引　言

CMOS和CCD等硅基探测器，在工作波段和响应灵敏度等方面性能获得极大发展^[1]，在可见光范围内，量子产率接近100%并能有效控制噪声或暗电流^[2]。在紫外及真空紫外区域（UV/VUV），紫外光子在硅层的穿透深度较浅难以到达CCD沟道，导致在紫外波段的灵敏度较低^[3]。在紫外探测器表面的紫外敏化下转换膜层，可将UV光转换成可见光，从而提高常规工艺制造的硅基探测器在UV/VUV区域的响应能力，简单高效且成本较低^[4-7]。Lumogen（C₂₂H₁₆N₂O₆）薄膜通过物理气相沉积法（PVD）制备后不易升华且量子效率稳定，其发射光谱与探测器的响应光谱基本匹配^[8-10]，同时具有较宽的荧光光谱范围（400～1000 nm） ^[11]。随着航空航天领域的不断发展，对更短波长的真空紫外探测也变得愈发重要。

但在较长积分时间探测高能辐射的应用场景下，该类探测器存在真空紫外辐照下探测灵敏度降低乃至失效、使用寿命缩短的问题^[12]。氟化镁（MgF₂）薄膜在紫外、可见以及红外光范围都具有很宽的透射窗口，是一种优秀的紫外增透薄膜材料，同时具有很低的光学折射率，易于成膜，机械强度大，稳定性好等性能^[13]，因此适合与紫外响应荧光薄膜一起制备复合膜系结构。前期研究发现，在Lumogen薄膜上加镀MgF₂介质保护层，能有效改善实验室环境下膜层质量及光子利用率^[14]。在复合薄膜对紫外探测具有良好光学响应的基础上，本文研究高能真空紫外探测环境下，长时间高能辐照对复合薄膜的损伤效应。实验采用1 064 nm高能连续激光作为高能辐照源，基于荧光光谱仪、紫外−可见分光光度计对辐照失效相关性能参数进行测量。

1 实验部分 1.1 薄膜制备

制备MgF₂/Lumogen复合薄膜的材料选用K9硅基片、Lumogen®YellowS0790、低氧氟化镁固体颗粒。在镀膜前将K9硅基片浸入乙醇与乙醚的混合液（1:2）并置于超声清洗机中清洗15 min，取出并用超净布擦拭干净；使用真空镀膜机（ZSS-800型）以热阻蒸发法在1.0×10⁻³ Pa真空度下先后在K9硅基片上蒸镀Lumogen（300 nm）和MgF₂（20 nm）薄膜，蒸镀速率为0.2 nm/s，制备过程如图1所示。

1.2 激光损伤测试

激光辐照采用的激光损伤系统如图2所示（据国际标准ISO11254搭建）。主光源为1064 nm的Nd∶YAG连续激光器（最大输出功率300 W），经过反射后聚焦到样品表面；以He-Ne（632.8 nm）激光器发出红光作为准直光束；样品置于二维位移平台上，搭配自动控制系统实现激光均匀辐照样品表面。在聚焦透镜后方设置一个分束镜，激光经过分束镜后仅有1/1000的能量反射到反射镜2，再反射到连接计算机的光束质量分析仪，剩余的激光能量透过分束镜。该反射光路为等效光路，即$ {l}_{1}={l}_{2}+{l}_{3} $，可以通过等效光路由光束质量分析仪分析得到实际激光到达样品表面的光斑大小。

1.3 样品的表征方法

为研究高能粒子辐照能量及辐照时间下，传感元上紫外增强复合薄膜的发光性能变化，以不同的激光功率（1 W、3 W、5 W）和扫描速率（50 mm/min、30 mm/min、10 mm/min）分别模拟探测器工作受到辐照的能量大小及探测器积分时间，设计3组辐照实验，并设计1组单层膜作对照实验。如图3所示，激光在样品表面形成的光斑面积均为1.7 mm²，激光功率为1 W、3 W、5 W下光斑功率密度分别为0.58 W/mm²、1.76 W/mm²、2.94 W/mm²。控制位移平台使样品按照设定的扫描路径匀速被光斑辐照，光斑的上下扫描间隔为0.1 mm。

采用真空紫外荧光光谱仪（IHR320, HORIBA）、荧光光谱仪（FLS1000, Edinburgh Instruments）测试薄膜的荧光性能，经过辐照损伤的荧光衰减程度K表示为

$ K=\frac{{I}_{0}-{I}_{1}}{{I}_{0}}\times 100{\text{%}} $

(1)

式中：$ {I}_{0} $为初始荧光强度；$ {I}_{1} $为辐照后的荧光强度。

采用紫外−可见分光光度计（Lambda1050，Perkin-Elmer）测试薄膜的透过率，表征紫外光和荧光透过膜层进入多晶硅栅极的效率。

2 结果与分析 2.1 复合薄膜在真空紫外/近紫外激发的荧光性能

真空度10⁻⁶ Pa的测试条件下，测试薄膜样品辐照前后，在VUV激发下的荧光响应强度。激发波长为160 nm，发射光谱如图4（a）～（c）所示。由图4可见，激光功率和扫描速率不影响MgF₂/Lumogen复合薄膜荧光发射峰的位置，发射峰均稳定在526 nm附近，但发射光的峰值强度发生明显衰减。相比未经激光辐照的复合薄膜，经过激光1 W功率的50 mm/min、30 mm/min、10 mm/min扫描速率辐照后，荧光强度分别衰减了1%、18%、32%，如图4（a）所示；经过激光3 W功率的3个速率辐照后，荧光强度分别衰减了5%、24%、49%，如图4（b）所示；同样的，经过激光5 W功率的3个速率辐照后，荧光强度衰减了9%、28%、61%，如图4（c）所示。MgF₂/Lumogen复合薄膜经过激光辐照后，应用于真空紫外探测时发射光强度产生衰减，在激光功率不变的情况下，随着扫描速率降低（积分时间增加），真空紫外激发下的荧光衰减程度逐渐上升，激光功率越高，衰减越严重。

复合薄膜在近紫外的荧光响应测量，采用荧光光谱仪检测方案中每个样品受辐照前后在近紫外光激发下的荧光发射光谱。以273 nm波长激发，并在450～700 nm波长范围采集荧光信号，荧光发射峰位于532 nm左右。结果如图5（a）~（c）所示，较未辐照薄膜，经过激光1 W功率的50 mm/min、30 mm/min、10 mm/min 3个扫描速率辐照后，发光强度分别衰减了1%、2%、6%，如图5（a）所示；经过激光3 W功率的3个速率辐照后，发光强度分别衰减了6%、8%、11%，如图5（b）所示；经激光5 W功率的3个速率辐照后，发光强度分别衰减了7%、12%、21%，如图5（c）所示。应用于近紫外探测时，复合薄膜受高能辐照后的衰减趋势与真空紫外测试结果一致，在衰减程度上，近紫外探测相对真空紫外要低。

2.2 激光辐照对膜层透过性能的影响

MgF₂/Lumogen复合薄膜在500～700 nm波段具有较高的透过率，与探测器的响应敏感波段相匹配^[12-14]，此波段的透过率能反映复合膜层对光子的利用率，与紫外成像质量成正比。以紫外−可见分光光度计测量方案中所有样品受辐照前后的透射光谱，结果如图6（a）~（c）所示，相比未辐照复合薄膜，经过激光辐照的复合薄膜透过率下降了2%～3%，且500～700 nm波段内的透射峰发生略微蓝移 ，但总体上维持在75%～95%。由于激光辐照功率和积分时间的增加，热量聚集在薄膜表面，热作用破坏了膜层表面的光滑结构，增加了吸收和漫反射导致透过率逐渐下降。除了热效应，介质膜（MgF₂）在场效应下的破坏也不可忽略，激光辐照会在介质膜内形成高频强场，在高频场的作用下，介质膜可能会产生类似于介电击穿的电子雪崩离化，导致薄膜损伤。低功率下场效应的损伤并不明显，但随着激光功率的不断增加，场效应将逐渐增加，MgF₂膜层的增透作用也随之降低^[15]。

2.3 MgF₂/Lumogen复合薄膜的抗辐照损伤效应

MgF₂薄膜对120～800 nm范围内的光具有高透过率，作为无机材料在改善Lumogen薄膜粗糙度的同时能有效隔离物理污染和水汽氧化。Lumogen膜与MgF₂/Lumogen复合膜在相同激光辐照条件下（激光功率3 W、扫描速率30 mm/min）比较两者的抗辐照损伤效果。从图7（a）真空紫外荧光光谱曲线来看，经激光辐照后的单层膜与复合薄膜在真空紫外激发下的荧光强度分别衰减了31%、12%；图7（b）所示为在近紫外激发下的荧光光谱，辐照后单层膜与复合膜的荧光强度分别衰减了15%、5%。不论是真空紫外激发还是近紫外激发，有无MgF₂保护的Lumogen荧光衰减相差接近3倍。在Lumogen表面加镀MgF₂膜层之后其透过率在500～700 nm波段有了明显提高，由86%提高至90%，验证了此前的研究^[14]。经过激光辐照后Lumogen薄膜与MgF₂/Lumogen复合薄膜的透过率分别衰减了约4%、2%，如图7（c）所示，高能激光对复合薄膜的透过性能影响并不大。

从结果来看，加镀MgF₂薄膜能有效提高Lumogen薄膜的抗激光损伤能力，应用于紫外探测器时能更好地应对各种恶劣环境，延长使用寿命。

2.4 MgF₂/Lumogen复合薄膜辐照损伤分析

Lumogen具有荧光基团（苯基）和荧光助色团（氢氧基团），在吸收紫外光后苯基分子中的内部电子从基态$ \pi $（价带）跃迁至激发态$ {\pi }^{*} $（导带），再经过衰变释放光子从而发出可见光^[16]。随着激光辐照功率和积分时间的增加，样品表面积累热量增多，在热效应下，局部热点周围产生热弹性压力和热应力波，破坏了Lumogen内部的荧光基团和荧光助色团，使荧光发光因子的活性降低，光致发光性能下降。

薄膜热破坏与材料的热传导等密切相关。为进一步分析MgF₂/Lumogen复合薄膜的抗激光损伤机理，使用COMSOL软件对复合膜层建模进行热传导仿真。MgF₂薄膜作为一种无机材料的介质膜，相对于Lumogen这种有机荧光薄膜具有更高的热导率，这样的复合膜设计能一定程度避免膜层中的热量聚集导致荧光层的受损。如图8（a）~（c）所示，复合薄膜经高能激光辐照后会在膜层中留下热量，图8（a）中可以看到膜层切面中的热源在MgF₂层的传热效率比Lumogen层要高，热量在MgF₂层中向膜面四周扩散的速度更快，如图8（b）~（c）所示。MgF₂层的导热作用在一定程度上减缓了Lumogen层的热破坏。

3 结　论

本文研究高能激光辐照前后MgF₂/Lumogen复合薄膜的损伤效应，旨在模拟复合薄膜应用于紫外探测器在实际工作环境中所受高能辐照的损伤规律。实验结果表明，镀制的薄膜样品经激光光斑面积1.7 mm²，激光功率（扫描速率）为1 W（50～10 mm/min）、3 W（50～10 mm/min）、5 W（50～10 mm/min）辐照后，真空紫外激发下荧光响应强度分别衰减了1%～32%、5%～49%、9%～61%；在近紫外激发下荧光响应强度分别衰减了1%～6%、6%～11%、6%～21%。荧光薄膜发光性能在真空紫外波段较近紫外波段受辐照影响要严重2～3倍，MgF₂/Lumogen复合薄膜的透过率整体仅衰减了2%～3%，影响不大。经辐照后的复合薄膜光学性能会出现不同程度的衰减，归因于激光功率和积分时间的增加导致热量聚集在膜面上，在热效应作用下破坏了Lumogen荧光薄膜内部的荧光基团和荧光助色团以及膜层表面的光滑结构，使得薄膜发光强度、透过率下降。对比了Lumogen单层膜受激光辐照前后变化，以及对复合薄膜的热传导分析，结果表示MgF₂能有效提高Lumogen薄膜的抗激光损伤能力。本研究为真空紫外波段探测器的研发及紫外探测技术提供了参考。