiān)測系統(tǒng)用于獲取經(jīng)激光能量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)能量后激光光束的單脈沖能量、光場分布和脈寬的激光檢測數(shù)據(jù)。
[0011 ]優(yōu)選的，還包括數(shù)據(jù)處理設(shè)備，
[0012]所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備用于控制掃描振鏡系統(tǒng)的掃描路徑，以及接收激光監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送的激光檢測數(shù)據(jù)、測試電路發(fā)送的測試數(shù)據(jù)，并處理測試數(shù)據(jù)和激光檢測數(shù)據(jù)。
[0013]優(yōu)選的，還包括電子顯微鏡，所述電子顯微鏡用于觀測測試樣品的表面形貌。
[0014]優(yōu)選的，所述脈沖激光器輸出的激光光束的波長范圍為500nm?2000nm，脈寬范圍為If s?10ns，頻率范圍為I?1kHz。
[0015]優(yōu)選的，所述激光能量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)激光光束的能量，包括:
[0016]所述激光能量調(diào)節(jié)器包括電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)、半波片、偏振分光棱鏡，將激光光束通過由電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的半波片后改變偏振方向，之后再控制激光光束通過偏振分光棱鏡，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)能量;或
[0017]所述激光能量調(diào)節(jié)器包括衰減片，將激光光束通過不同衰減率的衰減片以調(diào)節(jié)能量;或
[0018]所述激光能量調(diào)節(jié)器包括鍍有介質(zhì)膜的分光鏡，通過改變所述分光鏡的激光光束入射角度以調(diào)節(jié)能量。
[0019]優(yōu)選的，所述光束準(zhǔn)直器包括焦點(diǎn)重合的2個(gè)透鏡。
[0020]優(yōu)選的，所述掃描振鏡系統(tǒng)包括2個(gè)伺服電機(jī)和2個(gè)掃描鏡，每個(gè)伺服電機(jī)控制一個(gè)掃描鏡偏轉(zhuǎn)，激光光束射到其中一個(gè)掃描鏡后反射到另一個(gè)掃描鏡，控制兩個(gè)掃描鏡分別沿X、Y軸掃描，實(shí)現(xiàn)控制激光光束的偏轉(zhuǎn)。
[0021]優(yōu)選的，所述F-θ物鏡為透鏡組，像高y和偏轉(zhuǎn)角度Θ的關(guān)系為y= f0，所述F-θ物鏡的焦距大于150mm，分辨率小于5μπι;通過其聚焦形成的、作用于測試樣品的光斑小于5μπι。
[0022]本發(fā)明另一方面提供脈沖激光模擬單粒子試驗(yàn)方法，包括:
[0023]提供依激光光束前進(jìn)方向設(shè)置的脈沖激光器、激光能量調(diào)節(jié)器、光束準(zhǔn)直器、掃描振鏡系統(tǒng)、F-θ物鏡、測試電路；
[0024]脈沖激光器輸出激光光束；
[0025]激光能量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)激光光束的能量；
[0026]光束準(zhǔn)直器減小激光光束的發(fā)散角；
[0027]掃描振鏡系統(tǒng)控制激光光束的偏轉(zhuǎn)；
[0028]F-θ物鏡對(duì)激光光束進(jìn)行聚焦，聚焦形成的光斑作用于測試樣品；
[0029]測試電路獲取測試樣品在激光作用下發(fā)生單粒子效應(yīng)的測試數(shù)據(jù)。
[0030]基于上述技術(shù)方案進(jìn)行脈沖激光模擬單粒子試驗(yàn)，不需要精密的三維位移平臺(tái)，也不需要高精度的隔振技術(shù)，有利于節(jié)約成本，并且實(shí)驗(yàn)過程中不產(chǎn)生振動(dòng)，易于實(shí)現(xiàn)重復(fù)定位，且定位準(zhǔn)確度高，通過掃描振鏡系統(tǒng)的光掃描速度，可快速掃描器件，有效節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，通過成像和激光聚焦調(diào)試相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)，保證了單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)效果。
【附圖說明】
[0031 ]圖1為一實(shí)施例的脈沖激光模擬單粒子試驗(yàn)系統(tǒng)的示意性結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖2為另一實(shí)施例的脈沖激光模擬單粒子試驗(yàn)系統(tǒng)的示意性結(jié)構(gòu)圖；
[0033]圖3為一實(shí)施例的掃描振鏡系統(tǒng)的不意性結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0035]圖1為一實(shí)施例的脈沖激光模擬單粒子試驗(yàn)系統(tǒng)的示意性結(jié)構(gòu)圖；如圖1所示，本實(shí)施例的脈沖激光模擬單粒子試驗(yàn)系統(tǒng)包括:依激光光束前進(jìn)方向設(shè)置的脈沖激光器、激光能量調(diào)節(jié)器、光束準(zhǔn)直器、掃描振鏡系統(tǒng)、F-θ物鏡以及測試電路。基于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，工作時(shí)，脈沖激光器輸出激光光束;激光能量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)激光光束的能量;光束準(zhǔn)直器減小激光光束的發(fā)散角；掃描振鏡系統(tǒng)控制激光光束的偏轉(zhuǎn);F-θ物鏡對(duì)激光光束進(jìn)行聚焦，聚焦形成的光斑作用于測試樣品；測試電路獲取測試樣品在激光作用下發(fā)生單粒子效應(yīng)的測試數(shù)據(jù)。
[0036]優(yōu)選的，為適應(yīng)不同的測試需求，所述激光能量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)激光光束的能量的實(shí)施方式有多種，例如以下三種:
[0037]I)所述激光能量調(diào)節(jié)器具體包括:電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)、半波片、偏振分光棱鏡，通過該激光能量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)激光光束的能量的方法為:將激光光束通過由電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的半波片后改變偏振方向，之后再控制激光光束通過偏振分光棱鏡，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)能量。具體來說，對(duì)于線偏振激光，首先將其通過在電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的半波片，該半波片可以旋轉(zhuǎn)激光的偏振方向，然后將激光通過偏振分光棱鏡，根據(jù)馬呂斯定律就可以連續(xù)調(diào)節(jié)激光的單脈沖能量;2)所述激光能量調(diào)節(jié)器包括有衰減片，通過所述激光能量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)激光光束的能量的方法為:將激光光束通過不同衰減率的衰減片以調(diào)節(jié)能量;3)所述激光能量調(diào)節(jié)器包括鍍有介質(zhì)膜的分光鏡，通過所述激光能量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)激光光束的能量的方法為:通過改變所述分光鏡的激光光束入射角度以調(diào)節(jié)能量。
[0038]作為一優(yōu)選實(shí)施方式，還包括激光監(jiān)測系統(tǒng)，該激光監(jiān)測系統(tǒng)包括光束輪廓分析儀、能量計(jì)和自相關(guān)儀，所述激光監(jiān)測系統(tǒng)用于獲取經(jīng)激光能量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)能量后激光光束的單脈沖能量、光場分布和脈寬的激光檢測數(shù)據(jù)。
[0039]進(jìn)一步的，還包括數(shù)據(jù)處理設(shè)備，該數(shù)據(jù)處理設(shè)備用于控制掃描振鏡系統(tǒng)的掃描路徑，以及接收激光監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送的激光檢測數(shù)據(jù)、測試電路發(fā)送的測試數(shù)據(jù)，并處理測試數(shù)據(jù)和激光檢測數(shù)據(jù)?？梢岳斫獾氖?，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備可為電腦，如圖2所示，作為數(shù)據(jù)處理設(shè)備的電腦可與激光監(jiān)測系統(tǒng)、測試電路以及掃描振鏡系統(tǒng)分別連接。
[0040] 進(jìn)一步的，還包括電子顯微鏡