CN114388319B - 光纤面板阴极光窗及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种光纤面板阴极光窗及其制备方法。所述光纤面板阴极光窗包括光纤面板和光电阴极，光纤面板和光电阴极之间设置有离子阻挡层，其还包括第一功能层，用于提高光电阴极的光电子转换效率；第一功能层设置于光纤面板和光电阴极之间；第一功能层与光纤面板之间和/或第一功能层与光电阴极之间设置有离子阻挡层；所解决的技术问题是如何提高光电阴极的量子效率，使其在色温2856K的测试光路中，阳极电压为6000V，MCP电压为800V，阴极电压为200V时的阴极灵敏度≥850μA/lm，从而更加适于实用。

Description

光纤面板阴极光窗及其制备方法
技术领域
本发明属于玻璃表面处理技术，特别是涉及一种光纤面板阴极光窗及其制备方法。
背景技术
光纤面板主要由三种以上光学玻璃复合而成。一般由高折射率的芯玻璃、低折射率的皮层玻璃和吸收杂散光的黑玻璃构成。光纤面板作为像增强器中光电阴极材料(多碱阴极，砷化镓等)的支撑材料，也被称为阴极窗口材料，是光需通过的介质材料，其光子透过率的高低直接影响光电阴极的光电子转换效率。
光纤面板阴极光窗的结构依次包括光纤面板和由Na2KSb、Na2CsSb和CsSb组成的多碱光电阴极。根据上述材料折射率的不同，光线入射、穿过光纤面板后进入多碱光电阴极，折射率是逐渐增加。具体的，空气折射率是1.0，光纤面板折射率约为1.80～1.83(芯玻璃)，多碱光电阴极的折射率约为3.3，砷化镓的折射率约为3.57，光电阴极置于真空环境中。当一束光子经过光纤面板，达到光电阴极后，通过理论计算可知，由于光纤面板表面和光电阴极材料表面的菲涅尔反射损失将超过18％；如果考虑光纤面板的光子吸收，到达多碱光电阴极内部的光通量将低于82％。
就现有技术中确定的光纤面板和光电阴极材料组合而言，由于玻璃材料的调整既需要综合考虑玻璃热膨胀系数的匹配性，又需要考虑尽量避免玻璃材料调整对整个已定型的光学系统造成影响，导致光电阴极基底材料的选择范围比较窄，因此通过调整玻璃材料的折射率以减少界面的反射并不易实现。
以现有技术中的材料组合和当前的工艺水平，现有的光电阴极的量子效率仅能达到大约15％，其阴极灵敏度的平均水平也仅能达到600～700mA/lm，无法满足行业对于阴极灵敏度的需求。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种光纤面板阴极光窗及其制备方法，所要解决的技术问题是如何提高光电阴极的量子效率，使其在色温2856K的测试光路中，阳极电压为6000V，MCP电压为800V，阴极电压为200V时的阴极灵敏度≥850μA/lm，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种光纤面板阴极光窗，其包括光纤面板和光电阴极，所述光纤面板和所述光电阴极之间设置有离子阻挡层，其还包括第一功能层，用于光电阴极的；所述第一功能层设置于所述光纤面板和所述光电阴极之间；所述第一功能层与所述光纤面板之间和/或所述第一功能层与所述光电阴极之间设置有离子阻挡层。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的光纤面板阴极光窗，其中所述离子阻挡层选自三氧化二铝层或二氧化硅层。
优选的，前述的光纤面板阴极光窗，其中所述第一功能层包括光生电子层；所述光生电子层选自二氧化钛层；邻接所述光电阴极的二氧化钛层为掺杂镧、锌、钕或铬离子的二氧化钛层。
优选的，前述的光纤面板阴极光窗，其中所述第一功能层包括多层光生电子层；每层所述光生电子层之间均设置有离子阻挡层。
优选的，前述的光纤面板阴极光窗，其中所述光生电子层和离子阻挡层组成微纳单元；所述光纤面板与所述光电阴极之间设置有若干微纳单元。
优选的，前述的光纤面板阴极光窗，其中所述第一功能层包括邻接设置的第一增透膜层和第二增透膜层；所述第一增透膜层选自二氧化钛层或氧化锌层；所述第二增透膜层选自二氧化铪层或五氧化二钽层。
优选的，前述的光纤面板阴极光窗，其中所述离子阻挡层、第一增透膜层和第二增透膜层组成微纳单元；所述光纤面板与所述光电阴极之间设置有若干微纳单元；相邻两个微纳单元相接触的部分至少一个为离子阻挡层。
优选的，前述的光纤面板阴极光窗，其中在每个微纳单元中，所述第一增透膜层靠近所述光纤面板一侧设置；所述第二增透膜层靠近所述光电阴极一侧设置。
优选的，前述的光纤面板阴极光窗，其还包括第二功能层用于增透；所述第二功能层设置于所述光纤面板远离所述光电阴极的一侧表面上。
优选的，前述的光纤面板阴极光窗，其中所述第二功能层由二氟化镁层和三氧化二铝层组成；其中，所述三氧化二铝层邻接所述光纤面板设置。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种光纤面板阴极光窗的制造方法，所述光纤面板阴极光窗包括依次设置的光纤面板和光电阴极；所述制造方法包括在所述光纤面板上靠近所述光电阴极的一侧表面上制备离子阻挡层和第一功能层，所述第一功能层为光生电子层，具体步骤如下：1)制备离子阻挡层；2)制备光生电子层；3)再依次执行步骤1)和步骤2)N次，N为大于等于零的整数；其中，所述离子阻挡层选自三氧化二铝层或二氧化硅层；所述光生电子层选自二氧化钛层或掺杂镧系元素的二氧化钛层；所述离子阻挡层和所述光生电子层均采用原子沉积技术沉积。本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的制造方法，其包括在所述光纤面板上制备第二功能层，步骤如下：1)在所述光纤面板远离所述光电阴极的一侧表面上制备三氧化二铝层；2)在所述三氧化二铝层制备二氟化镁层；所述三氧化二铝层和所述二氟化镁层均采用离子辅助物理沉积技术沉积。
优选的，前述的制造方法，组成光纤面板的每根光纤均包括芯棒和皮层，其还包括以下步骤：A、在步骤1)之前，先通过化学刻蚀在所述光纤面板上靠近所述光电阴极的一侧表面上的每根光纤上制备微凹结构；所述微凹结构是指皮层的高度大于芯棒的高度，使每根光纤均形成皮层凸起、芯棒凹陷的凹坑；所述微凹结构形成微纳结构阵列；B、按照步骤1)、步骤2)和步骤3)在所述微纳结构阵列上制备离子阻挡层和光生电子层；其中，所述离子阻挡层和光生电子层先按照沉积顺序填充于所述微凹结构内，待所述微凹结构被填满后，再在所述光纤面板上靠近所述光电阴极的一侧表面上整体沉积；所述微凹结构内第一层沉积的离子阻挡层完整覆盖所述凹坑的底部及坑壁，沉积厚度≥5nm；所述整体沉积的厚度为50～100nm。
优选的，前述的制造方法，其中所述化学刻蚀的工艺条件如下：刻蚀液选自硝酸溶液或盐酸溶液，PH值为1～5；刻蚀温度≤100℃；或者，刻蚀液选自氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，PH值为10～14；刻蚀温度≤100℃
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种光纤面板阴极光窗的制造方法，所述光纤面板阴极光窗包括依次设置的光纤面板和光电阴极；所述制造方法包括在所述光纤面板上靠近所述光电阴极的一侧表面上制备离子阻挡层和第一功能层，所述第一功能层包括第一增透膜层和第二增透膜层，具体步骤如下：1)制备离子阻挡层；2)制备第一增透膜层；3)制备第二增透膜层；4)制备离子阻挡层；5)再依次执行步骤2)、步骤3)和步骤4)N次，N为大于等于零的整数；其中，所述离子阻挡层选自三氧化二铝层或二氧化硅层；所述第一增透膜层选自二氧化钛层或氧化锌层；所述第二增透膜层选自二氧化铪层或五氧化二钽层；所述离子阻挡层、所述第一增透膜层和所述第二增透膜层均采用原子沉积技术沉积。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的制造方法，其包括在所述光纤面板上制备第二功能层，步骤如下：1)在所述光纤面板远离所述光电阴极的一侧表面上制备三氧化二铝层；2)在所述三氧化二铝层制备二氟化镁层；所述三氧化二铝层和所述二氟化镁层均采用离子辅助物理沉积技术沉积。
借由上述技术方案，本发明提出的一种光纤面板阴极光窗及其制备方法至少具有下列优点：
1、本发明提出的光纤面板阴极光窗，其通过在光纤面板与光电阴极之间制备能够提高光电阴极的光电子转换效率的第一功能层，降低了通过所述光纤面板阴极光窗的光子通量损失，将光电阴极的阴极灵敏度提高至850μA/lm以上；同时，其在光纤面板与光电阴极之间还设置了离子阻挡层，使所述第一功能层与所述离子阻挡层交替设置，使其能够阻挡来自光纤面板的活性气体微气泡以及毒化光电阴极的活性离子对所述光电阴极的影响，从而减少其对光电量子效率的影响，提高光电子转换效率，进而提高光电阴极灵敏度；
2、本发明提出的光纤面板阴极光窗，其通过在光纤面板的内侧面设置第一功能层和离子阻挡层，在光纤面板的外侧面设置第二功能层，通过膜系结构的设置，使得所述光纤面板在有效区光谱透射比由90％提升至95％；所述光纤面板内侧面上的光电阴极材料的量子效率由现有技术的600～700mA/lm提高到本发明的850～980mA/lm，其提高率高达40％以上，实际测量阴极材料的阴极灵敏度接近1000mA/lm；同时，所述光纤面板的表面粗糙度由现有技术的4～6nm提高至1nm以下；
3、本发明提出的光纤面板阴极光窗，其除了上述的隔绝基底光纤面板的离子毒化，同时还提高透过率，从而提高阴极灵敏度；另外所述光纤面板阴极光窗还可以利用离子掺杂的方法，提高其响应波长的范围，尤其是向长波方向移动(红移)，其结果表现为提高了光谱波长的利用率，间接也有利于提高光电阴极材料的光电量子效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明提出的光纤面板阴极光窗的结构示意图；
图2是本发明实施例1镀制第二功能层后的透过率；
图3是本发明实施例1镀制第一功能层和离子阻挡层后的透过率；
图4是本发明实施例2镀制第一功能层和离子阻挡层后的透过率；
图5是本发明实施例3镀制第一功能层和离子阻挡层后的透过率；
图6是包含光生电子层的光纤面板阴极光窗的示意图；
图7是包含第一增透膜和第二增透膜的光纤面板阴极光窗的示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种光纤面板阴极光窗及其制备方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
本发明提出一种光纤面板阴极光窗，如附图1所示，其包括光纤面板1和光电阴极2，光线可以由空气中入射，穿过所述光纤面板阴极光窗，进入真空作业环境中。所述光纤面板1和所述光电阴极2之间设置有离子阻挡层31；所述光纤面板阴极光窗还包括第一功能层32，用于提高光电阴极的光电子转换效率；附图1中的数字标记3表示“离子阻挡层31和第一功能层32”，所述第一功能层32设置于所述光纤面板1和所述光电阴极2之间；所述第一功能层32与所述光纤面板1之间和/或所述第一功能层32与所述光电阴极2之间设置有离子阻挡层31。
上述技术方案中，一方面通过在所述光纤面板和所述光电阴极之间引入所述第一功能层减少界面反射或者利用第一功能层的光生电子效应，提高光透过率，使得到达光电阴极材料的光子总量增加，提高光子的利用率，提高光电阴极材料的光电子转换效率，进而提高光电阴极灵敏度；另一方面，作为光电阴极基底的光纤面板中，可能包含能够毒化所述光电阴极的活性离子，尽管使用的光纤面板中有害微量杂质的数量范围已经严格控制，但是还是难以避免其对所述光电阴极造成影响，本发明的技术方案中通过在所述光纤面板和所述光电阴极之间引入离子阻挡层，阻挡所述光纤面板中可能存在的毒化所述光电阴极的离子以及可能存在的活性气体的微气泡对所述光电阴极的影响，从而减少其对光电量子效率的影响，提高光电子转换效率，进而提高光电阴极灵敏度。
优选的，所述离子阻挡层选自三氧化二铝层或二氧化硅层。进一步优选三氧化二铝层。所述三氧化二铝层的折射率在1.76～1.77之间，较所述光纤面板的折射率要大，而较所述光电阴极的折射率要小。
为更精准地实现对膜层厚度以及结构形貌的控制，所述三氧化二铝层的制备方法采用原子层沉积技术(ALD)，可以实现原子级的沉积，沉积速度与厚度可精确控制；其沉积条件为：反应源为三甲基铝和水，其载气为纯度≥99.99％的氩气，反应温度为200～300℃，铝源每次循环时间为0.02～0.05秒，吹扫时间为20～40秒；氧源每次循环时间为0.01～0.05秒，吹扫时间20～40秒，真空度10-3～10-1Pa，沉积循环周期根据薄膜层厚度而定。
优选的，所述第一功能层包括光生电子层；所述光生电子层选自二氧化钛层；邻接所述光电阴极的二氧化钛层为掺杂镧、锌、钕或铬离子的二氧化钛层。
在所述光纤面板上形成包含离子阻挡层和光生电子层的微纳结构阵列是通过化学腐蚀方法实现。所述光面面板的内表面，也即靠近所述光电阴极一侧的表面，单根光纤的皮层突出于被包覆的芯层，因此每根光纤均表现为芯层凹陷皮层凸起的微凹结构。在所述光纤面板的内表面上制备微纳结构，是将三氧化二铝(Al2O3)和二氧化钛(TiO2)依次沉积于微纳结构的凹坑内，从而实现透过膜的功能，同时利用TiO2材料特有的光生电子效应，进一步地提高所述光电阴极的阴极灵敏度。具体而言，在所述光纤面板内表面，通过酸碱蚀处理，在凹坑内形成微纳结构阵列，凹坑为光纤面板芯层位置，依次将Al2O3和TiO2膜沉积于微凹坑内，直到填满凹坑，并高于所述凹坑表面50～100nm，然后通过化学机械抛光的方法使所述光纤面板的内表面平整，控制其表面一维轮廓的粗糙度Ra小于1nm，并且所述光纤面板内表面的最外层薄层材料采用掺杂镧离子的TiO2层。
所述微纳凹坑通过化学刻蚀处理形成，腐蚀液选择的是硝酸溶液或盐酸溶液，PH值优选1～5，处理时间可根据制备的凹坑深度来设定，处理温度不高于100℃。腐蚀液选择碱液，可以选择KOH或NaOH溶液，PH值优选10～14，处理时间可根据制备的凹坑深度来设定，处理温度不高于100℃。
典型的化学腐蚀工艺参数如下：酸液，选择硝酸溶液，PH＝3.0，处理时间为3小时，处理温度为50℃；碱液，优选KOH溶液，其PH＝12.5，处理时间为3小时，处理温度为50℃。
为了精确控制所述Al2O3和TiO2层的沉积速度与厚度，上述技术方案也采用原子沉积法(ALD)制得。所述Al2O3层的沉积条件同前文所述。所述TiO2层的沉积条件为：反应源为四异丙氧基钛和水，其载气为纯度≥99.99％的氩气，反应温度为100～350℃，钛源每次循环时间为0.02～0.05秒，吹扫时间为20～40秒；氧源每次循环时间为0.02～0.05秒，吹扫时间为20～40秒，真空度10-3～10-1Pa，沉积循环周期根据薄膜层厚度而定。
在所述凹坑内沉积薄膜的结构：先在凹坑底部及坑壁均匀沉积一层厚度不小于5nm的Al2O3，然后再沉积TiO2层，根据离子阻挡层和第一功能层的膜系结构设计，依次利用ALD技术沉积Al2O3和TiO2薄膜，最外层以TiO2薄膜结束。
优选的，所述第一功能层包括多层光生电子层；每层所述光生电子层之间均设置有离子阻挡层。
上述的膜系结构设计采用了Al2O3和TiO2的复合多层膜的结构。通过设计Al2O3和TiO2的膜厚，以及复合的层数，实现增透的效果。基于TiO2等材料的光生电子的性质，优化设计光纤面板内表面的膜层结构，所述膜层结构的最外层，也即膜层结构与所述光电阴极相互结合的部分为含镧离子的TiO2层。TiO2一般有三种晶型结构，分别是金红石型、锐钛矿型和板钛矿型。由于板钛矿型结构不稳定，不易存在；而金红石型结构则比较稳定也不很适合；本发明所述TiO2的光生电子的性质主要体现在锐钛矿型结构。因此，在膜层结构中，所述TiO2层优选锐钛矿型的TiO2，在沉积TiO2膜层时严格控制沉积温度以及晶粒尺度，以得到目标晶型的膜层。
在所述TiO2层中掺杂镧(La)、锌(Zn)、钕(Nd)、铬(Cr)离子，可以防止其晶粒长大，避免其光生电子能力的减弱，并有利于吸收光谱红移。采用掺杂的方式以控制晶粒尺寸并且提高其光生电子率。由于La3+对于防止晶粒长大效果尤其明显，本发明技术方案尤其优选在其中掺杂La3+，通过引入含镧的反应源(2，2，6，6-四甲基-3，5-庚二酮酸镧)与二氧化钛反应源(四异丙氧基钛)一并沉积而获得。
所述膜系结构中，离子阻挡层仍采用Al2O3材料。在所述膜系结构的最外层，也即于所述光电阴极接触的地方沉积掺杂镧离子的TiO2层。沉积的厚度以高于凹坑端面约50nm。
为了实现玻璃内表面的平齐并且光滑，本发明技术方案采用化学机械抛光方法(CMP)，抛光达到的区域二维形貌的粗糙度Sa小于1nm。
根据上述的技术方案，一层光生电子层和一层离子阻挡层组成一个微纳单元；所述光纤面板与所述光电阴极之间设置有若干微纳单元；每个微纳单元方向一致地排列，形成离子阻挡层和光生电子层交替设置的膜系结构。
本发明还提出了一种光纤面板阴极光窗的制造方法，所述光纤面板阴极光窗包括依次设置的光纤面板和光电阴极；所述制造方法包括在所述光纤面板上靠近所述光电阴极的一侧表面上制备离子阻挡层和第一功能层，具体步骤如下：1)制备离子阻挡层；2)制备光生电子层；3)再依次执行步骤1)和步骤2)N次，N为大于等于零的整数；其中，所述离子阻挡层选自三氧化二铝层或二氧化硅层；所述光生电子层选自二氧化钛层或掺杂镧系元素的二氧化钛层；所述离子阻挡层和所述光生电子层均采用原子沉积技术沉积。由该制备方法制备的光纤面板阴极光窗的结构示意图如附图6所示，其中N＝1。
本发明的另一个技术方案中，所述第一功能层包括邻接设置的第一增透膜层和第二增透膜层；所述第一增透膜层选自二氧化钛层或氧化锌层；所述第二增透膜层选自二氧化铪层或五氧化二钽层；因此，该技术方案中，在所述光纤面板和所述光电阴极之间同时包括了离子阻挡层、第一增透膜层和第二增透膜层；其组成的膜系结构既从透过率的角度考虑了增透效果，又兼顾到离子阻挡层以阻挡活性气体的微气泡、以及毒化离子对于光电阴极的影响。
上述技术方案中，离子阻挡层进一步优选三氧化二铝层。
所述离子阻挡层、第一增透膜层和第二增透膜层组成微纳单元；所述光纤面板与所述光电阴极之间设置有若干微纳单元；相邻两个微纳单元相接触的部分至少一个为离子阻挡层；在每个微纳单元中，所述第一增透膜层靠近所述光纤面板一侧设置；所述第二增透膜层靠近所述光电阴极一侧设置。
为了进一步提高所述膜系结构的增透效果，本发明采取了多层、多材料的增透膜系设计，优选材料组成为三氧化二铝(Al2O3)+二氧化钛(TiO2)+二氧化铪(HfO2)按照顺序形成的复合膜层。其中，TiO2层和HfO2层的折射率分别是2.3～2.6间和1.95～2.1间。本发明技术方案设计了一种以“三氧化二铝(Al2O3)+二氧化钛(TiO2)+二氧化铪(HfO2)”为膜层单元的多层膜的结构，其兼具离子隔离和增透的作用。
为了精确控制所述TiO2层、所述Al2O3层和所述HfO2层的沉积速度与厚度，上述技术方案均采用原子沉积法(ALD)制得。所述TiO2层的沉积条件和所述Al2O3层的沉积条件与前文相同。所述HfO2层的沉积条件如下：反应源为四(二甲胺)铪和水，其载气为纯度≥99.99％的氩气，反应温度为300～400℃，铪源每次循环时间为0.02～0.05秒，吹扫时间60～90秒；氧源每次循环时间为0.02～0.05秒，吹扫时间30～60秒，真空度10-3～10-1Pa，沉积循环周期根据薄膜层厚度而定。
在进行膜系结构设计时，将“Al2O3+TiO2+HfO2”作为一个膜层单元，其中，Al2O3只作为离子阻挡膜来设计。同时，为了避免增透膜中成分的扩散，在与所述光电阴极邻接的膜层设计为离子阻挡膜，以减少彼此之间活性气体的微气泡或毒化离子等成分的相互扩散。膜层氧化物的选择可以根据实际应用背景而定，如Al2O3可以用SiO2相互替代，TiO2可以利用ZnO替换，HfO2可以用Ta2O5替换。
本发明还提出一种光纤面板阴极光窗的制造方法，所述光纤面板阴极光窗包括依次设置的光纤面板和光电阴极；所述制造方法包括在所述光纤面板上靠近所述光电阴极的一侧表面上制备离子阻挡层和第一功能层，具体步骤如下：1)制备离子阻挡层；2)制备第一增透膜层；3)制备第二增透膜层；4)制备离子阻挡层；5)再依次执行步骤2)、步骤3)和步骤4)N次，N为大于等于零的整数；其中，所述离子阻挡层选自三氧化二铝层或二氧化硅层；所述第一增透膜层选自二氧化钛层或氧化锌层；所述第二增透膜层选自二氧化铪层或五氧化二钽层；所述离子阻挡层、所述第一增透膜层和所述第二增透膜层均采用原子沉积技术沉积。由该制备方法制备的光纤面板阴极光窗的结构示意图如附图7所示，其中N＝1。
在所述光纤面板的外表面，也即所述光纤面板远离所述光电阴极的一侧表面上，还设置了第二功能层4用于增透；所述第二功能层4由二氟化镁层和三氧化二铝层组成；其中，所述三氧化二铝层邻接所述光纤面板设置。所述第二功能层的沉积采用离子辅助物理沉积技术(IBAD)。
上述技术方案选择两层增透膜的膜系设计，最外层优选MgF2层，其折射率在1.38，次外层，也即邻接所述光纤面板的表面上设置Al2O3层，其折射率在1.76～1.77间，基底为光纤面板。
在所述光纤面板上制备第二功能层，步骤如下：1)在所述光纤面板远离所述光电阴极的一侧表面上制备三氧化二铝层；2)在所述三氧化二铝层制备二氟化镁层；所述三氧化二铝层和所述二氟化镁层均采用离子辅助物理沉积技术沉积。
下面通过更为具体的实施例对本发明的技术方案作陈进一步说明。如无特别说明，所述原料、试剂均为市售采购；所述检测均匀本领域常规的测试方法。
实施例1
本实施例所使用的光纤面板是由数千万根，甚至数亿根单元光纤规则排列，再经熔压而形成的传光传像的阵列。本实施例所用的光纤面板，其外径31mm，厚度5.6mm，两端面均为平面，光纤面板的大端面为外侧面(远离所述光电阴极的一侧表面)，小端面为内侧面(靠近所述光电阴极的一侧表面)，单元光纤的截面为圆形，其丝径为6微米，芯层和皮层的截面占比为65/35，光纤间的间隙位置插光吸收玻璃丝，光吸收丝的截面占比为1.3％，光纤芯层玻璃的折射率为1.81，光纤皮层玻璃的折射率为1.51。
光纤面板的外侧面镀制第二功能层(双层增透膜)，与光纤面板邻接的膜为Al2O3膜，远离光纤面板的另一层膜为MgF2膜，膜层的折射率、膜的厚度详见下表1所示。所述第二功能层的制备方法为离子辅助物理沉积技术。
光纤面板的内侧面镀制离子阻挡层和第一功能层；本实施例的第一功能层包括二氧化钛层(TiO2)和二氧化铪层(HfO2)，离子阻挡层为三氧化二铝层(Al2O3)；所述三氧化二铝层不仅作为增透膜层中的材料起到增透作用，同时还起到了离子阻挡膜，隔离了光纤面板中的离子向膜层扩散；其镀制的顺序、膜层的折射率、膜的厚度详见下表1所示。所述第一功能层和离子阻挡层的制备方法为原子层沉积技术。
表1
上述第一功能层和离子阻挡层的镀制工艺如下：ALD沉积Al2O3的反应源为三甲基铝(Al(CH3)3)和H2O，分别提供Al源和O源，其载气为99.99％高纯氩(Ar)，反应温度为250℃，Al源每次循环时间为0.03秒，30秒的吹扫时间，O源每次循环时间为0.04秒，30秒的吹扫时间，真空度保持在10-2Pa，沉积循环周期根据每层薄膜的厚度而定，沉积速率为0.096nm/周期。ALD沉积TiO2的反应源为四异丙氧基钛((Ti(OCH(CH3)2)4)和H2O，分别提供Ti源和O源，其载气为99.99％高纯氩(Ar)，反应温度为200℃，Ti源每次循环时间为0.03秒，30秒的吹扫时间，O源每次循环时间为0.05秒，40秒的吹扫时间，真空度保持在10-2Pa，沉积循环周期根据薄膜层厚度而定，沉积速率为0.055nm/周期；ALD沉积HfO2的反应源为四(二甲胺)铪(Hf(N(CH3)2)4)和H2O，分别提供Hf源和O源，其载气为99.99％高纯氩(Ar)，反应温度为350℃，Hf源每次循环时间为0.05秒，80秒的吹扫时间，O源每次循环时间为0.08秒，40秒的吹扫时间，真空度保持在10-2Pa，沉积循环周期根据薄膜层厚度而定，沉积速率为0.035nm/周期。
本实施例的方法制备的光纤面板阴极光窗，在光纤面板的外侧面镀制第二功能层之后，其光透过率的结果如附图2所示；在光纤面板的内侧面镀制第一功能层和离子阻挡层之后，其光透过率的结果如附图3所示；其在可见光波段的平均光透过率大于95％，在530nm处的光透过率不小于98％。光电阴极选择多碱阴极材料，在色温2856K的测试光路中，阳极电压为6000V，MCP电压为800V，阴极电压为200V时，测试阴极灵敏度为850μA/lm。
实施例2
光纤面板同实施例1。
微纳凹坑通过化学刻蚀处理形成，腐蚀液选择硝酸溶液，PH值优选3，处理时间3h，处理温度50℃。
第二功能层同实施例1。
第一功能层为二氧化钛层，离子阻挡层为三氧化二铝层；其镀制的顺序、膜层的折射率、膜的厚度详见下表2所示。所述第一功能层和离子阻挡层的制备方法为原子层沉积技术。
表2
膜层顺序 膜材 折射率nD 膜厚(nm)
第二功能层 -2 MgF2 1.3849 83
第二功能层 -1 Al2O3 1.7643 30
光纤面板 0 ---- ---- ----
离子阻挡层 1 Al2O3 1.6643 5.0
第一功能层 2 TiO2(La3+) 2.3319 53.8
上述第一功能层和离子阻挡层的镀制工艺如下：ALD沉积Al2O3的反应源为三甲基铝(Al(CH3)3)和H2O，分别提供Al源和O源，其载气为99.99％高纯氩(Ar)，反应温度为300℃，Al源每次循环时间为0.04秒，40秒的吹扫时间，O源每次循环时间为0.03秒，30秒的吹扫时间，真空度保持在10-2Pa，沉积循环周期根据薄膜层厚度而定，沉积速率为0.099nm/周期。ALD沉积TiO2的反应源为四异丙氧基钛((Ti(OCH(CH3)2)4)和H2O，分别提供Ti源和O源，其载气为99.99％高纯氩(Ar)，反应温度为250℃，Ti源每次循环时间为0.04秒，40秒的吹扫时间，O源每次循环时间为0.06秒，40秒的吹扫时间，真空度保持在10-2Pa，沉积循环周期根据薄膜层厚度而定，沉积速率为0.063nm/周期；La3+的引入通过引入含镧的反应源(2，2，6，6-四甲基-3，5-庚二酮酸镧)与二氧化钛反应源(四异丙氧基钛)一并沉积而获得。
本实施例的方法制备的光纤面板阴极光窗，在光纤面板的内侧面镀制第一功能层和离子阻挡层之后，其光透过率的结果如附图4所示；光电阴极选择多碱阴极材料，在色温2856K的测试光路中，阳极电压为6000V，MCP电压为800V，阴极电压为200V时，测试阴极灵敏度为900μA/lm。
实施例3
光纤面板同实施例1。
微纳凹坑通过化学刻蚀处理形成，腐蚀液选择碱液，可以选择KOH溶液，PH值优选12.5，处理时间可根据制备的凹坑深度来设定，处理温度55℃，处理时间为3小时。
第二功能层同实施例1。
第一功能层为二氧化钛层，离子阻挡层为三氧化二铝层；其镀制的顺序、膜层的折射率、膜的厚度详见下表3所示。所述第一功能层和离子阻挡层的制备方法为原子层沉积技术。
表3
膜层顺序 膜材 折射率nD 膜厚(nm)
第二功能层 -2 MgF2 1.3849 83
第二功能层 -1 Al2O3 1.7643 30
光纤面板 0 ---- ---- ----
离子阻挡层 1 Al2O3 1.7643 12.0
第一功能层 2 TiO2 2.3319 19.2
离子阻挡层 3 Al2O3 1.7643 22.3
第一功能层 4 TiO2 2.3319 134.5
离子阻挡层 5 Al2O3 1.7643 10.1
第一功能层 6 TiO2 2.3319 128.0
离子阻挡层 7 Al2O3 1.7643 34.5
第一功能层 8 TiO2 2.3319 7.1
离子阻挡层 9 Al2O3 1.7643 97.7
第一功能层 10 TiO2(La3+) 2.3319 52.6
上述第一功能层和离子阻挡层的镀制工艺如下：ALD沉积Al2O3的反应源为三甲基铝(Al(CH3)3)和H2O，分别提供Al源和O源，其载气为99.99％高纯氩(Ar)，反应温度为250℃，Al源每次循环时间为0.05秒，30秒的吹扫时间，O源每次循环时间为0.07秒，30秒的吹扫时间，真空度保持在10-2Pa，沉积循环周期根据薄膜层厚度而定，沉积速率为0.12nm/周期。ALD沉积TiO2的反应源为四异丙氧基钛((Ti(OCH(CH3)2)4)和H2O，分别提供Ti源和O源，其载气为99.99％高纯氩(Ar)，反应温度为300℃，Ti源每次循环时间为0.04秒，30秒的吹扫时间，O源每次循环时间为0.07秒，40秒的吹扫时间，真空度保持在10-2Pa，沉积循环周期根据薄膜层厚度而定,沉积速率为0.068nm/周期；La3+的引入通过引入含镧的反应源(2，2，6，6-四甲基-3，5-庚二酮酸镧)与二氧化钛反应源(四异丙氧基钛)一并沉积而获得。
本实施例的方法制备的光纤面板阴极光窗，在光纤面板的内侧面镀制第一功能层和离子阻挡层之后，其光透过率的结果如附图5所示；光电阴极选择多碱阴极材料，在色温2856K的测试光路中，阳极电压为6000V，MCP电压为800V，阴极电压为200V时，测试阴极灵敏度为980μA/lm。
本发明权利要求和/或说明书中的技术特征可以进行组合，其组合方式不限于权利要求中通过引用关系得到的组合。通过权利要求和/或说明书中的技术特征进行组合得到的技术方案，也是本发明的保护范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (16)

1.一种光纤面板阴极光窗，其包括光纤面板和光电阴极，所述光纤面板和所述光电阴极之间设置有离子阻挡层，其特征在于，所述光纤面板上靠近所述光电阴极的一侧表面上的每根光纤上均设置有微凹结构；组成光纤面板的每根光纤均包括芯棒和皮层；所述微凹结构是指每根光纤的端头均为皮层凸起、芯棒凹陷的凹坑；
所述光纤面板阴极光窗还包括第一功能层，用于提高光电阴极的光电子转换效率；所述第一功能层设置于所述光纤面板和所述光电阴极之间；所述第一功能层与所述光纤面板之间和/或所述第一功能层与所述光电阴极之间设置有离子阻挡层；
所述第一功能层包括光生电子层；所述光生电子层和离子阻挡层组成微纳单元；所述离子阻挡层和光生电子层的设置步骤如下：先按照沉积顺序填充于所述微凹结构内，待所述微凹结构被填满后，再在所述光纤面板上靠近所述光电阴极的一侧表面上整体沉积；所述微凹结构内第一层沉积的离子阻挡层完整覆盖所述凹坑的底部及坑壁；所述微凹结构中设置的微纳单元形成微纳结构阵列。
2.根据权利要求1所述的光纤面板阴极光窗，其特征在于，所述离子阻挡层选自三氧化二铝层或二氧化硅层。
3.根据权利要求2所述的光纤面板阴极光窗，其特征在于，所述光生电子层为二氧化钛层；邻接所述光电阴极的二氧化钛层为掺杂镧、锌、钕或铬离子的二氧化钛层。
4.根据权利要求3所述的光纤面板阴极光窗，其特征在于，所述第一功能层包括多层光生电子层；每层所述光生电子层之间均设置有离子阻挡层。
5.根据权利要求4所述的光纤面板阴极光窗，其特征在于，所述光纤面板与所述光电阴极之间设置有若干微纳单元。
6.根据权利要求2所述的光纤面板阴极光窗，其特征在于，所述第一功能层包括邻接设置的第一增透膜层和第二增透膜层；所述第一增透膜层选自二氧化钛层或氧化锌层；所述第二增透膜层选自二氧化铪层或五氧化二钽层。
7.根据权利要求6所述的光纤面板阴极光窗，其特征在于，所述离子阻挡层、第一增透膜层和第二增透膜层组成微纳单元；所述光纤面板与所述光电阴极之间设置有若干微纳单元；相邻两个微纳单元相接触的部分至少一个为离子阻挡层。
8.根据权利要求7所述的光纤面板阴极光窗，其特征在于，在每个微纳单元中，所述第一增透膜层靠近所述光纤面板一侧设置；所述第二增透膜层靠近所述光电阴极一侧设置。
9.根据权利要求1至8任一项所述的光纤面板阴极光窗，其特征在于，其还包括第二功能层用于增透；所述第二功能层设置于所述光纤面板远离所述光电阴极的一侧表面上。
10.根据权利要求9所述的光纤面板阴极光窗，其特征在于，所述第二功能层由二氟化镁层和三氧化二铝层组成；其中，所述三氧化二铝层邻接所述光纤面板设置。
11.一种光纤面板阴极光窗的制造方法，其特征在于，所述光纤面板阴极光窗包括依次设置的光纤面板和光电阴极；所述制造方法包括在所述光纤面板上靠近所述光电阴极的一侧表面上制备离子阻挡层和第一功能层，所述第一功能层为光生电子层，具体步骤如下：
1）制备离子阻挡层；
2）制备光生电子层；
3）再依次执行步骤1）和步骤2）N次，N为大于等于零的整数；其中，所述离子阻挡层选自三氧化二铝层或二氧化硅层；所述光生电子层选自二氧化钛层或掺杂镧系元素的二氧化钛层；所述离子阻挡层和所述光生电子层均采用原子沉积技术沉积。
12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，其包括在所述光纤面板上制备第二功能层，步骤如下：
1a）在所述光纤面板远离所述光电阴极的一侧表面上制备三氧化二铝层；
2a）在所述三氧化二铝层制备二氟化镁层；所述三氧化二铝层和所述二氟化镁层均采用离子辅助物理沉积技术沉积。
13.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，组成光纤面板的每根光纤均包括芯棒和皮层，其还包括以下步骤：
A、在步骤1）之前，先通过化学刻蚀在所述光纤面板上靠近所述光电阴极的一侧表面上的每根光纤上制备微凹结构；所述微凹结构是指皮层的高度大于芯棒的高度，使每根光纤均形成皮层凸起、芯棒凹陷的凹坑；所述微凹结构形成微纳结构阵列；
B、按照步骤1）、步骤2）和步骤3）在所述微纳结构阵列上制备离子阻挡层和光生电子层；其中，所述离子阻挡层和光生电子层先按照沉积顺序填充于所述微凹结构内，待所述微凹结构被填满后，再在所述光纤面板上靠近所述光电阴极的一侧表面上整体沉积；所述微凹结构内第一层沉积的离子阻挡层完整覆盖所述凹坑的底部及坑壁，沉积厚度≥5nm；所述整体沉积的厚度为50~100nm。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述化学刻蚀的工艺条件如下：刻蚀液选自硝酸溶液或盐酸溶液，PH值为1~5；刻蚀温度≤100℃；或者，刻蚀液选自氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，PH值为10~14；刻蚀温度≤100℃。
15.一种光纤面板阴极光窗的制造方法，其特征在于，所述光纤面板阴极光窗包括依次设置的光纤面板和光电阴极；所述制造方法包括在所述光纤面板上靠近所述光电阴极的一侧表面上制备离子阻挡层和第一功能层，所述第一功能层包括第一增透膜层和第二增透膜层，具体步骤如下：
1）制备离子阻挡层；
2）制备第一增透膜层；
3）制备第二增透膜层；
4）制备离子阻挡层；
5）再依次执行步骤2）、步骤3）和步骤4）N次，N为大于等于零的整数；其中，所述离子阻挡层选自三氧化二铝层或二氧化硅层；所述第一增透膜层选自二氧化钛层或氧化锌层；所述第二增透膜层选自二氧化铪层或五氧化二钽层；所述离子阻挡层、所述第一增透膜层和所述第二增透膜层均采用原子沉积技术沉积。
16.根据权利要求15所述的制造方法，其特征在于，其包括在所述光纤面板上制备第二功能层，步骤如下：
1a）在所述光纤面板远离所述光电阴极的一侧表面上制备三氧化二铝层；
2a）在所述三氧化二铝层制备二氟化镁层；所述三氧化二铝层和所述二氟化镁层均采用离子辅助物理沉积技术沉积。
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