CN101159209B

CN101159209B - 一种场助多碱红外光电阴极

Info

Publication number: CN101159209B
Application number: CN2006100634996A
Authority: CN
Inventors: 牛丽红; 张焕文; 牛憨笨; 杨勤劳
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2006-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2026-11-01
Also published as: CN101159209A

Abstract

本发明公开了一种场助多碱红外光电阴极，在多碱光电阴极后预定距离设置有一金属栅网，并通过外接电路施加电压，以在光电子的出射端面形成均匀电场；所述多碱光电阴极经红外延伸处理，其成份包括Na₂KSb为80％-90％，K₂CsSb为10％-20％。本发明装置由于采用在光电阴极发射面一定距离内形成一个均匀的外加电场，使可见光多碱光电阴极对波长至少1064nm的近红外波段产生光电响应，并且其稳定性和噪声背景均优于Ag-O-Cs阴极，其光电灵敏度和时间特性均优于组合式光电阴极，并且相对III-V族负电子亲和势光电阴极，其工艺和设备简单、容易实现，从而获得了一种可产品化的红外光电阴极，填补了我国目前真空型实用红外光电阴极的空白。

Description

一种场助多碱红外光电阴极

技术领域：

本发明涉及一种红外光电阴极，尤其涉及的是一种场助多碱红外光电阴极。

技术背景：

现有技术的红外光电阴极器件在社会生活特别是军事装备中具有重要的应用价值，但是目前我国还没有可以作为产品销售的红外光电阴极器件，原因是红外光电阴极制作难度大、成本高。

红外光电阴极器件是红外探测器的核心部件，请参见《光夜视技术的进展与展望》，艾克聪，《应用光学》，Vol.27，No.4，2006，第304-308页，以及，《红外探测器的进展》，朱惜晨，程进，《光机电信息》，No.10，2001，第30-34页。

以红外CCD焦平面列阵探测器为典型的固体红外探测器近年来在军事和民用上都得到了广泛的应用。尽管目前这类探测器的信噪比和探测效率大幅度地提高，由于器件采用的是热释电或内光电效应的原理，因此造成器件噪声大、响应速度慢的缺陷。而采用外光电效应的光电子发射型红外探测器因其具有噪声低、探测灵敏度高、时间响应快的特点，在激光通讯、超快现象研究、军事侦察等方面仍发挥着不可替代的作用。

现有技术的红外光电阴极主要包括以下几种：

1、银氧铯光电阴极：典型的红外光谱灵敏度可以到1.8um。制备工艺是通过真空蒸镀一定厚度的银层，进行氧化处理后再次蒸银，完成铯激活；再经过高、低温和敏化处理等阶段，形成一个Ag-O-Cs结构的薄膜。但是由于银氧铯光电阴极的制作工艺难度大，器件成品率低，热发射大，稳定性差，光电灵敏度随时间降低，一般有效阴极寿命仅在一年左右，使得银氧铯光电阴极的应用受到了极大的限制。

2、III-V族负电子亲和势光电阴极：利用晶体外延生长技术，在一定的晶体衬底上生长一层InGaAs。虽然III-V族负电子亲和势光电阴极的红外响应只能到1.2um，但是由于其高的光电灵敏度受到了实用中的重视，但是由于制作负电子亲和势光电阴极对阴极衬底和工艺的要求苛刻，加之成本高，所以难以实现。

3、多碱光电阴极(CsNaKSb)：多碱光电阴极的响应在可见光波段，其制备工艺是在真空系统中，在一定温度下通过一定的先后顺序，交替蒸发碱金属和锑，最后形成一个多晶的金属层。测试结果表明：多碱光电阴极的红外响应波长一般在900左右截止，而目前大部分的应用如激光通讯、超快现象研究等使用1064nm激光，因此多碱光电阴极无法满足应用需求。尽管通过红外延伸工艺可以使得多碱光电阴极对近红外波段有一定的响应，但目前实际技术成效甚微。

4、红外上转换屏与可见光阴极耦合的组合阴极：参见《一种适于条纹相机的新型组合红外阴极》，范文慧侯洵等，《红外与毫米波学报》，Vol.17，No.6，1998，第405-410页，光致上转换发光材料能在红外光激励下发射可见光，将其制成红外上转换屏并与可见光光电阴极组合，构成一种组合型式的红外阴极，使可见光探测器(例如光电倍增管，CCD相机等)的应用扩展到近红外波段(08～1.6μm)，甚至中红外波段(3～5μm)。但是迄今为止，由于它较低的红外上转换发光效率以及有限的空间分辨率、荧光背景噪声及时间响应等一些不确定因素，使其应用主要局限在一些非定量的观测上，仍不能在诸如激光通讯、超快现象研究、军事装备等方面实现实用化。

总之，到目前为止，我国还没有红外光电阴极的生产能力。由于红外探测器件在军事上的重要地位，发展实用的红外光电阴极是红外研究和应用领域的迫切需要，具有重要的经济和军事意义。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种场助多碱红外光电阴极，实现一种低成本、制作工艺简单的红外光电阴极。

本发明的技术方案包括：

一种场助多碱红外光电阴极，其特征在于，在多碱光电阴极后预定距离设置有一金属栅网，并通过外接电路施加电压，以在光电子的出射端面形成均匀电场；以及所述多碱光电阴极经红外延伸处理，其成份包括Na₂KSb为80％-90％，K₂CsSb为10％-20％。

所述的场助多碱红外光电阴极，其中，所述预定距离为0.5～10毫米。

所述的场助多碱红外光电阴极，其中，所述多碱光电阴极的厚度为160～200纳米。

本发明所提供的一种场助多碱红外光电阴极，利用成熟的易实现的、低成本的多碱光电阴极制作技术，在现有红外延伸工艺的基础上，由于采用在光电阴极发射面一定距离内形成一个均匀的外加电场，使可见光多碱光电阴极对波长至少1064nm的近红外波段产生光电响应，并且其稳定性和噪声背景均优于Ag-O-Cs阴极和组合式光电阴极，其光电灵敏度和时间特性均优于组合式光电阴极，并且相对III-V族负电子亲和势光电阴极，其工艺和设备简单、容易实现，从而获得了一种实用的红外光电阴极，填补了我国目前真空型实用红外光电阴极的空白。

附图说明：

图1为现有技术的多碱光电阴极的制作工艺流程示意图；

图2为本发明的红外光电阴极的第一实施例的结构示意图；

图3为本发明的红外光电阴极的第二实施例的结构示意图；

图4为本发明的红外光电阴极的一种实际应用的试验系统示意图；

图5为利用本发明获得的红外激光信号的狭缝像图；

图6为利用本发明测得的红外皮秒激光脉冲波形。

具体实施方式：

以下结合附图，将对本发明的各较佳实施例进行更为详细的描述。

本发明的场助多碱红外光电阴极装置，采用现有的多碱阴极制作工艺制作阴极，其流程如图1所示。本发明的红外光电阴极装置的结构如图2和图3所示，其包括一多碱光电阴极120，该多碱光电阴极120与电极连接并紧贴透明输入窗110，输入窗110由透光材料制成，并且为实现感光要求的不同，可以对输入窗进行镀膜；所述多碱光电阴极120用于对从输入窗110射入的光电子进行感应。

本发明的场助多碱红外光电阴极，在上述现有技术工艺制作的多碱光电阴极后方约0.5～10mm距离处还设置有一与该多碱光电阴极的几何形状一致的金属栅网130，如图2所示的为球面阴极和栅网结构，如图3所示的为平面阴极和栅网结构，在所述金属栅网上施以外加电压，并且相对于多碱光电阴极形成电位差，使得多碱光电阴极在光电子出射端附近形成一个外加的均匀电场，该电场具有高的场强。由于像管工作电压的提高，使光电阴极表面电子亲和势降低，阴极出射的光电子功函数也降低，因而改善了光电阴极的红外响应。这个高场强的附加电场不仅有效地延伸了光电阴极的红外响应，还减小了光电阴极的光电子初速度弥散，本发明用于激光通讯和红外成像，有效地改善了红外探测器件的时间特性和成像质量。

本发明的场助多碱红外光电阴极装置，在采用现有的多碱阴极制作工艺制作阴极的同时，还须保证多碱光电阴极的化学成分间的最佳比，如图1所示，本发明多碱红外光电阴极的生产过程中，在不同温度条件下使用不同材料进行镀膜过程，为实现本发明的技术效果，本发明的场助多碱红外光电阴极装置的多碱光电阴极经红外延伸处理，做到Na₂KSb的成分为主体，约85％左右，而K₂CsSb成分则应当少的多，约15％。其次，要使光电阴极具有最佳的红外响应，还要保证多碱光电阴极最佳的薄膜厚度，本发明所述多碱光电阴极的薄膜厚度取160～200nm左右。

以下描述本发明应用于红外超快现象诊断的实施例，如图4所示为皮秒变像管扫描相机中进行红外信号的成像和时间特性检测装置。其中，光源是一台主被动锁模Nd:YAG激光器210，激光器输出波长(λ)为1064nm，脉宽为约80皮秒的超短激光脉冲。标准具220的作用是提供一个标准的时间刻度，当一个单脉冲入射时，从标准具220上反射出一串时间间隔相等、能量等比衰减的脉冲序列。脉冲间隔时间由标准具的厚度(d)、玻璃折射率(n)和光速(c)确定(Δt＝2nd/c)。

激光器210输出的红外光经标准具220后入射在扫描相机230前的光电阴极上，该光电阴极即采用的是本发明的场助多碱红外光电阴极装置，该光电阴极将红外信号转换成相应的光电子脉冲，光电子脉冲轰击荧光屏即可产生可见光图象，经扫描相机CCD读出并送入计算机进行进一步的数据分析。工作时，通过PIN的光电信号触发扫描相机的扫描电路，通过电脉冲扫描即可使时间信号转换成一维的空间信号。

实验结果，如图5采用场助多碱红外光电阴极对1064nm红外激光信号进行了成像和时间测量，实验结果如图5和图6所示，本发明场助多碱红外光电阴极装置利用传统通用的可见光多碱光电阴极制作技术，通过对红外波段的适当延伸，并在光电阴极发射面外加电场，可以实现对波长至少1064nm的近红外波段的信号探测，实验结果证明该场助多碱红外光电阴极可以替代现有的红外光电阴极对红外光电信号进行有效地探测。

综上，本发明场助式多碱红外光电阴极的制备工艺现有技术已经成熟，易于实现，并且相对于其它方案其制作成本低。本发明场助式多碱红外光电阴极在至少在1064nm处有很好的红外响应，并且稳定性和噪声背景均优于Ag-O-Cs阴极，其光电灵敏度和时间特性均优于组合式光电阴极。并且相对III-V族负电子亲和势光电阴极，其工艺和设备简单、，容易实现，本发明场助式多碱红外光电阴极用于超快红外信号探测和红外成像器件中，填补了我国目前真空型实用红外光电阴极的空白。

应当理解的是，上述针对具体实施例的描述较为详细，显然不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种场助多碱红外光电阴极，其特征在于，在多碱光电阴极后预定距离设置有一金属栅网，且金属栅网的几何形状与多碱光电阴极几何形状一致，并通过外接电路施加电压，以在光电子的出射端面形成均匀电场；所述多碱光电阴极经红外延伸处理，其成份包括Na₂KSb为80％-90％，K₂CsSb为10％-20％。

2.根据权利要求1所述的场助多碱红外光电阴极，其特征在于，所述预定距离为0.5～10毫米。

3.根据权利要求1所述的场助多碱红外光电阴极，其特征在于，所述多碱光电阴极的厚度为160～200纳米。