三代像增强器用阴极光窗及其制备方法和应用与流程

本发明涉及光电阴极及微纳光学结构，特别是涉及一种三代像增强器用阴极光窗及其制备方法和应用。

背景技术：

1、砷化镓（gaas）负电子亲和势（nea）光电阴极是三代微光像增强器的核心光电转换组件，具有量子效率高、暗发射小、波长响应扩展潜力大等优势，广泛应用于光电探测、微光夜视等领域。实际微光环境下，入射光主要是夜天光下的景物反射光且集中于近红外波段，但传统平面结构gaas光电阴极受限于材料本征吸收系数与厚度，长波近红外光吸收效率急剧下降，导致量子效率降低，制约微光像增强器在极低照度下的探测能力。

2、现有技术中，引入微纳结构如表面纳米柱可通过光学共振效应增强光吸收，但存在以下问题：

3、1、对光电阴极本体进行纳米结构化处理后，光电子易局域于纳米结构内部及侧壁，横向发射电子易被俘获，无法有效逸出至真空，反而降低量子效率；

4、2、高性能超二代像增强器采用的透射式衍射光栅窗技术，尚未在三代像增强器中实现应用。

5、因此，亟需一种不改变gaas光电阴极本体结构、通过引入微纳结构增强近红外光吸收的技术方案。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种三代像增强器用阴极光窗及其制备方法和应用，所要解决的技术问题是在不改变光电阴极本体结构的前提下，通过引入微纳功能层激发导模共振效应，实现近红外光吸收的显著增强，以解决现有技术中gaas光电阴极在近红外波段吸收效率低的问题。

2、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。本发明提出的一种三代像增强器用阴极光窗，包括光窗基底、微纳结构功能层和透射式 gaas 负电子亲和势光电阴极；

3、所述微纳结构功能层位于光窗基底与光电阴极之间，由第一sio2层、纳米柱阵列结构层、第二sio2层依次层叠构成；

4、所述光窗基底为防光晕光电玻璃基底；

5、所述光电阴极包括依次层叠的sio2/si3n4复合钝化层、alxga1-xas 窗口层和 gaas发射层。

6、本发明的目的及解决技术问题还可以采用以下技术措施进一步实现。

7、优选地，前述的三代像增强器用阴极光窗，其中所述第一 sio2层的厚度为 300nm～800 nm。

8、优选地，前述的三代像增强器用阴极光窗，其中所述纳米柱阵列结构层由周期性纳米孔阵列填充折射率为1.7~2.6的高折射率介质后形成；

9、所述纳米柱呈六方最密堆积排布，周期为 600 nm～900 nm；

10、纳米柱为圆柱形，直径200 nm～600 nm，高度150 nm～450 nm；

11、所述高折射率介质材料为si3n4、al2o3、hfo2、ta2o5、tio2中的至少一种。

12、优选地，前述的三代像增强器用阴极光窗，其中所述第二 sio2层的厚度为 2 nm～50 nm。

13、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。本发明提出的一种三代像增强器用阴极光窗的制备方法，包括以下步骤：

14、s1基片制备：将光窗基底玻璃光学冷加工后，沉积第一sio2层；

15、s2纳米柱阵列制备：经电子束光刻、纳米压印、电感耦合等离子体刻蚀形成纳米孔阵列，并在孔内填充高折射率介质材料；

16、s3表面平坦化与第二sio2层沉积：对纳米柱阵列结构层进行化学机械抛光，再沉积并抛光第二sio2层，得到光栅片；

17、s4光窗组件键合：将光栅片与防光晕光电玻璃键合，形成光栅式防光晕玻璃窗组件；

18、s5光电阴极键合与激活：将 gaas 外延片与所述玻璃窗组件键合，去除衬底与阻挡层，经超高真空负电子亲和势激活，得到阴极光窗。

19、本发明的目的及解决技术问题还可以采用以下技术措施进一步实现。

20、优选地，前述的三代像增强器用阴极光窗的制备方法，其中步骤s2中，所述刻蚀的气体采用 cf4/chf3/ar/o2，保护气体为 n2；所述高折射率介质材料采用原子层沉积工艺填充。

21、优选地，前述的三代像增强器用阴极光窗的制备方法，其中步骤s3中，所述化学机械抛光包括两级抛光，

22、第一抛光采用金刚石多晶研磨液与去离子水按体积比1:（1.5～3）配液；

23、第二抛光采用硅溶胶抛光液与去离子水按体积比1:（3～5）配液。

24、优选地，前述的三代像增强器用阴极光窗的制备方法，其中步骤s5中，所述gaas外延片通过分子束外延或金属有机化学气相沉积制得；所述gaas外延片与玻璃窗组件采用sio2-sio2界面热压键合；所述衬底去除采用机械减薄结合化学腐蚀的工艺；所述阴极激活采用铯氧交替吸附法。

25、本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施来实现。本发明提出的一种三代微光像增强器，所述三代微光像增强器包括上述的三代像增强器用阴极光窗。

26、本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施来实现。本发明提出的一种近红外微光探测装置，所述近红外微光探测装置包括上述的三代像增强器用阴极光窗。

27、本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施来实现。本发明提出的一种微光夜视系统，所述微光夜视系统包含上述的三代微光像增强器。

28、相比于现有技术，本发明所述的三代像增强器用阴极光窗及其制备方法和应用具有以下有益效果：

29、（1）本发明通过在光窗基底与光电阴极之间引入特定结构参数的纳米柱阵列功能层，利用导模共振效应将入射光能量高效耦合至光电阴极，从而显著提高光电阴极在近红外波段的光吸收效率。该结构能够充分利用夜空背景辐射中占比较高的近红外光能量，有效提升第三代像增强器在极低照度环境下的探测能力和成像性能。

30、（2）本发明无需对gaas光电阴极本体进行加工，而是将微纳结构集成于光窗侧，实现了光学增强功能与电子输运过程的解耦设计。在保持现有gaas光电阴极结构及制备工艺不变的前提下，实现了近红外吸收增强，既避免了微纳加工对光电阴极结构完整性和发射性能的影响，又避免了纳米结构对电子收集效率及量子效率产生负反馈的问题，有利于保证光生电子的高效输运和真空逸出。对比现有直接在 gaas 阴极表面制备微纳结构的方案，本发明将共振增强结构集成于光窗侧，完全隔离微加工带来的表面缺陷，从根源避免光生电子俘获损耗。

31、（3）本发明通过在纳米柱阵列结构层表面设置第二sio2层，使光窗组件与gaas外延片之间形成sio2-sio2同质键合界面，提高了界面匹配性和键合可靠性。该结构能够有效降低键合过程中对纳米柱阵列结构层的机械损伤风险，在保证优异光学增强效果的基础上兼顾工艺可实施性和工程化制造需求。

32、（4）本发明所构建的微纳结构仅设置于光窗侧，可直接与现有第三代gaas负电子亲和势光电阴极制备工艺兼容，无需改变光电阴极外延结构、生长工艺及激活工艺，具有工艺改动小、实施成本低等优点。

33、（5）搭载本发明微纳结构阴极光窗的三代像增强器，在850～1000 nm 近红外波段可形成导模共振吸收峰，近红外峰值光吸收率区间为21.6%～77.7%；阴极灵敏度区间为833～897μa/lm，相较于无微纳结构的传统平面阴极（灵敏度 690为μa/lm），灵敏度提升幅度可达20.7%～30%；搭配该阴极光窗的近红外微光探测装置，近红外弱光成像信噪比提升 25%以上。

34、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详细说明如后。