CN105070629A - 用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管 - Google Patents

用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管 Download PDF

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Abstract

用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管属于光电技术领域。现有技术需要使用三个光学天线，这使得光端机体积与重量明显增大，结构复杂，装调难度很大。本发明其组成部分包括窗口、光电阴极、微通道板、阳极，微通道板有多级，在光电阴极、各级微通道板、阳极之间加有方向相同的电压，由阳极输出光电流；其特征在于，所述阳极由透射式阳极、阳极微通道板、位敏阳极构成，透射式阳极、位敏阳极分别位于阳极微通道板正面、背面，电子束聚焦极位于最后一级微通道板与透射式阳极之间，由透射式阳极输出激光通信信号光光电流，由位敏阳极输出激光通信定位光光电流。将精跟踪与通信合二为一，从而减少了一个光学天线。

Description

用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管
技术领域
本发明涉及一种用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管，属于光电技术领域。
背景技术
在空间激光通信过程中，为了实现毫弧度甚至微弧度量级的精密对准，所使用的激光通信光端机采用了两级复合式APT系统(acquiringtrackingpointing，捕获跟踪对准)。所谓两级复合式APT系统包括粗跟踪与精跟踪两部分。粗跟踪部分为CCD望远自动跟踪系统，精跟踪部分为PZT(快速倾斜镜)配合4QD(四象限探测器)的高速跟踪系统。粗跟踪完成对信标光的粗对准，使光端机目标维持在CCD视场中心范围，进而确保目标不会飞出精跟踪的视场范围。精跟踪由4QD探测器高速探测通信光，并根据探测结果实时控制PZT调整通信光光路，将通信光维持在接收视场内。粗跟踪与精跟踪两部分各有自己的光学天线。在参与通信的光端机之间建立并保持精密对准的同时，由另一个光学天线接收通信光并传入微通道光电倍增管(MCP-PMT)，由微通道光电倍增管实现通信光的光电转换和增强。现有微通道光电倍增管其结构为，自光入射方向依次为窗口、光电阴极、微通道板、阳极，微通道板有多级，如2～3级，阳极位于最后一级微通道板的后端面，所述阳极为透射式阳极，在光电阴极、各级微通道板、阳极之间加有方向相同的高压，由阳极输出光电流。
由于设置两级复合式APT系统十分必要，在激光通信光端机中三个光学天线同时存在的现实几乎无法改变，这使得光端机体积与重量明显增大，结构当然也变得复杂，这些光学天线的装调，包括三个光轴的精密调整，难度很大。
发明内容
为了减少激光通信光端机中光学天线的数量，我们发明了一种用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管，本发明之微通道光电倍增管在接收、转换、增强激光通信信号的同时，能够实现精跟踪，相比于现有技术，将精跟踪与通信合二为一，减少了一个光学天线。
本发明之用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管其组成部分包括窗口、光电阴极、微通道板、阳极，微通道板有多级，在光电阴极、各级微通道板、阳极之间加有方向相同的电压，由阳极输出光电流；其特征在于，所述阳极由透射式阳极、阳极微通道板、位敏阳极构成，透射式阳极、位敏阳极分别位于阳极微通道板正面、背面，电子束聚焦极位于最后一级微通道板与透射式阳极之间，由透射式阳极输出激光通信信号光光电流，由位敏阳极输出激光通信定位光光电流。
本发明其技术效果在于，当空间激光通信光端机采用本发明之具有复合波导阳极的微通道光电倍增管时，依然由粗跟踪系统完成对信标光的粗对准，使光端机目标维持在CCD视场中心范围，进而确保目标不会飞出精跟踪的视场范围。通信光入射微通道光电倍增管光学天线，聚焦于光电阴极表面，并发生光电转换。光电阴极按照入射通信光光斑形状发射电子，这些电子在强电场作用下逐级加速撞击微通道板，发生电子倍增，形成高能电子云。该高能电子云在强电场的作用下继续加速撞向透射式阳极。电子束聚焦极的作用在于调制高能电子云波前，使其汇聚，提高能量密度，之后投射到透射式阳极上。动能极高的高能电子云中的大部分电子被透射式阳极收集，并输出激光通信信号光光电流，完成激光通信信号的提取。动能极高的高能电子云中的小部分电子渡越透射式阳极，之后在通过阳极微通道板的过程中得到再一次的电子倍增，最终被位敏阳极收集，并输出激光通信定位光光电流，由此完成入射通信光的光轴精确定位。可见，由透射式阳极、阳极微通道板、位敏阳极构成的复合波导阳极使得光端机中的微通道光电倍增管在接收、转换、增强激光通信信号的同时，能够实现精跟踪，相比于现有技术，将精跟踪与通信合二为一，从而减少了一个光学天线。
附图说明
图1是本发明之用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管结构示意图，该图兼作为摘要附图。图2为本发明中的位敏阳极的一种位敏结构——楔条形结构示意图。
具体实施方式
本发明之用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管其组成部分包括窗口1、光电阴极2、微通道板3、阳极，如图1所示，微通道板3有多级，在光电阴极2、各级微通道板3、阳极之间加有方向相同的电压，由阳极输出光电流。所述阳极由透射式阳极4、阳极微通道板5、位敏阳极6构成，透射式阳极4、位敏阳极6分别位于阳极微通道板5正面、背面，电子束聚焦极7位于最后一级微通道板3与透射式阳极4之间，由透射式阳极4输出激光通信信号光光电流，由位敏阳极6输出激光通信定位光光电流。
所述光电阴极2厚度为5mm，直径为25mm，是一种GaAs光电阴极。
所述微通道板3直径为27mm，有效口径为18.4mm，通道孔径为6μm，通道孔距为8μm，厚度为0.3mm，长径比为50，是一种带防离子反馈膜的微通道板，其光电子入射端面溅射有4nm厚的SiO2层。
所述电子束聚焦极7由两个相同的铜质环片以同轴相离排布的方式构成，所述铜质环片外径为29.5mm，内径为24.5mm，厚度为2mm，铜质圆片表面溅射有SiO2层。
所述透射式阳极4为0.4μm厚的Al膜，镀在阳极微通道板5正面。
所述阳极微通道板5直径为27mm，有效口径为18.4mm，通道孔径为6μm，通道孔距为8μm，厚度为0.3mm，长径比为50。
所述位敏阳极6为2μm厚的Cu膜，镀在阳极微通道板5背面，Cu膜表面溅射有SiO2层。位敏阳极6的位敏结构有两种。
一种是四象限结构，位敏阳极6的Cu膜由20μm宽的十字沟道划分为四个彼此绝缘的区域，由该四个彼此绝缘的区域输出的光电流根据象限探测法求得激光通信定位光光斑位置，进而进行同轴调控。
另一种是楔条形结构，如图2所示，位敏阳极6的Cu膜由20μm宽的楔条形沟道划分为三个彼此绝缘的区域，分别定义为W象限、S象限、Z象限；W象限由一组相互导通、形状相同、尺寸相同、轴线间距相同、轴线平行的楔形区域组成，所述楔形区域的轴线与Y轴方向平行，各个楔形区域的尖端的Y轴坐标值相同，从楔形区域的尖端到尾端的方向与Y轴方向相同；S象限由一组相互导通、形状相同、长度相同、轴线间距相同、轴线平行的条形区域组成，所述条形区域的轴线与Y轴方向平行，各个条形区域的下端的Y轴坐标值相同，沿X轴方向各个条形区域的宽度逐渐增大；所述各个楔形区域与所述各个条形区域穿插分布，所述各个楔形区域与所述各个条形区域之间的区域为Z象限。通过所述三个彼此绝缘的区域输出的光电流IW、IS、IZ按下式算出激光通信定位光光斑中心的绝对位置(x,y)：
x = I W I W + I S + I Z ,
y = I S I W + I S + I Z ,
进而进行同轴调控。
所述光电阴极2与第一级微通道板3抵近，最后一级微通道板3位于电子束聚焦极7物方二倍焦距以外，透射式阳极4位于电子束聚焦极4的像面上。
光电阴极2与第一级微通道板3入射端面之间的压差为300V；每个微通道板3入射端面与出射端面之间的压差为1000V；最后一级微通道板3出射端面与电子束聚焦极7的前一个铜质环片之间的压差为2000V；电子束聚焦极7的两个铜质环片之间的压差为1000V；电子束聚焦极7的后一个铜质环片与透射式阳极4之间的压差为3000V；透射式阳极4与位敏阳极6之间的压差为600V。

Claims (8)

1.一种用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管，其组成部分包括窗口、光电阴极、微通道板、阳极，微通道板有多级，在光电阴极、各级微通道板、阳极之间加有方向相同的电压，由阳极输出光电流；其特征在于，所述阳极由透射式阳极、阳极微通道板、位敏阳极构成，透射式阳极、位敏阳极分别位于阳极微通道板正面、背面，电子束聚焦极位于最后一级微通道板与透射式阳极之间，由透射式阳极输出激光通信信号光光电流，由位敏阳极输出激光通信定位光光电流。
2.根据权利要求1所述的用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管，其特征在于，所述电子束聚焦极(7)由两个相同的铜质环片以同轴相离排布的方式构成，铜质圆片表面溅射有SiO2层。
3.根据权利要求1所述的用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管，其特征在于，所述透射式阳极(4)是一层Al膜，镀在阳极微通道板(5)正面。
4.根据权利要求1所述的用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管，其特征在于，所述位敏阳极(6)是一层Cu膜，镀在阳极微通道板(5)背面，Cu膜表面溅射有SiO2层。
5.根据权利要求4所述的用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管，其特征在于，位敏阳极(6)的位敏结构为四象限结构，位敏阳极(6)的Cu膜由十字沟道划分为四个彼此绝缘的区域。
6.根据权利要求4所述的用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管，其特征在于，位敏阳极(6)的位敏结构为楔条形结构，位敏阳极(6)的Cu膜由楔条形沟道划分为三个彼此绝缘的区域，分别定义为W象限、S象限、Z象限；W象限由一组相互导通、形状相同、尺寸相同、轴线间距相同、轴线平行的楔形区域组成，所述楔形区域的轴线与Y轴方向平行，各个楔形区域的尖端的Y轴坐标值相同，从楔形区域的尖端到尾端的方向与Y轴方向相同；S象限由一组相互导通、形状相同、长度相同、轴线间距相同、轴线平行的条形区域组成，所述条形区域的轴线与Y轴方向平行，各个条形区域的下端的Y轴坐标值相同，沿X轴方向各个条形区域的宽度逐渐增大；所述各个楔形区域与所述各个条形区域穿插分布，所述各个楔形区域与所述各个条形区域之间的区域为Z象限。
7.根据权利要求1所述的用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管，其特征在于，所述光电阴极(2)与第一级微通道板(3)抵近，最后一级微通道板(3)位于电子束聚焦极(7)物方二倍焦距以外，透射式阳极(4)位于电子束聚焦极(4)的像面上。
8.根据权利要求1所述的用于空间光通信具有复合波导阳极的微通道光电倍增管，其特征在于，光电阴极(2)与第一级微通道板(3)入射端面之间的压差为300V；每个微通道板(3)入射端面与出射端面之间的压差为1000V；最后一级微通道板(3)出射端面与电子束聚焦极(7)的前一个铜质环片之间的压差为2000V；电子束聚焦极(7)的两个铜质环片之间的压差为1000V；电子束聚焦极(7)的后一个铜质环片与透射式阳极(4)之间的压差为3000V；透射式阳极(4)与位敏阳极(6)之间的压差为600V。
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