《Optik》：Investigation of the CMOS sensor disruption induced by a nanosecond single pulse laser at 1064
nm
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硅基CMOS传感器在1064 nm脉冲激光照射下的致盲与物理损伤阈值研究，通过实验与理论模型分析发现，单脉冲17 mJ/cm2导致像素饱和致盲，超过2 J/cm2引发硅层烧蚀及线路损坏。
S Veerabuthiran | Sourav Paul | Jagannath Nayak
印度海得拉巴DRDO的高能系统与科学中心（CHESS）
摘要
基于硅的互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器是军事监视和间谍活动的优秀选择。出于安全考虑，禁止间谍监视至关重要。对CMOS传感器的光学干扰可以是一种有效的对策。使用1064纳米波长的脉冲激光器可以通过使传感器元件失明或损坏来使其失效。在本文中，我们描述了使用高能Nd YAG脉冲激光器（脉冲能量为3焦耳，脉冲宽度为10纳秒，脉冲重复率为5赫兹）进行的一系列实验的实验设置和结果，以评估不同条件下的传感器破坏行为。实验中使用了分辨率为1280×720像素、前端镜头直径为10毫米的CMOS传感器。实验中允许扩展光束覆盖传感器镜头，镜头位于实验室中5米的距离处。最初，根据传感器数据理论计算了CMOS传感器的饱和值。实验观察表明，用大约17毫焦耳/平方厘米的脉冲照射传感器会使大约10^6个像素饱和并变成亮白色。进一步增加激光能量至2焦耳/平方厘米以上会导致物理损伤，如像素烧毁和线条损坏。我们使用了一个简化的理论模型来估计硅表面在受到不同激光能量照射时的温度升高情况。对理论研究和实验观察结果进行了分析和讨论。
引言
基于硅的CMOS（互补金属氧化物半导体）相机由于其高速成像、低成本、集成能力、低功耗、抗辐射性等固有特性，在医学成像[1]、天文学[2][3]、国防[4]、通信[5]和工业自动化[6]等领域得到广泛应用[7]。图像传感器元件和前端镜头模块或望远镜是这类相机的主要组成部分。当CMOS传感器受到光照时，会通过光电效应产生光电子。它主要用于可见光波长范围内的成像应用。未经保护且未涂层的基于硅的光电传感器的最大吸收波长约为1100纳米，在此波长下电子从价带激发到导带，硅的带隙能量约为1.17电子伏特。如今，CMOS传感器常用于间谍活动和军事监视。这类操作关系到国家或个人的安全利益。光学干扰是阻止其正常工作的最佳方法之一，可以通过使用高功率激光器来实现这一点[8]。由于CMOS传感器的光学增益（即像素处的辐照度与收集光学系统处的辐照度之比可达到10^6或更高），它们特别容易受到激光的影响。简单来说，光学系统的大收集孔径将入射激光脉冲聚焦到电子阵列上的一个小而强烈的点上。这种强烈的激光焦点可以通过沉积足够的热量来损坏电子阵列，从而破坏电气连接。通常，当CMOS传感器受到激光照射时，其行为有两种方式：软损伤（饱和或眩目）和硬损伤（烧蚀）[9]。软损伤通常是可逆的，表现为材料性质的变化和传感器灵敏度的降低；而硬损伤则是由于激光烧灼导致的传感器元件的永久性损伤。当CMOS传感器暴露在激光辐射下时，其像素会饱和。激光能量的增加会导致更多像素饱和，这是由于衍射和散射效应造成的。对理论研究和实验观察的结果进行了分析和讨论。
实验设置和程序
实验设置的示意图如图1所示。实验中使用了波长为1064纳米、脉冲宽度为10纳秒的脉冲激光器（Amplitude Technologies Ltd，型号：TITAN，PL-2250，2015年）。实验中使用的激光器具有空间高斯能量分布。激光脉冲能量和重复率可调，激光脉冲能量从180毫焦耳到2焦耳不等。输出激光的全角发散度小于0.5毫弧度。
传感器饱和的理论计算
激光眩目现象称为传感器饱和，即光电二极管接收到过多的光子，使其势阱充满（“满阱容量”），从而产生最大数字输出（白色溢出）。在这种情况下，传感器在物理上仍然完好无损，但其输出在照明期间无法使用或严重退化。入射激光束由传感器的前端光学系统（望远镜或相机前端光学系统）收集并聚焦到焦平面上。
结论
我们通过使用1064纳米纳秒单脉冲激光进行了理论和实验研究，以评估CMOS传感器在激光辐射下的破坏特性。传输的激光脉冲能量通过适当的光学衰减器从微焦耳级别变化到焦耳级别。通过过度填充传感器的前端收集光学系统，系统地研究了传感器的饱和（软杀伤）和损坏（硬杀伤）现象。传感器饱和程度有所不同。
CRediT作者贡献声明
Jagannath Nayak：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调。Sourav Paul：撰写、审稿与编辑、软件开发、方法论、形式分析。S Veerabuthiran：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法论研究、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢海得拉巴大学高级高能材料研究中心（现称为DIA CoE中心）提供的技术支持和交流。
