脈沖激光模擬單粒子試驗系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及激光技術領域，特別是涉及脈沖激光模擬單粒子試驗系統及方法。
【背景技術】
[0002]單粒子效應是指空間中單個高能粒子，在器件材料中通過直接電離作用或者核反應生成次級粒子的間接電離作用產生并累積有效電離電荷，被器件敏感節點收集后，導致器件工作狀態、邏輯狀態、輸出電平、功能受阻等發生變化或損傷的現象。
[0003]針對單粒子效應的實驗研究，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是將聚焦的脈沖激光束斑輻照在集成電路上，利用半導體的光電效應產生電子空穴對，模擬高能粒子進入半導體后電離出電子空穴對而產生的單粒子效應，這是方法能夠快速評估抗輻照加固措施的性能，可以實現單粒子效應的截面測試及不同靈敏區域的閾值測試，并能夠實現對具體單粒子效應靈敏區出錯位置的三維定位。
[0004]現有的脈沖激光模擬單粒子效應系統(如波音公司研制的脈沖激光模擬單粒子效應系統、英國Matra BAe Dynamic公司研制的脈沖激光模擬單粒子效應系統、中國科學院空間科學與應用研究中心研制的測試系統等)的普遍結構為，分為以下幾個部分:脈沖激光器、激光監測及調節系統、聚焦系統、掃描系統、成像系統以及單粒子效應檢測系統。對應的功能為:脈沖激光器主要功能是發射激光脈沖;激光監測及調節系統的功能主要是監測脈沖激光的脈寬、能量、頻率參數，根據需要調節激光能量;聚焦系統的功能主要是聚焦激光束及控制激光光斑的尺寸，和成像系統共用同一個顯微物鏡;掃描系統采用三維移動系統，它需要具有2維掃描的功能;成像系統是由顯微物鏡、照明器和CCD相機共同組成，成像系統的顯微物鏡既有成像的功能，又有將激光聚焦的功能；單粒子效應檢測系統需要根據具體的試驗對象和效應類型來設定，其主要功能是檢測被測器件對單粒子效應的響應，如存儲數據改變、電流變化、電壓波動等。
[0005]基于現有脈沖激光模擬單粒子效應系統進行實驗時，均要求被測器件安裝在三維移動系統上，試驗時器件隨著三維移動系統不斷運動，實現器件表面的掃描，存在以下弊端:(I)成本高昂。對于高集成度的集成電路，所需的精度也就越高，這就對三維移動系統的精度要求很高，使得系統成本高昂；(2)試驗周期長。激光光斑一般僅為幾微米，為了盡可能掃描整個器件，需要幾十分鐘甚至更久的時間掃描；(3)該三維移動系統在運動過程中不可避免產生的振動會對精確定位產生影響；(4)重復定位困難。由于振動和三維移動系統的精度，使得試驗復現較難，一般需要復雜昂貴的隔振平臺；(5)由于激光聚焦和成像采用同一個鏡頭，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，影響單粒子效應實驗效果。
【發明內容】
[0006]基于此，本發明提供一種脈沖激光模擬單粒子試驗系統及方法，能夠保證單粒子效應實驗效果，且易于實現重復定位，并降低實驗成本。
[0007]本發明一方面提供脈沖激光模擬單粒子試驗系統，包括:依激光光束前進方向設置的脈沖激光器、激光能量調節器、光束準直器、掃描振鏡系統、F-θ物鏡以及測試電路；
[0008]脈沖激光器輸出激光光束;激光能量調節器調節激光光束的能量;光束準直器減小激光光束的發散角；掃描振鏡系統控制激光光束的偏轉;F-θ物鏡對激光光束進行聚焦，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生單粒子效應的測試數據。
[0009]優選的，還包括激光監測系統，
[0010]所述激光監測系統包括光束輪廓分析儀、能量計和自相關儀，所述激光監測系統用于獲取經激光能量調節器調節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據。
[0011 ]優選的，還包括數據處理設備，
[0012]所述數據處理設備用于控制掃描振鏡系統的掃描路徑，以及接收激光監測系統發送的激光檢測數據、測試電路發送的測試數據，并處理測試數據和激光檢測數據。
[0013]優選的，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]優選的，所述激光能量調節器調節激光光束的能量，包括:
[0016]所述激光能量調節器包括電控旋轉臺、半波片、偏振分光棱鏡，將激光光束通過由電控旋轉臺驅動旋轉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，實現調節能量;或
[0017]所述激光能量調節器包括衰減片，將激光光束通過不同衰減率的衰減片以調節能量;或
[0018]所述激光能量調節器包括鍍有介質膜的分光鏡，通過改變所述分光鏡的激光光束入射角度以調節能量。
[0019]優選的，所述光束準直器包括焦點重合的2個透鏡。
[0020]優選的，所述掃描振鏡系統包括2個伺服電機和2個掃描鏡，每個伺服電機控制一個掃描鏡偏轉，激光光束射到其中一個掃描鏡后反射到另一個掃描鏡，控制兩個掃描鏡分別沿X、Y軸掃描，實現控制激光光束的偏轉。
[0021]優選的，所述F-θ物鏡為透鏡組，像高y和偏轉角度Θ的關系為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]本發明另一方面提供脈沖激光模擬單粒子試驗方法，包括:
[0023]提供依激光光束前進方向設置的脈沖激光器、激光能量調節器、光束準直器、掃描振鏡系統、F-θ物鏡、測試電路；
[0024]脈沖激光器輸出激光光束；
[0025]激光能量調節器調節激光光束的能量；
[0026]光束準直器減小激光光束的發散角；
[0027]掃描振鏡系統控制激光光束的偏轉；
[0028]F-θ物鏡對激光光束進行聚焦，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生單粒子效應的測試數據。
[0030]基于上述技術方案進行脈沖激光模擬單粒子試驗，不需要精密的三維位移平臺，也不需要高精度的隔振技術，有利于節約成本，并且實驗過程中不產生振動，易于實現重復定位，且定位準確度高，通過掃描振鏡系統的光掃描速度，可快速掃描器件，有效節約試驗時間，通過成像和激光聚焦調試相互獨立的設計，保證了單粒子效應實驗效果。
【附圖說明】
[0031 ]圖1為一實施例的脈沖激光模擬單粒子試驗系統的示意性結構圖；
[0032]圖2為另一實施例的脈沖激光模擬單粒子試驗系統的示意性結構圖；
[0033]圖3為一實施例的掃描振鏡系統的不意性結構圖。
【具體實施方式】
[0034]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0035]圖1為一實施例的脈沖激光模擬單粒子試驗系統的示意性結構圖；如圖1所示，本實施例的脈沖激光模擬單粒子試驗系統包括:依激光光束前進方向設置的脈沖激光器、激光能量調節器、光束準直器、掃描振鏡系統、F-θ物鏡以及測試電路。基于該系統結構，工作時，脈沖激光器輸出激光光束;激光能量調節器調節激光光束的能量;光束準直器減小激光光束的發散角；掃描振鏡系統控制激光光束的偏轉;F-θ物鏡對激光光束進行聚焦，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生單粒子效應的測試數據。
[0036]優選的，為適應不同的測試需求，所述激光能量調節器調節激光光束的能量的實施方式有多種，例如以下三種:
[0037]I)所述激光能量調節器具體包括:電控旋轉臺、半波片、偏振分光棱鏡，通過該激光能量調節器調節激光光束的能量的方法為:將激光光束通過由電控旋轉臺驅動旋轉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，實現調節能量。具體來說，對于線偏振激光，首先將其通過在電控旋轉臺驅動旋轉的半波片，該半波片可以旋轉激光的偏振方向，然后將激光通過偏振分光棱鏡，根據馬呂斯定律就可以連續調節激光的單脈沖能量;2)所述激光能量調節器包括有衰減片，通過所述激光能量調節器調節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節能量;3)所述激光能量調節器包括鍍有介質膜的分光鏡，通過所述激光能量調節器調節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節能量。
[0038]作為一優選實施方式，還包括激光監測系統，該激光監測系統包括光束輪廓分析儀、能量計和自相關儀，所述激光監測系統用于獲取經激光能量調節器調節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據。
[0039]進一步的，還包括數據處理設備，該數據處理設備用于控制掃描振鏡系統的掃描路徑，以及接收激光監測系統發送的激光檢測數據、測試電路發送的測試數據，并處理測試數據和激光檢測數據。可以理解的是，所述數據處理設備可為電腦，如圖2所示，作為數據處理設備的電腦可與激光監測系統、測試電路以及掃描振鏡系統分別連接。
[0040] 進一步的，還包括電子顯微鏡