CN102280330A - 光辅助/脉冲调制用大电流密度电子源及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光辅助/脉冲调制用大电流密度的电子源，应用于大功率超高频真空电子器件领域。电子源包括衬底（1）、N个大小相同的同心环电极（3）、电极引线（2）、衬底外缘电极（4）；其中，所述N个同心环电极（3）均匀分布在衬底（1）上，所述同心环电极具有亚波长周期电极结构，通过电极引线与衬底外缘电极（4）连接，在同心环电极（3）表面制备有冷阴极电子发射材料。本发明还公开了该电子源的电子发射方法，在直流电场作用下，利用连续输出或飞秒脉冲激光束辐射其上或下表面，实现发射电流的光辅助/脉冲调制。本发明将电子源设计为亚波长周期结构，提高了光-场发射中的光子吸收效率，增强光脉冲对电子发射的调制效果。

Description

光辅助/脉冲调制用大电流密度电子源及其应用方法

技术领域

本发明涉及一种应用于大功率超高频真空电子器件的具有亚波长周期结构的光辅助/脉冲调制大电流密度电子源。

背景技术

高真空条件下，在外加直流电场和激光辐射的共同作用下，冷阴极材料表面势垒下降或宽度变窄，内部费米能级电子克服逸出功翻越或穿透势垒，在冷阴极材料表面形成电子云；激光辐射的形式可以为连续输出或脉冲形式输出的激光光束。

根据表面等离子极元的工作原理，当单一波长光束照射具有周期性亚波长特征的金属光栅结构时，在满足一定的频率匹配和波数匹配的条件下，周期性金属光栅结构表面会激励表面等离子极元。表面等离子极元的激励受到了金属表面自由电子云和照射光波共振效应作用，因而具有两个特征：在传播方向上比照射光波具有更短的波长；在与传播方向相垂直的方向上为消逝场。

在实际效果上，当光束辐射到具有亚波长周期金属电极表面时，表面的消逝场通过隧道效应强化了光子的“搬运”效率：表面等离子极元在增强入射电磁场近场幅度的同时，也会“诱发”一个增强的共振散射模式，进一步提高了在特定波长的入射光子的透过率。另外，在表面等离子极元激发并存在的条件下，从光吸收率的角度考虑，其与入射处的电场强度平方成比例，无疑是有利于光子吸收率的提高。增强的共振散射模式可以将入射光子重导向，从而变相地增大了吸收距离。

因此，将光辅助/调制场发射电子源设计为亚波长周期结构将有利于提高光-场发射中的光子吸收效率，有利于增强光脉冲对电子发射的调制效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了增强光脉冲对电子发射的调制效果，提供一种具有亚波长周期结构的光辅助/脉冲调制用大电流密度电子源。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种大电流密度电子源，包括衬底、N个大小相同的同心环电极、电极引线、衬底外缘电极；其中，所述N个同心环电极均匀分布在衬底上，所述同心环电极具有亚波长周期电极结构，通过电极引线与衬底外缘电极连接，在同心环电极表面制备有冷阴极电子发射材料，N为自然数。

优选的，本发明的一种大电流密度电子源，衬底为高透光率材料制成，厚度范围为1.0mm ~ 5.0mm。

优选的，本发明的一种大电流密度电子源，同心环电极为金属电极或透明导电电极。

优选的，本发明的一种大电流密度电子源，冷阴极电子发射材料为碳纳米管/碳纳米纤维。

优选的，本发明的一种大电流密度电子源，冷阴极电子发射材料为氧化锌纳米线。

优选的，本发明的一种大电流密度电子源，同心环电极的同心环直径范围为150nm ~ 600nm，环状电极线宽为50nm ~ 200nm。

本发明还提供一种采用光辅助/脉冲调制大电流密度电子源的方法，包括如下步骤：

步骤101，将衬底装配到相应真空电子器件的阴极卡座或夹具上，将衬底上的电极与供电电源的接地端相连接，在真空电子器件内对衬底附有冷阴极电子发射材料的一侧施加必要的开启和加速电场，实现冷阴极材料的场致电子发射；

步骤102，采用光学组件将激光光束以与衬底基板成45度~90度夹角的范围照射衬底的上表面或下表面，形成辐射光场；所述光学组件包括固体激光器和气体激光器；

步骤103，在直流电场和辐射光场的共同作用下，冷阴极材料内部的费米能级电子穿透或翻越被压缩和降低的势垒，到达真空，实现发射电流的光-场电子发射。

进一步的，本发明的采用光辅助/脉冲调制大电流密度电子源的方法，所述激光光束采用超快激光光源，其输出光脉冲重复频率为40MHz ~ 75MHz，脉冲宽度80fs ~ 120fs，波长790nm ~ 810nm，输出功率和能量密度连续可调。

进一步的，本发明的采用光辅助/脉冲调制大电流密度电子源的方法，所述激光光束采用连续输出激光光源，波长为390nm ~ 810nm，输出功率和能量密度连续可调。

进一步的，本发明的采用光辅助/脉冲调制大电流密度电子源的方法，在连续输出激光光源输出光路中还加装光学斩波器或光电开关，或者采用飞秒激光器。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明充分地利用了单色光束与亚波长周期结构作用时所激励的表面等离子极元及其伴生的共振散射效应，有效地增强了光子的吸收效率，有利于光-场发射的电子发射和输入光脉冲对电子发射的调制作用。本发明将有利于大功率微波、毫米波和亚毫米波(太赫兹THz)器件的发展和应用。

附图说明

图1是本发明的电子源结构示意图。

图中标号：1-高透光率衬底，2-电极引线，3-同心环电极，4-衬底外缘电极。

图2是本发明的电子源结构俯视示意图（局部）。

图3是本发明的电子源结构侧视示意图（局部）。

图4和图5是本发明的电子源工作中外加照射激光光束与衬底水平方向夹角示意图，其中图4为光束由电子源衬底正面（有电极）入射示意图，图5为光束由电子源衬底背面入射示意图。

图6是本发明的电子源工作系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

首先详细介绍本发明的电子源的应用材料、制备工艺和工作方式。

如图1、图2所示，在本发明提出的电子源中，结构上包括衬底1、具有亚波长周期结构特征的金属或透明导电同心环电极3，电极引线2，衬底外缘电极4。如图3所示，在电极上表面通过化学气相沉积、化学气相传输、水浴法或丝网印刷制备有冷阴极材料。衬底采用高透光率材料制成，可以为透明耐高温晶体切片，包括石英晶体、红蓝宝石等或高透光的高熔点（>1000℃）玻璃基板，厚度范围为1.0mm ~ 5.0mm。

本发明利用磁控溅射、真空热蒸发技术在衬底的上表面制备透明或金属薄膜，然后利用光刻技术制备具有亚波长周期特征的电极结构；除可采用薄膜工艺制备电极以外，也可利用丝网印刷技术直接印刷贵金属浆料制备电极图形，并在高温(400℃ ~ 430℃)下烧结还原为具有亚波长周期特征的金属电极结构。冷阴极材料为碳纳米管、碳纳米纤维或氧化锌纳米线，通过定向生长或丝网印刷的方法在金属电极的同心环部分制备，冷阴极材料的分布疏密度可以通过调整催化剂颗粒分布、籽晶分布、水浴溶液浓度或金属浆料的有效成分比来进行调整。

本发明中的电子源工作方式的最大特点是电子发射加入了激光辅助/脉冲调制。激光光源输出方式为连续输出或飞秒脉冲输出，种类上包括了气体激光器和固体激光器。具体的工作方式如下：首先将具有亚波长周期电极结构特征和冷阴极材料的发射极衬底装配到相应真空电子器件的阴极卡座或夹具上，令金属电极与供电电源的接地相连，器件内对衬底附有冷阴极的一侧可施加必要的开启和加速电场，从而实现冷阴极材料的场致电子发射；如图4、图5所示，利用必要的光学组件将激光光束传输至电子源衬底的上或下表面，并以45度~90度的范围照射衬底的上下表面，光束可以为偏振光或非偏振光，波长范围为340nm ~ 810nm；在直流电场和辐射光场的共同作用下，冷阴极材料内部的费米能级电子穿透或翻越被压缩和降低的势垒，到达真空，形成电子发射；光-场发射的脉冲调制方式可以通过在连续输出激光器的输出端加光学斩波器或光电开关，也可以通过利用飞秒激光器的直接脉冲输出进行调制；由于电极结构具备了亚波长周期结构，在激光辐射下，表面激励出等离子极元，有助于提高电极附近的电场，同时增加了光子的输运能力，加大了整个结构对光子能量的吸收，有助于光-场电子发射。

下面结合实例图介绍具体的实施例。

实施例一

选用厚度为220μm的蓝宝石切片作为衬底，利用磁控溅射在其表面制备氧化铟锡透明导电薄膜，利用光学光刻方法在该透明导电膜上制备周期性电极结构，如图1所示，其中同心环直径300nm，环状电极宽度80nm，相邻同心环电极间距为100nm，如图2所示；在制备成形的电极表面，分布Fe-Ni-Co催化剂颗粒，并利用化学气相沉积的方法制备碳纳米管阵列，如图3所示，同心环电极3上端制备有冷阴极电子发射材料。

将完成制备工艺的电子源装配到相应真空电子器件的阴极卡座或夹具上，如图6所示，令衬底的外缘金属电极与供电电源的接地相连，器件内对衬底附有碳纳米管的一侧施加直流加速电场VDC，实现冷阴极材料的场致电子发射；同时利用光学组件将波长810nm，脉冲宽度150fs，重复频率40MHz激光光束(输出功率和能量密度可调)传输至电子源衬底的上表面，垂直照射衬底的上表面的碳纳米管发射阵列，光束为圆偏振光。

实施例二

选用厚度为3mm的高透光率、高平整度石英玻璃作为衬底，利用磁控溅射在其表面制备氧化铟锡透明导电薄膜，利用光学光刻方法在该透明导电膜上制备周期性电极结构，如图1所示，其中同心环直径400nm，环状电极宽度100nm，相邻同心环电极间距为110nm，如图2所示；在制备成形的电极表面，利用丝网印刷法涂敷碳纳米管浆料，并在氮气氛围内，利用200℃ ~ 300℃高温烘干，形成发射体阵列，如图3所示。

将完成制备工艺的电子源装配到相应真空电子器件的阴极卡座或夹具上，如图6所示，令衬底的外缘金属电极与供电电源的接地相连，器件内对衬底附有碳纳米管的一侧施加直流加速电场VDC，实现冷阴极材料的场致电子发射；同时利用光学组件将波长810nm，脉冲宽度150fs，重复频率40MHz激光光束(输出功率和能量密度可调)传输至电子源衬底的下表面，垂直照射衬底的下表面，光束可通过透明的玻璃片衬底和透明电极，与碳纳米管发射阵列发生互作用，光束为线偏振光。

实施例三

选用厚度为3mm的高透光率、高平整度石英玻璃作为衬底，利用丝网印刷方法在衬底制定区域涂敷银浆料，并在氮气氛围，430℃高温下还原烧结，制备周期性电极结构，如图1所示，其中同心环直径350nm，环状电极宽度70nm，相邻同心环电极间距为90nm，如图2所示；在制备成形的电极表面，利用丝网印刷法涂敷碳纳米管浆料，并在氮气氛围内，利用200℃ ~ 300℃高温烘干，形成发射体阵列，如图3所示。

将完成制备工艺的电子源装配到相应真空电子器件的阴极卡座或夹具上，如图6所示，令衬底的外缘金属电极与供电电源的接地相连，器件内对衬底附有碳纳米管的一侧施加直流加速电场VDC，实现冷阴极材料的场致电子发射；同时利用光学组件将波长532nm，连续输出，经20 KHz光学斩波器的激光光束(输出功率和能量密度可调)传输至电子源衬底的上表面，照射衬底的上表面，光束与衬底和电极夹角为45^o，并与碳纳米管发射阵列发生互作用，光束为椭圆偏振光。

Claims (10)

1.一种大电流密度电子源，其特征在于：包括衬底（1）、N个大小相同的同心环电极（3）、电极引线（2）、衬底外缘电极（4）；其中，所述N个同心环电极（3）均匀分布在衬底（1）上，所述同心环电极具有亚波长周期电极结构，通过电极引线与衬底外缘电极（4）连接，在同心环电极（3）表面制备有冷阴极电子发射材料，N为自然数。

2.根据权利要求1所述的一种大电流密度电子源，其特征在于：所述衬底（1）为高透光率材料制成，厚度范围为1.0mm ~ 5.0mm。

3.根据权利要求1所述的一种大电流密度电子源，其特征在于：所述同心环电极（3）为金属电极或透明导电电极。

4.根据权利要求1所述的一种大电流密度电子源，其特征在于：所述冷阴极电子发射材料为碳纳米管/碳纳米纤维。

5.根据权利要求1所述的一种大电流密度电子源，其特征在于：所述冷阴极电子发射材料为氧化锌纳米线。

6.根据权利要求1所述的一种大电流密度电子源，其特征在于：所述同心环电极（3）的同心环直径范围为150nm ~ 600nm，环状电极线宽为50nm ~ 200nm。

7.一种采用光辅助/脉冲调制如权利要求1所述的大电流密度电子源的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤101，将衬底装配到相应真空电子器件的阴极卡座或夹具上，将衬底上的电极与供电电源的接地端相连接，在真空电子器件内对衬底附有冷阴极电子发射材料的一侧施加必要的开启和加速电场，实现冷阴极材料的场致电子发射；

步骤102，采用光学组件将激光光束以与衬底基板成45度~90度夹角的范围照射衬底的上表面或下表面，形成辐射光场；所述光学组件包括固体激光器和气体激光器；

步骤103，在直流电场和辐射光场的共同作用下，冷阴极材料内部的费米能级电子穿透或翻越被压缩和降低的势垒，到达真空，实现发射电流的光-场电子发射。

8.根据权利要求7所述的采用光辅助/脉冲调制大电流密度电子源的方法，其特征在于：所述激光光束采用超快激光光源，其输出光脉冲重复频率为40MHz ~ 75MHz，脉冲宽度80fs ~ 120fs，波长790nm ~ 810nm，输出功率和能量密度连续可调。

9.根据权利要求7所述的采用光辅助/脉冲调制大电流密度电子源的方法，其特征在于：所述激光光束为连续输出激光光源，波长为390nm ~ 810nm，输出功率和能量密度连续可调。

10.根据权利要求9所述的采用光辅助/脉冲调制大电流密度电子源的方法，其特征在于：在连续输出激光光源输出光路中还加装光学斩波器或光电开关，或者采用飞秒激光器。

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