CN107833511B - 一种优化集成式双光路激光电离效应模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化集成式双光路激光电离效应模拟系统，该系统主要包括双波长脉冲激光器、双光路衰减模块、显微观察模块、测试与控制模块四个部分。该系统在同时实现532nm和1064nm双波长输出的基础上，对整个模拟系统进行了光路和结构优化，使其能够更加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，特别是针对伽马射线等辐射源作用于半导体器件剂量率效应的模拟，具有方便、快捷、准确、安全性高等特点。该发明有效降低了试验成本，提高了试验效率，缩短了抗辐射加固的设计周期。

Description

一种优化集成式双光路激光电离效应模拟系统

技术领域

本发明属于半导体器件辐射效应研究领域，特别是一种优化集成式双光路激光电离效应模拟系统。

背景技术

现在很多社会应用场景中，都存在着各种各样的辐射因素。当辐射因素与半导体器件之间相互作用时，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。因此对辐射效应影响的研究以及对相应抗辐射加固技术是必要的研究课题。

早期，研究人员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，因此，激光模拟辐射电离效应方法应运而生，并且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。

发明内容

针对目前国内尚无针对剂量率效应激光模拟系统的现状，以及其它地面模拟装置的固有限制，本发明提供了一种优化集成式双光路激光电离效应模拟系统。该系统可同时输出532nm和1064nm的双波长激光对辐射电离效应进行模拟，并且在光路和结构上进行了进一步优化，使其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。

本发明的技术方案如下：

一种优化集成式双光路激光电离效应模拟系统，其特征在于：包括调整底座，光源，双光路衰减模块，显微观察模块，测试与控制模块；

所述调整底座，用于稳定支撑整个模拟系统；

所述光源，安装于调整底座上部，用于产生波长为532nm和1064nm的脉冲激光，使两路激光沿水平方向进入到双光路衰减模块；

所述双光路衰减模块，用于对双通道脉冲激光的能量进行衰减；

所述显微观察模块，用于对反射出的激光照射到待测样品上形成的光斑进行观察；

所述测试与控制模块，用于采集并记录待测样品辐射电离效应的响应电信号。

所述调整底座包含调平螺丝和纵向安装于调整底座上的导轨，调平螺丝用于调节调整底座的水平位置，导轨用于调整系统的高度。

所述光源位于调整底座上部，包括双波长脉冲激光器和光路提升器；所述双波长脉冲激光器用于同时产生波长为532nm和1064nm的激光，因532nm的激光是由1064nm倍频得到的，因此两个波长激光分别从两个通道水平出射，可通过双波长脉冲激光器独立控制每个通道的开关；所述光路提升器用于进行光路折叠，由两个位置对称的反射镜组成，两个反射镜设置于同一纵向方向，位于下部的反射镜用于将双波长脉冲激光器的激光反射到上部的反射镜，上部的反射镜再将激光水平反射至双光路衰减模块，并保证进入到双光路衰减模块的两路激光保持水平。

所述双光路衰减模块，整体设置于光源上方，并安装于另一遮光罩内，沿两路激光进入方向依次包括有直角棱镜、光路Ⅰ、光路Ⅱ、反射镜二和合束棱镜。具体来说，两路激光经直角棱镜反射后，一路激光进入光路Ⅰ，然后经反射镜二后反射到合束棱镜；另一路激光经过光路Ⅱ，直接射入合束棱镜，两路激光经由合束棱镜合束后反射出。所述光路Ⅰ、光路Ⅱ分别对称位于沿直角棱镜的两个反射角度方向上，光路Ⅰ和光路Ⅱ的结构相同，每个光路均包括位于直角棱镜的反射方向上的反射镜一、位于反射镜一反射方向的第一级1/2λ波片、位于第一级1/2λ波片透射光方向的第一级偏振分光棱镜、位于第一级偏振分光棱镜的透射光方向的第二级1/2λ波片、位于第二级1/2λ波片透射光方向上的第二级偏振分光棱镜、位于第二级偏振分光棱镜反射光方向上的光束收集器一、位于第一级偏振分光棱镜的反射光方向的分光棱镜一、位于分光棱镜一透射光方向的激光能量计探头一、位于分光棱镜一反射光方向的光束收集器二、位于第二级偏振分光棱镜透射光方向上的光束匀化器，一路激光经过光路Ⅰ的光束匀化器照射到反射镜二并反射到合束棱镜，另一路激光经过光路Ⅱ的光束匀化器直接照射到合束棱镜，两路激光在合束棱镜合成后射出到后续光路。所述直角棱镜的两个直角面分别镀膜，一个直角面镀532nm高反射率膜，另一个直角面镀1064nm高反射率膜。经过直角棱镜反射后，1064nm的激光进入光路Ⅰ，532nm的激光进入光路Ⅱ。

所述光束匀化器可将直径4mm的高斯光转化为光斑大小为10mm的平顶光。

优选的，遮光罩的内部表面粗糙，不发生镜面反射，且易拆卸。

所述显微观察模块沿合束棱镜出来的激光方向设置有分光棱镜二，分光棱镜二上端设置有显微镜筒与照明光源、摄像头，分光棱镜二的透射光方向上设置有激光能量计探头二，分光棱镜二的反射光方向设置有可变光斑调节装置；激光经过分光棱镜二后，透射光到达激光能量计探头二，反射光经过可变光斑调节装置照射到待测样品上，光斑调节范围为10μm-10mm。

优选的，照明光源为波长为532nm的连续激光，功率不大于1mW。

所述测试与控制模块包括用于放置待测样品的精密位移平台和示波器，待测样品放置于精密位移平台上，通过控制精密位移平台来精确控制光斑作用于待测样品上的位置；优选的，精密位移平台为六自由度位移平台；所述测试与控制模块还包括与六自由度位移平台、示波器信号连接的数据采集与控制卡、用于控制系统与数据采集与控制卡连接的计算机。该模块通过调整六自由度位移平台可进行对焦和光斑大小调节，激光照射到待测样品上后的电学响应信号由示波器触发采集，数据采集与控制卡用于采集摄像头的图像数据以及示波器的波形数据，并控制六自由度位移平台的位置，由计算机存储和显示。

本发明的有益效果如下：

本发明提出的模拟系统是一种可用于实验室研究的模拟系统，可同时实现双波长输出，利用双光路衰减两路激光，采用532nm和1064nm激光模拟辐射电离效应，该模拟系统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，对光路进一步优化，结构优化得更紧凑且具有集成性，可有效降低试验成本，提高试验效率，缩短了抗辐射加固设计的设计周期。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的调整底座（Ⅰ）的俯视结构示意图。

图3为本发明的光源（Ⅱ）的俯视结构示意图。

图4为本发明的双光路衰减模块（Ⅲ）的俯视结构示意图。

其中，附图标记为：Ⅰ为调整底座，Ⅱ为光源，Ⅲ为双光路衰减模块，Ⅳ为显微观察模块，Ⅴ为测试与控制模块，1为双波长脉冲激光器，2为光路提升器，3为直角棱镜，4为反射镜一，5为第一级1/2λ波片，6为第一级偏振分光棱镜，7为第二级1/2λ波片，8为第二级偏振分光棱镜，9为光束收集器一，10为分光棱镜一，11为激光能量计探头一，12为光束收集器二，13为光束匀化器，14为反射镜二，15为合束棱镜，16为分光棱镜二，17为摄像头，18为照明光源，19为激光能量计探头二，20为可变光斑调节装置，21为待测样品，22为六自由度位移平台，23为示波器，24为数据采集与控制卡，25为计算机，26为调平螺丝，27为导轨。

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1，一种优化集成式双光路激光电离效应模拟系统，包括调整底座Ⅰ、光源Ⅱ、双光路衰减模块Ⅲ、显微观察模块Ⅳ、测试与控制模块Ⅴ。

参见图2，所述调整底座Ⅰ用于稳定支撑整个模拟系统，包含调平螺丝26和纵向安装于调整底座上的导轨27，调平螺丝26用于调节调整底座的水平位置，导轨27用于调整系统的高度。

参见图3，所述光源Ⅱ安装于调整底座Ⅰ上部，包含安装于一个遮光罩内的双波长脉冲激光器1和光路提升器2；所述双波长脉冲激光器1用于产生波长为532nm和1064nm的激光，因532nm的激光是由1064nm倍频得到的，因此两个波长激光分别从两个通道水平出射，可通过双波长脉冲激光器1独立控制每个通道的开关；所述光路提升器2用于进行光路折叠，由两个位置对称的反射镜组成，两个反射镜设置于同一纵向方向，位于下部的反射镜用于将双波长脉冲激光器1的激光反射到上部的反射镜，上部的反射镜再将激光水平反射至双光路衰减模块Ⅲ，并保证进入到双光路衰减模块Ⅲ的两路激光保持水平。

参见图4，所述双光路衰减模块Ⅲ，整体设置于光源Ⅱ上方，并安装于另一遮光罩内，沿两路激光进入方向依次包括有直角棱镜3、光路Ⅰ、光路Ⅱ、反射镜14和合束棱镜15。具体来说，两路激光经直角棱镜3反射后，一路激光进入光路Ⅰ，然后经反射镜14后反射到合束棱镜15；另一路激光经过光路Ⅱ，直接射入合束棱镜15，两路激光经由合束棱镜15合束后反射出。所述光路Ⅰ、光路Ⅱ分别对称位于沿直角棱镜3的两个反射角度方向上，光路Ⅰ和光路Ⅱ的结构相同，每个光路均包括位于直角棱镜3的反射方向上的反射镜一4、位于反射镜一4反射方向的第一级1/2λ波片5、位于第一级1/2λ波片5透射光方向的第一级偏振分光棱镜6、位于第一级偏振分光棱镜6的透射光方向的第二级1/2λ波片7、位于第二级1/2λ波片7透射光方向上的第二级偏振分光棱镜8、位于第二级偏振分光棱镜8反射光方向上的光束收集器一9、位于第一级偏振分光棱镜6的反射光方向的分光棱镜一10、位于分光棱镜一10透射光方向的激光能量计探头一11、位于分光棱镜10反射光方向的光束收集器二12、位于第二级偏振分光棱镜8透射光方向上的光束匀化器13，一路激光经过光路Ⅰ的光束匀化器13照射到反射镜二14并反射到合束棱镜15，另一路激光经过光路Ⅱ的光束匀化器13直接照射到合束棱镜15，两路激光在合束棱镜15合成后射出到后续光路。所述直角棱镜3的两个直角面分别镀膜，一个直角面镀532nm高反射率膜，另一个直角面镀1064nm高反射率膜。经过直角棱镜3反射后，1064nm的激光进入光路Ⅰ，532nm的激光进入光路Ⅱ。仅以光路Ⅰ为例具体说明：1064nm激光经过反射镜4反射，经过两级1/2λ波片和偏振分光棱镜组合衰减后进入光束匀化器13，其中，经过第一级偏振分光棱镜6后的反射光入射到分光棱镜一10，经过分光棱镜一10后的透射光由激光能量计探头一11采集，经过分光棱镜一10后的反射光由光束收集器二12收集。激光能量计探头一11用于采集第一级衰减后的激光能量。经过第二级偏振分光棱镜8后的反射光由光束收集器一9收集，经过第二级偏振分光棱镜8后的透射光入射到光束匀化器13。光束收集器一9、光束收集器二12的作用是避免激光泄露，使整个光路更加安全可靠。光束匀化器13的作用是将高斯光转化为平顶光，入射到光束匀化器13的激光光斑大小为4mm的高斯光，经过光束匀化器13后，变为光斑大小为10mm的平顶光。平顶光相比高斯光，激光的能量分布更加均匀，从而使系统测试结果更加可靠和稳定。光路Ⅰ中匀化后的1064nm激光经过反射镜二14后到达合束棱镜15，在合束棱镜15处与光路Ⅱ中匀化后的532nm激光进行合束，两波长激光共用后续的光路。

参见图1，所述显微观察模块Ⅳ，用于对合束后反射出的激光照射到待测样品21上形成的光斑进行观察；所述显微观察模块Ⅳ，沿合束棱镜15出来的激光方向设置有分光棱镜二16，分光棱镜二16上端设置有显微镜筒与照明光源17、摄像头18，分光棱镜二16的透射光方向上设置有激光能量计探头二19，分光棱镜二16的反射光方向设置有可变光斑调节装置20；激光经过分光棱镜二16后，透射光到达激光能量计探头二19，反射光经过可变光斑调节装置20照射到待测样品21上，光斑调节范围为10μm-10mm。

参见图1，所述测试与控制模块Ⅴ，用于放置待测样品21，并设置有用于进行对焦和光斑大小调节的装置，同时可采集并测量激光照射到待测样品21上后的电学响应信号。所述测试与控制模块Ⅴ，包括：用于放置待测样品21的六自由度位移平台22、用于测试待测样品21信号的示波器23、与六自由度位移平台22、示波器23信号连接的数据采集与控制卡24、用于控制系统与数据采集与控制卡24连接的计算机25。该模块，通过调整六自由度位移平台22可进行对焦和光斑大小调节，激光照射到待测样品21上后的电学响应信号由示波器23触发采集，数据采集与控制卡24用于采集摄像头18的图像数据以及示波器23的波形数据，并控制六自由度位移平台22的位置，由计算机25存储和显示。

Claims (4)

1.一种优化集成式双光路激光电离效应模拟系统，其特征在于：包括调整底座（Ⅰ）、光源（Ⅱ）、双光路衰减模块（Ⅲ）、显微观察模块（Ⅳ）、测试与控制模块（Ⅴ）；其中：调整底座（Ⅰ）用于稳定支撑整个模拟系统，光源（Ⅱ）用于产生双通道波长激光，双光路衰减模块（Ⅲ）用于根据实际实验需求对两个通道的脉冲激光能量进行衰减；显微观察模块（Ⅳ）用于对半导体器件样品进行成像，并对作用于样品的脉冲激光进行能量测量；测试与控制模块（Ⅴ）用于采集并记录待测样品辐射电离效应的响应电信号，通过控制精密位移平台来精确控制光斑作用于待测样品（21）上的位置；所述光源（Ⅱ）同时产生波长为532nm和1064nm的脉冲激光；所述双光路衰减模块（Ⅲ）设置于光源（Ⅱ）上方，沿两路激光进入方向依次包括有直角棱镜（3）、光路Ⅰ、光路Ⅱ、反射镜二和合束棱镜；两路激光经直角棱镜（3）反射后：一路激光进入光路Ⅰ后经反射镜二（14）后反射到合束棱镜（15），另一路激光经过光路Ⅱ后直接射入合束棱镜（15），两路激光经由合束棱镜（15）合束后反射出；所述光路Ⅰ、光路Ⅱ分别对称位于沿直角棱镜的两个反射角度方向上，光路Ⅰ和光路Ⅱ的结构相同，每个光路均包括位于直角棱镜的反射方向上的反射镜一（4）、位于反射镜一（4）反射方向的第一级1/2λ波片（5）、位于第一级1/2λ波片（5）透射光方向的第一级偏振分光棱镜（6）、位于第一级偏振分光棱镜（6）的透射光方向的第二级1/2λ波片（7）、位于第二级1/2λ波片（7）透射光方向上的第二级偏振分光棱镜（8）、位于第二级偏振分光棱镜（8）反射光方向上的光束收集器一（9）、位于第一级偏振分光棱镜（6）的反射光方向的分光棱镜一（10）、位于分光棱镜一（10）透射光方向的激光能量计探头一（11）、位于分光棱镜一（10）反射光方向的光束收集器二（12）、位于第二级偏振分光棱镜（8）透射光方向上的光束匀化器（13），一路激光经过光路Ⅰ的光束匀化器（13）照射到反射镜二（14）并反射到合束棱镜（15），另一路激光经过光路Ⅱ的光束匀化器（13）直接照射到合束棱镜（15），两路激光在合束棱镜（15）合成后射出到后续光路；

所述光源（Ⅱ）位于调整底座（Ⅰ）上部，包括双波长脉冲激光器（1）和光路提升器（2）；所述双波长脉冲激光器（1）用于同时产生波长为532nm和1064nm的激光，两个波长激光分别从两个通道水平出射；所述光路提升器（2）用于进行光路折叠，使进入到双光路衰减模块（Ⅲ）的两路激光保持水平；

所述显微观察模块（Ⅳ）沿合束棱镜（15）出来的激光方向设置有分光棱镜二（16），分光棱镜二（16）上端设置有显微镜筒与照明光源（18）、摄像头（17），分光棱镜二（16）的透射光方向上设置有激光能量计探头二（19），分光棱镜二（16）的反射光方向设置有可变光斑调节装置（20）；激光经过分光棱镜二（16）后，透射光到达激光能量计探头二（19），反射光经过可变光斑调节装置（20）照射到待测样品（21）上，光斑调节范围为10μm-10mm。

2.根据权利要求1所述的一种优化集成式双光路激光电离效应模拟系统，其特征在于，所述调整底座（Ⅰ）包含用于调节调整底座（Ⅰ）的水平位置的调平螺丝（26）和纵向安装于调整底座上的导轨（27）。

3.根据权利要求1所述的一种优化集成式双光路激光电离效应模拟系统，其特征在于，所述测试与控制模块（Ⅴ）包括用于放置待测样品（21）的精密位移平台和示波器（23），待测样品（21）放置于精密位移平台上，通过控制精密位移平台来控制光斑作用于待测样品（21）上的位置；所述精密位移平台为六自由度位移平台（22）。

4.根据权利要求1所述的一种优化集成式双光路激光电离效应模拟系统，其特征在于，所述测试与控制模块（Ⅴ）还包括与六自由度位移平台（22）、示波器（23）信号连接的数据采集与控制卡（24）、用于控制系统与数据采集与控制卡（24）连接的计算机（25）；通过调整六自由度位移平台（22）进行对焦和光斑大小调节，激光照射到待测样品（21）上后的电学响应信号由示波器（23）触发采集，数据采集与控制卡（24）用于采集摄像头（18）的图像数据以及示波器（23）的波形数据，并控制六自由度位移平台（22）的位置，由计算机（25）存储和显示。