高功率摻銩固體激光器的研究

?

高功率摻銩固體激光器的研究

任席奎，李春波，王冬冬，杜晨林，阮雙琛

深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，深圳市激光工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，先進(jìn)光學(xué)精密制造技術(shù)廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳518060

摘要:報(bào)道一種室溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)緊湊、高效率、高功率L型折疊腔摻銩固體激光器．采用793 nm波長半導(dǎo)體二極管激光器對摻雜摩爾分?jǐn)?shù)3%的Tm∶YAP晶體進(jìn)行雙端泵浦，當(dāng)泵浦功率120 W時(shí)，獲得42 W中心波長1 988 nm的連續(xù)輸出激光．聲光調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在重復(fù)頻率10 kHz，泵浦功率120 W時(shí)，平均輸出功率達(dá)到39.4 W，脈寬247.5 ns，單脈沖能量3.94 mJ，峰值功率16 kW，斜率效率為35%． 為提高硅基微通道板(silicon-based microchannel plate，Si-MCP)的增益特性，提出采用復(fù)合發(fā)射層結(jié)構(gòu)取代常規(guī)的單發(fā)射層結(jié)構(gòu)以改善微通道內(nèi)壁的二次電子發(fā)射特性．計(jì)算了SiO2/Si、Al2O3/Si、MgO/Si雙層薄膜在不同厚度下的二次電子發(fā)射系數(shù)與初電子能量的關(guān)系曲線，并對結(jié)果進(jìn)行了比對驗(yàn)證．該計(jì)算結(jié)果對設(shè)計(jì)制作硅基MCP具有一定參考價(jià)值．

關(guān)鍵詞:光電子與激光技術(shù);固體激光器; Tm∶YAP;聲光調(diào)Q;摻銩固體激光器;高功率 薄膜物理學(xué);硅基微通道板;二次電子發(fā)射;數(shù)值模擬;發(fā)射系數(shù);薄膜厚度

Received: 2015-04-16; Accepted: 2015-05-15

Foundation: Science and Technology Project of Shenzhen(JSGG20140519104809878) ; Science and Technology Project of Nanshan District of Shenzhen(KC2014JSJS0008A)

Corresponding author: Professor Ruan Shuangchen．E-mail: scruan@szu.edu.cn

Citation: Ren Xikui，Li Chunbo，Wang Dongdong，et al．High power Tm-doped solid laser［J］．Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2015，32(4) : 411-416．(in Chinese)

High power Tm-doped solid laser

Ren Xikui，Li Chunbo，Wang Dongdong，Du Chenlin，and Ruan Shuangchen

College of Optoelectronic Engineering，Shenzhen Key Laboratory of Laser Engineering，Key Laboratory of Advanced Optical Precision Manufacturing Technology of Guangdong Higher Education Institutes，Shenzhen University，Shenzhen 518060，P．R．China

Abstract:We demonstrate a simple，compact and highly-efficient L-cavity-thulium-doped laser system working at room temperature．The Tm-doped Tm∶YAP crystal is pumped by two 793 nm laser diodes at both ends of the crystal．Mole fraction of the Tm3+in Tm∶YAP crystal is 3%．With an incident pump power of 120 W，a maximum continuous-wave output power of 42 W is obtained at 1 988 nm．The average power of 39.4 W，a peak power of 16 kW，a single pulse energy of 3.94 mJ and a pulse width of 247.5 ns are achieved at pulse recurrence frequency of 10 kHz under an incident pump power of 120 W by using an acousto-optic Q-switch，and the slope efficiency is 35%． In order to improve the gain characteristics of the silicon-based microchannel plate(Si-MCP)，we design a complex emission structure comprised of multilayer films to replace the existing monolayer emission structure so as to increase the secondary electron emission of the inner wall．We calculate the secondary electron emission coefficients of SiO2/Si、Al2O3/Si and MgO/Si double-layers under different thicknesses as a function of primary electron energy by using the existing multilayer formulas．The results have a certain reference value to the design and fabrication of Si-MCP．

Key words:optoelectronics and laser technology; solid laser; Tm∶YAP; acousto-optic Q-switched; Tm-doped solid laser; high power thin-film physics; silicon-based microchannel plate; secondary electron emission; numerical simulation; emission coefficient; thickness of filmbook=88,ebook=92目前有關(guān)襯底上鍍薄膜后二次電子發(fā)射特性的實(shí)驗(yàn)研究較多，而薄膜和二次電子發(fā)射之間關(guān)系的理論研究相對較少．要想研究AT-MCP打拿極的二次電子發(fā)射特性，必須研究不同材料薄膜的電子發(fā)射特性．本文提出多層薄膜結(jié)構(gòu)用于微通道板二次電子發(fā)射層的制作，并分析多層薄膜材料的二次電子發(fā)射特性．

1　背景研究

2 μm波段激光具有對水汽強(qiáng)烈吸收峰，對人眼安全等特點(diǎn)，使其在大氣傳感、醫(yī)學(xué)和空間光通信領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1-3］．同時(shí)，2 μm激光器又可作為光學(xué)參量振蕩產(chǎn)生中紅外激光的泵浦源［4］．Tm3+對800 nm附近激光吸收較強(qiáng)，可用商用GaAlAs二極管激光器高效泵浦產(chǎn)生2 μm左右激光．

近年來，國內(nèi)外展開大量關(guān)于2 μm附近固體激光器的研究，2012年，Li等［5］介紹一種二極管雙端泵浦的Tm∶YAP激光器，其在1 988 nm處最大連續(xù)輸出功率為14.7 W，斜率效率為43.8%，光光轉(zhuǎn)換率為35.1%，M2因子為1.9．同年，Cao等［6］采用二極管側(cè)面泵浦Tm∶YAG晶體，獲得171.4 W的平均輸出功率，光光轉(zhuǎn)換率為13.3%，斜率效率為18.9%．2013年，Gorajek［7］在直腔內(nèi)泵浦Tm∶YLF晶體，獲得平均功率為25 W，脈寬11 ns，峰值功率為0.5 MW的激光輸出．Meissner等［8］設(shè)計(jì)一種激光二極管部分端面泵浦混合腔板條Tm∶YLF激光器，輸出功率200 W，光光轉(zhuǎn)換效率24%，斜率效率為27%．Shen等［9］采用4個(gè)二極管泵浦Tm∶YLF產(chǎn)生的1 908 nm激光泵浦Ho∶YAG晶體，最終獲得111 W的2.12 μm激光輸出．Wang等［10］利用LD側(cè)面泵浦3個(gè)Tm∶YAG晶體，在2.07 μm處得到267 W的激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率為20.7%，斜率效率為29.8%．2014年，Zhang等［11］報(bào)道一種在近室溫條件下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的二極管側(cè)面泵浦Tm，Ho∶YAG激光器，在溫度6℃時(shí)，得到37.24 W的激光輸出，斜率效率為16.7%．Duan等［12］采用LD泵浦Tm∶YLF板條型晶體，采用布拉格光柵與法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行調(diào)諧，獲得最大輸出功率為115 W，線寬為0.1 nm，最大斜率效率為38.4%，中心波長為1 908 nm的激光輸出．同年，Yao等［13］利用Tm∶YLF產(chǎn)生的兩束偏振方向正交的1.9 μm激光雙端泵浦Ho∶YAG晶體，得到2 μm的激光輸出，最高連續(xù)輸出功率為61.9 W，單脈沖能量接近2.84 mJ．2015年，Kwiatkowski等［14］報(bào)道了基于Ho∶YLF的主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)系統(tǒng)，Ho∶YLF由摻銩光纖激光器泵浦，當(dāng)泵浦功率為82.5 W時(shí)，連續(xù)波輸出功率是24.5 W，在重復(fù)頻率1 kHz時(shí)，脈寬為22 ns．

由于光纖元器件的不斷發(fā)展，摻銩光纖激光器近年來得到快速發(fā)展．2012年，Tang Yulong等［15］采用LD泵浦摻銩光纖，在2 019 nm波長處實(shí)現(xiàn)了137 W的激光輸出，光光斜率效率為62%．2013年，Stutzki等［16］報(bào)道一種高脈沖能量和高平均功率的調(diào)Q摻銩光纖振蕩器，脈沖能量為2.4 mJ，平均功率為33 W．2014年，Hu等［17］使用LD泵浦雙包層摻銩石英光纖，在波長1 908 nm處得到輸出功率227 W，斜率效率達(dá)到54.3%，光光轉(zhuǎn)換率為51.2%．Stutzki等［18］發(fā)布一種基于摻銩石英光纖的啁啾脈沖放大系統(tǒng)，輸出平均功率為152 W，峰值功率達(dá)到4 MW．Yin等［19］采用MOPA技術(shù)，種子信號經(jīng)過兩級放大，在1 950 nm處得到115 W的輸出，斜率效率為51.7%．同年歐陽德欽等［20］報(bào)道一種百瓦級全光纖化摻銩光纖激光器，基于線型腔實(shí)現(xiàn)中心波長約1 945 nm、功率為150 mW的連續(xù)光輸出，采用3級MOPA結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)123 W的摻銩光纖激光輸出，斜率效率為59.1%．2015年，Wang等［21］采取全光纖MOPA結(jié)構(gòu)，在1 971 nm處獲得310 W的單頻激光輸出，斜率效率為56%．

與光纖激光器相比，固體激光器光束質(zhì)量好，信噪比高，可獲得較高功率的脈沖輸出．目前摻銩固體激光器要獲得高功率，一般都采取側(cè)面泵浦的方式或者是采用板條狀激光晶體，但是側(cè)面泵浦產(chǎn)生的激光光束質(zhì)量差，板條激光晶體的加工難度大、成本高．YLF晶體熱穩(wěn)定性差，在高功率輸出時(shí)，熱透鏡效應(yīng)嚴(yán)重．YAG晶體截面吸收系數(shù)小，轉(zhuǎn)換效率低．本研究通過優(yōu)化諧振腔型，選用L型腔，在室溫下使用GaAlAs激光二極管激光器雙端泵浦b軸切割的3 mm×3 mm×20 mm普通條狀Tm∶YAP晶體，20℃循環(huán)冷卻水恒溫制冷，在泵浦功率為120 W時(shí)，獲得42 W中心波長為1 988 nm的連續(xù)光輸出．聲光調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在重復(fù)頻率為10 kHz，泵浦功率為120 W時(shí)，輸出激光的平均功率為39.4 W，脈寬為247.5 ns，單脈沖能量為3.94 mJ，峰值功率為16 kW，斜率效率為35%．

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1諧振腔設(shè)計(jì)

激光器設(shè)計(jì)采用緊湊的三鏡L型腔，利用ABCD矩陣對諧振腔進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)．其中，式(1)為諧振腔的單向矩陣;式(2)為自入射高斯光束至透鏡出射面的變換矩陣; G1和G2均為諧振腔穩(wěn)定性參數(shù); L1為泵浦鏡至晶體中心的距離; f為晶體的熱焦距; L2為晶體中心至輸出耦合鏡的距離; R1和R2分別為泵浦鏡與輸出耦合鏡的曲率半徑．經(jīng)過計(jì)算可知，晶體中心處的模半徑是220μm，輸出鏡處模半徑為390 μm．為此，選用1.0∶1.5的激光擴(kuò)束器，使泵浦光與激光諧振腔模式匹配．

激光器高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，Tm∶YAP晶體的熱透鏡效應(yīng)對激光器的功率穩(wěn)定性、光束質(zhì)量和斜率效率等有顯著影響［3-4］．實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對諧振腔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以顯著減少晶體的熱透鏡效應(yīng)對諧振腔穩(wěn)定性影響．圖1為激光器穩(wěn)定性參數(shù)G1G2與晶體熱焦距的關(guān)系．計(jì)算可知，當(dāng)Tm∶YAP晶體熱焦距大于30 mm時(shí)，0＜G1G2＜1，諧振腔可處于穩(wěn)定狀態(tài)．由圖1可見，實(shí)驗(yàn)采用的L型折疊腔，其熱焦距在很大范圍內(nèi)變動時(shí)，都可使諧振腔穩(wěn)定，這說明諧振腔的設(shè)計(jì)有效補(bǔ)償了熱透鏡效應(yīng)，有利于激光器在高功率狀態(tài)下的穩(wěn)定輸出．

圖1　G1G2與熱焦距的關(guān)系Fig.1 G1G2versus thermal focal length

2.2實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2．其中，LD1和LD2是兩個(gè)793 nm的半導(dǎo)體二極管激光器，通過芯徑為200 μm光纖，耦合進(jìn)1.0∶1.5的激光擴(kuò)束器，會聚于b軸3 mm×3 mm×20 mm Tm∶YAP切割的晶體中心，晶體摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為3%，兩端鍍有1 900～2 100 nm以及790～795 nm的增透膜，晶體用1 mm厚的銦片包裹置于紫銅夾具之中，20℃恒溫循環(huán)水冷; M1是平凹反射鏡，曲率半徑為100 mm，對1 900～2 100 nm高反，對793 nm高透; M2為45°平面反射鏡，對1 900～2 100 nm高反，對793 nm高透; M3為輸出鏡，曲率半徑是100 mm，對1 900～2 100 nm的透過率為15%;聲光Q開關(guān)位于M2與M3之間，功率計(jì)置于輸出鏡M3之后．M1與M2之間的距離約為450 mm，M2與M3之間的距離約為80 mm．實(shí)驗(yàn)室室溫21℃，相對濕度為51%．

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental setup

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1激光器連續(xù)光輸出

激光器處于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，采用傅里葉光譜儀(型號為TENSOR 27)測得的輸出激光光譜如圖3．可見，激光中心波長為1 988 nm，譜線寬度約為1.2 nm．

圖3　摻銩固體激光器連續(xù)輸出光譜Fig.3 Spectra of a Tm-doped solidstate laser in CW mode

實(shí)驗(yàn)測得該激光器在連續(xù)工作方式下的泵浦-輸出功率曲線如圖4．激光器閾值為5.6 W，隨著泵浦功率的提高，輸出功率呈線性增加，當(dāng)輸入功率增至120 W時(shí)，得到連續(xù)輸出功率為42.9 W，斜率效率為36.3%．為保護(hù)晶體，實(shí)驗(yàn)中未進(jìn)一步提高泵浦功率．由圖4可見，該激光器的輸出功率沒有出現(xiàn)飽和跡象，功率輸出穩(wěn)定．這說明該激光器的諧振腔可有效抑制Tm∶YAP晶體的熱透鏡效應(yīng)，適合高功率穩(wěn)定輸出．

圖4　連續(xù)輸出泵浦-功率曲線Fig.4 Input-output power curve for a CW laser

3.2激光器脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)

圖5為激光器脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，采用傅里葉光譜儀測得輸出激光的光譜，譜線寬度約為4 nm，相比連續(xù)輸出光譜有所展寬．

圖5　摻銩固體激光器脈沖輸出光譜Fig.5 Spectrum of a Tm-doped solid state laser in Q-switched mode

在調(diào)制脈寬10 μs、重復(fù)頻率10 kHz條件下，逐步加大泵浦功率，測量輸出功率，得到泵浦-平均輸出功率曲線如圖6．可見，平均輸出功率隨著泵浦功率呈線性變化，當(dāng)輸入功率增加到120 W時(shí)，脈沖平均輸出功率達(dá)到39.4 W．圖7為調(diào)Q泵浦功率-峰值功率曲線，隨著泵浦功率的增加，峰值功率也不斷增加，并未出現(xiàn)飽和趨勢，但為了保護(hù)晶體，沒有繼續(xù)增加泵浦功率．當(dāng)泵浦功率達(dá)到120 W時(shí)，輸出平均功率為39.4 W，脈寬為247.5 ns，峰值功率約為16 kW．圖8為泵浦功率120 W時(shí)，由示波器觀測到的調(diào)Q序列，可見，重復(fù)頻率為10 kHz，脈沖穩(wěn)定性很好．圖9為泵浦功率120 W，重復(fù)頻率10 kHz時(shí)的單脈沖波形，脈寬為247.5 ns．

在上述實(shí)驗(yàn)條件下測得輸出激光脈沖脈寬(圖10)，發(fā)現(xiàn)隨著泵浦功率的提高，脈寬有變窄的趨勢，當(dāng)泵浦功率為110 W時(shí)，得到最短脈寬為227.5 ns．

圖6　調(diào)Q泵浦功率-平均功率曲線Fig.6 Average output power versus pump power for a Q-switched laser

圖7　調(diào)Q泵浦功率-峰值功率曲線Fig.7 Peak power-pump power curve for a Q-switched laser

圖8　調(diào)Q脈沖序列圖Fig.8 Q-switched laser pulse trace

圖9　單脈沖波形Fig.9 Waveform of Q-switched single pulse

圖10　調(diào)Q脈寬-泵浦功率曲線Fig.10 Pulse-width versus incident pump power for a Q-switched laser

結(jié)語

本研究介紹一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、高效率、高功率的2 μm折疊腔固體激光器，采用雙端抽運(yùn)Tm∶YAP晶體方案，在連續(xù)狀態(tài)下，泵浦功率為120 W時(shí)，輸出功率為42 W．當(dāng)激光器處于脈沖工作狀態(tài)，泵浦功率為120 W，重復(fù)頻率為10 kHz時(shí)，平均輸出功率為39.4 W，脈寬為247.5 ns，單脈沖能量為3.94 mJ，峰值功率為16 kW．激光器輸出功率隨泵浦功率的增加呈線性增加，未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，在保證激光器件不損壞的條件下，可通過增加泵浦功率獲得更高功率的激光輸出．說明此激光器的諧振腔設(shè)計(jì)合理，有效抑制了Tm∶YAP晶體的熱透鏡效應(yīng)，適合大功率運(yùn)轉(zhuǎn)．

參考文獻(xiàn)/References: /References:

［1］Curcio J，Petty C．The near infrared absorption spectrum of liquid water［J］．Journal of the Optical Society of America，1951，41(5) : 302-304．

［2］Yang Hao，Zhang Jian，Qin Xianpeng，et al．Polycrystalline Ho∶YAG transparent ceramics for eye-safe solid state laser applications［J］．Journal of the American Ceramic Society，2012，95(1) : 52-55．

［3］Stoneman R，Esterowitz L．Efficient 1.94-micrometers Tm ∶YALO laser［J］．IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，1995，1(1) : 78-81．

［4］Moreira H，Campos M，Sawusch M R，et al．Holmium laser thermokeratoplasty［J］．Ophthalmology，1993，100(5) : 752-761．

［5］Li Hongshu，Zhao Ming，Xu Wenhai．High-power，highefficiency cw diode-pumped Tm∶YAP laser emitting at 1.99 μm［J］．Journal of Russian Laser Research，2012，33(4) : 307-309．

［6］Cao Dong，Du Shifeng，Peng Qinjun，et al．A 171.4 Wdiode-side-pumped Q-switched 2 μm Tm∶YAG laser with a 10 kHz repetition rate［J］．Chinese Physics Letters，2012，29(4) : 0442101-0442104．

［7］Gorajek L．Diode pumped，q-switched Tm∶YLF laser ［C］//International Conference on Electron Technology．Ryn(Poland) : SPIE，2013: 890219-1-890219-8．

［8］Meissner A，Li J，Lopez-Perez I，et al．200-W Tm∶YLF INNOSLAB laser［C］//Solid State Lasers XXII: Technology and Devices．San Francisco(USA) : SPIE，2013: 85991C-1-85991C-7．

［9］Shen Yingjie，Yao Baoquan，Duan XiaoMing，et al．Performance of high power 2 μm Ho∶YAG laser［J］．International Conference on Lasers and Electro-Optics．San Jose(USA) : IEEE，2013: 49-50．

［10］Wang Caili，Niu Yanxiong，Du Shifeng，et al．Tm∶YAG laser at 2.07 μm［J］．Applied Optics，2013，52(31) : 7494-7497．

［11］Zhang Chao，Du Shifeng，Niu Yanxiong，et al．A compact high power laser-diode side-pumped Tm，Ho∶YAG laser nearly at room temperature with intracavity Tm∶YAG laser［J］．Chinese Physics Letters，2014，31(4) : 044201-1-044201-3．

［12］Duan X M，Cai Y X，Ding Y，et al．High power slab Tm∶YLF laser wavelength-selected by volume Bragg grating and etalon［J］．Optical and Quantum Electronics，2014，46(12) : 1589-1594．

［13］Yao Baoquan，Shen Yingjie，Han Liu，et al．High power Ho∶YAG laser pumped by two orthogonally polarized Tm∶YLF lasers［J］．Optical and Quantum Electronics，2014，47(2) : 211-216．

［14］Kwiatkowski J，Jabczynski J K，Zendzian W．An efficient continuous-wave and Q-switched single-pass twostage Ho∶YLF MOPA system［J］．Optics＆Laser Technology，2015，67: 93-97．

［15］Tang Yulong，Huang Chongyuan，Wang Shengli，et al．High-power narrow-bandwidth thulium fiber laser with an all-fiber cavity［J］．Optics Express，2012，20(16) : 17539-17544．

［16］Stutzki F，Jansen F，Jauregui C，et al．2.4 mJ，33 W Q-switched Tm-doped fiber laser with near diffractionlimited beam quality［J］．Optics Letters，2013，38(2) : 97-99．

［17］Hu Zhenyue，Yan Ping，Xiao Qirong，et al．227-W output all-fiberized Tm-doped fiber laser at 1908 nm［J］．Chinese Physics B，2014，23(10) : 42061-42064．

［18］Stutzki F，Gaida C，Gebhardt M，et al．152 W average power Tm-doped fiber CPA system［J］．Optics Letters，2014，39(16) : 4671-4674．

［19］Yin Ke，Zhang Bin，Xue Guanghui，et al．High-power all-fiber wavelength-tunable thulium doped fiber laser at 2 μm［J］．Optics Express，2014，22(17 ) : 19947-19952．

［20］Ouyang Deqin，Zhao Junqing，Zheng Zhijian，et al．Hundred-watt-level all-fiber thulium doped fiber laser ［J］．Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2014，31(6) : 608-613．(in Chinese)歐陽德欽，趙俊清，鄭志堅(jiān)，等．百瓦級全光纖摻銩光纖激光器［J］．深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2014，31(6) : 608-613．

［21］Wang Xiong，Jin Xiaoxi，Wu Weijun，et al．310-W single frequency Tm-doped all-fiber MOPA［J］．IEEE Photonics Technology Letters，2015，27(6) : 677-680．

【中文責(zé)編:方圓;英文責(zé)編:木南】

【光電工程/Optoelectronic Engineering】

多層薄膜二次電子發(fā)射特性的理論研究

陳鳳，郭金川，陳泗方，周彬

深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，光電子器件與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳518060

Received: 2015-03-23; Accepted: 2015-04-28

Foundation: National Natural Science Foundation of China(11074172) ; Major State Basic Research Development of China(2102CB8258804)

Corresponding author: Professor Guo Jinchuan．E-mail: jcguo@szu.edu.cn

二次電子發(fā)射的物理過程非常的復(fù)雜，很難全面準(zhǔn)確的描述．因此，本研究借鑒固體二次電子發(fā)射特性的半經(jīng)驗(yàn)理論，避開有關(guān)二次電子激發(fā)和逸出過程的細(xì)致結(jié)構(gòu)，假設(shè)一次電子能量的損失規(guī)律是均勻失能(即一次電子能量在入射過程中能量損失率一樣)，并忽略荷電效應(yīng)，電子補(bǔ)償充分足夠提供二次電子發(fā)射，結(jié)合Yu等［5］推導(dǎo)的多層薄膜結(jié)構(gòu)二次電子發(fā)射特性，分析應(yīng)用于MCP發(fā)射層的雙膜層(如SiO2/Si等)結(jié)構(gòu)薄膜的二次電子發(fā)射特性，減小理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)所測材料二次電子發(fā)射系數(shù)之間的差距［6-12］，為優(yōu)化MCP打拿極結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)．

1多層薄膜二次電子發(fā)射的理論分析

固體的二次電子發(fā)射表現(xiàn)為:若有電子(一次電子)投射到固體表面，則有電子(二次電子)從該表面發(fā)射出來．大量實(shí)驗(yàn)指出，原電子入射發(fā)射材料體內(nèi)后，將與晶格原子的外殼層電子發(fā)生相互作用，使電子受激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶較高能級［13-17］．而原電子本身的能量也因此逐漸損失，速度減慢，最后停止下來．因此，一般認(rèn)為原電子在其行程單位距離內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生的二次電子數(shù)目，與原電子能量E0有關(guān)［13］，且理論上假設(shè)入射電子的能量即為電子整個(gè)射程中的動能．因此，在入射電子與材料作用過程中，材料的二次電子發(fā)射總產(chǎn)額(即二次電子發(fā)射系數(shù)δ)可表示為其中，n(x，E0)為單位入射深度中，能量為E0的入射電子產(chǎn)生的二次電子數(shù)量; x為入射電子在材料中的入射距離; f(x)為距離表面為x處的電子逸出材料表面成為二次電子的幾率．

通常假設(shè)f(x)可分為由x處遷移至表面的幾率及逸出表面的幾率兩部分．前者可表示為e－βx，β為常數(shù)，取決于物質(zhì)對內(nèi)二次電子的吸收;后者為常數(shù)f(0)(≤1)．因此，f(x)可表示為

進(jìn)一步假設(shè)n(x，E0)與一次電子能量在固體的平均損失率－dE(x)/dx成比例，即

其中，ε是在固體內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生1個(gè)內(nèi)二次電子時(shí)，原電子能量損失率的平均值．于是有

根據(jù)“均勻失能”近似解，假定一次電子在固體內(nèi)的整個(gè)行程上均勻損失其能量，即在沿一次電子的整個(gè)路徑上均勻產(chǎn)生內(nèi)二次電子．Young［13］在做電子穿透Al2O3薄膜的實(shí)驗(yàn)中指出，入射原電子的能量損失率與其射程成正比，因此，入射電子射程R范圍內(nèi)，每單位路徑的能量損失率幾乎保持不變，給出一個(gè)關(guān)于射程的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式

其中，nA與薄膜材料的密度ρ相關(guān)．假設(shè)式(5)對所有次級發(fā)射體適用，因此0→R電子射程內(nèi)的平均能量損失率為

然而，對于多層薄膜的二次電子發(fā)射特性，通常采用以上二次電子產(chǎn)生的物理過程分析．圖1為多層薄膜結(jié)構(gòu)，假設(shè)第m層的二次電子發(fā)射系數(shù)為δm，入射電子進(jìn)入m層發(fā)射體的行程區(qū)間為ΔXm= Xm－1－Xm，其電子初始能量為Em－1≡Em－1，0= Em－1(x = Xm－1)．電子穿過第m層后，其能量衰減為Em，同時(shí)Em作為進(jìn)入第m + 1層入射電子的初始能量，以此類推，直到電子能量完全損耗導(dǎo)致電子停止前進(jìn)．因此，當(dāng)單一膜層厚度比較薄時(shí)，這種多膜層結(jié)構(gòu)的二次電子產(chǎn)額近似為每層薄膜產(chǎn)生的二次電子數(shù)目的總和，其二次電子發(fā)射系數(shù)［5，13］可表達(dá)為

根據(jù)式(5)與式(6)，可推出入射電子穿透第m層末端的能量Em(x)為其中，Rm為第m層的入射電子射程．

圖1　m膜層結(jié)構(gòu)示意圖［5］Fig.1 Schematic diagram of an m-layer structure［5］

然而，微通道板的通孔直徑較小，打拿極每一層薄膜厚度控制在納米量級．為提高其電子增益，本研究設(shè)計(jì)雙發(fā)射層結(jié)構(gòu)．如圖2，左圖為MCP示意圖，右圖為通道內(nèi)壁打拿極結(jié)構(gòu)．

圖2　硅基微通道板雙發(fā)射層打拿級結(jié)構(gòu)Fig.2(Color online) Double-secondary emission layer

根據(jù)普遍適用的實(shí)驗(yàn)情況結(jié)合以上理論計(jì)算，分析雙層結(jié)構(gòu)的二次電子發(fā)射系數(shù)，對于雙層薄膜結(jié)構(gòu)m = 2．根據(jù)式(7)，δ可表達(dá)為其中，gnm=βmRm;ΔXm=Xm－Xm－1(m = 1，2) ;第1層膜厚度為ΔX1= X1;第2層膜厚度ΔX2相當(dāng)于入射電子在該層的射程R2，即ΔX2= R2．

2　Matlab模擬結(jié)果及分析

利用上述模型，可計(jì)算出不同材料膜層在不同薄膜厚度情況下的二次電子發(fā)射系數(shù)．微通道板通道內(nèi)發(fā)射層采用SiO2、Al2O3及MgO等薄膜材料，于是，分別計(jì)算入射電子能量為0～1 keV，不同膜厚SiO2/Si、Al2O3/Si和MgO/Si雙層膜材料的二次電子發(fā)射系數(shù)．為了驗(yàn)證以上推導(dǎo)，假設(shè)通過熱氧化及原子層沉積在Si基上生長5種不同厚度的SiO2、Al2O3和MgO薄膜，薄膜厚度d分別為3、6、9和12 nm．SiO2、Al2O3、MgO及Si相關(guān)參數(shù)如表1．

表1　幾種材料的特征值Table 1 Several kinds of material characteristic value

根據(jù)Young的經(jīng)典理論［13］:其中，Emax是材料最大二次電子發(fā)射系數(shù)δmax對應(yīng)的入射電子初始能量;電子能量的單位keV;密度ρ的單位為g/cm3; m = 1，2．結(jié)合式(11)建立數(shù)學(xué)模型，然后對硅基生長不同厚度不同材料的薄膜計(jì)算二次電子發(fā)射系數(shù)，結(jié)果如圖3．

由圖3可見:①當(dāng)薄膜厚度為0時(shí)，基底材料Si的二次電子發(fā)射系數(shù)隨入射能量的增大而增加，當(dāng)達(dá)到一個(gè)最大值時(shí)，又開始緩慢下降．剛開始時(shí)，原電子能量比較小，產(chǎn)生的二次電子也比較少，隨著入射電子能量的逐步增大，二次電子也逐漸增多．當(dāng)?shù)竭_(dá)一定入射電子能量時(shí)，基底材料Si的二次電子發(fā)射系數(shù)達(dá)到最大．隨著入射電子能量的繼續(xù)增大，Si的二次電子發(fā)射系數(shù)又開始逐漸下降．這是由于隨著入射深度增大，產(chǎn)生的二次電子

圖3　不同厚度SiO2/Si、Al2O3/Si和MgO/Si雙層薄膜二次電子發(fā)射系數(shù)與電子能量的關(guān)系Fig.3 Calculated secondary electron emission coefficientsfor SiO2/Si，Al2O3/Si and MgO/Si as a function of the primary electron's energy

要經(jīng)過更多的碰撞才能到達(dá)材料的表面，所以二次電子的數(shù)目逐漸減少．而且隨著入射電子能量的增大，入射電子在逸出深度范圍內(nèi)沿入射電子行程的能量損失明顯減小，入射電子沿程能量損失大小與入射電子在一個(gè)逸出深度范圍內(nèi)的沿程激發(fā)的內(nèi)二次電子數(shù)目成正比，因此，當(dāng)二次電子發(fā)射系數(shù)達(dá)到峰值再繼續(xù)增大入射電子能量時(shí)，入射電子在一個(gè)逸出深度范圍內(nèi)沿程激發(fā)的內(nèi)二次電子逐漸減少．②當(dāng)在Si基上淀積SiO2、Al2O3和MgO薄膜材料時(shí)，二次電子發(fā)射系數(shù)明顯增大，主要是因?yàn)檫@3種薄膜材料的二次電子發(fā)射特性比Si基好，當(dāng)入射電子轟擊雙層薄膜時(shí)，使第1層的薄膜材料產(chǎn)生高額的二次電子數(shù)目．③薄膜材料越薄，其二次電子發(fā)射系數(shù)越小．反映在當(dāng)薄膜材料很薄時(shí)，二次電子的產(chǎn)額較少，它主要依賴二次電子發(fā)射系數(shù)比較小的Si基層．反之，當(dāng)這些薄膜厚度增大時(shí)，二次電子發(fā)射系數(shù)也越大，主要依靠薄膜材料發(fā)射二次電子．然而隨著薄膜材料逐漸變厚，二次電子的發(fā)射系數(shù)值越來越接近甚至相等．因?yàn)楫?dāng)薄膜達(dá)到一定厚度時(shí)，入射電子能量無法穿透薄膜材料到達(dá)Si基層，使得全部的二次電子皆由薄膜材料產(chǎn)生，故二次電子的發(fā)射系數(shù)不再受厚度影響．

結(jié)語

本研究基于經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合理論分析，考慮一次電子穿透深度以及二次電子的逃逸能力，忽略電荷效應(yīng)等其他因素，對雙層薄膜材料的二次電子發(fā)射系數(shù)表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo)．利用該公式能夠計(jì)算出不同薄膜材料，在不同厚度及能量狀態(tài)下的二次電子發(fā)射系數(shù)．有研究實(shí)驗(yàn)得到二次電子發(fā)射系數(shù)隨著初始電子能量的增大先增大后減小的曲線［6-9，16-22］，初始電子能量在100～400 eV之間二次電子發(fā)射系數(shù)有最大值．通過分析本研究得到的理論曲線和實(shí)驗(yàn)曲線規(guī)律，當(dāng)初始電子能量比較低時(shí)，其二次電子發(fā)射系數(shù)的變化趨勢與之不相符，而當(dāng)初始電子能量較高時(shí)，曲線結(jié)果較相符．存在一些偏差的原因，在于文中的公式只是近似處理后的結(jié)果，計(jì)算時(shí)會產(chǎn)生誤差．盡管當(dāng)前計(jì)算尚且完美，但它對指導(dǎo)多層薄膜的二次電子發(fā)射體的研究(而非對二次電子發(fā)射物理過程的研究)仍具指導(dǎo)意義，并為微通道板打拿極的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)．

引文:陳鳳，郭金川，陳泗方，等．多層薄膜二次電子發(fā)射特性的理論研究［J］．深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2015，32(4) : 417-421．

［1］Horton J R，Tasker G W，F(xiàn)oul J J．Characteristics and applications of advanced technology microchannel plates ［C］//Conference on Sensor Fusion．Orlando(USA) :SPIE，2012: 169-178．

［2］Qiao Weinan．Secondary electron emission of by nobe in microchannel plate［D］．Changchun: Changchun University of Science and Technology，2012．(in Chinese)喬偉男．微通道板打拿級二次電子發(fā)射特性研究［D］．長春:長春理工大學(xué)，2012．

［3］Gao Yanjun，Duanmu Qingduo，Wang Guozheng，et al．Formation of electron multiplier by utilizing the MEMS bulk-silicon-micro-machining technology［C］//International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging．Beijing(China) : SPIE，2008: 662109-1-662109-6．

［4］Uhm H S，Choi E H，Cho G S．Secondary electron emission from MgO protective layer by Auger neutralization of ions［J］．Applied Physics Letters，2009，94(3) : 031501-1-031501-3．

［5］Yu S G，Yi W，Jeong T，et al．Secondary electron emission for layered structures［J］．Journal of Vacuum Science＆Technology A，2002，20(3) : 950-952．

［6］Zhang Xiaoqing，Sessler G M，Xia Zhongfu，et al．Charge storage and transportation in double layers of Si3N4/SiO2electret film based on Si substrate［J］．Acta Physic Sinica，2001，50(2) : 293-297．(in Chinese)張小青，Sessler G M，夏鐘福，等．Si基Si3N4雙層膜駐極體的電荷儲存與輸運(yùn)［J］．物理學(xué)報(bào)，2001，50(2) : 293-297．

［7］Lei Yangjun，Xiao Dingquan，Tang Binghua．Character and measurements of secondary electron emission coefficients for alumina ceramics［J］．Journal of the Chinese Ceramic Society，2006，34(6) : 713-716．(in Chinese)雷楊俊，肖定全，唐兵華．氧化鋁陶瓷表面二次電子發(fā)射特性及測量［J］．硅酸鹽學(xué)報(bào)，2006，34(6) : 713-716．

［8］Lu(Lyu) Xiaojun，Yu Zhinong，Zheng Dexiu．Design of the about devices of measuring the secondary emission coefficient of MgO films［J］．Vacuum Electronics，2000(5) : 5-8．(in Chinese)呂曉軍，喻志農(nóng)，鄭德修．MgO薄膜二次電子發(fā)射系數(shù)測量裝置的設(shè)計(jì)［J］．真空電子技術(shù)，2000(5) : 5-8．

［9］Li Yajuan，Chen Xuekang，Wang Ji，et al．Research of ion-induced secondary electron emission from MgO film ［J］．Vacuum＆Cryogenics，2013，19(3) : 135-140．(in Chinese)李雅娟，陳學(xué)康，王驥，等．離子轟擊MgO薄膜二次電子發(fā)射的研究［J］．真空與低溫，2013，19(3) : 135-140．

［10］Xie Aigen，Guo Shengli，Li Chuanqi，et al．The measurement of secondary electron emission coefficient of MgO ［J］．Journal of Anhui University Natural Science Edition，2006，30(6) : 61-64．(in Chinese)謝愛根，郭勝利，李傳起，等．測量氧化鎂的二次電子發(fā)射系數(shù)［J］．安徽大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2006，30(6) : 61-64．

［11］Feng Na，Yang Shengsheng，Chen Yifeng，et al．Study of secondary electron emission of space materials［J］．Vacuum＆Cryognics，2013，19(3) : 145-149．(in Chinese)馮娜，楊生勝，陳益峰，等．空間材料二次電子發(fā)射過程的理論研究［J］．真空與低溫，2013，19(3) : 145-149．

［12］Yang Jing，Cui Wanzhao，Hu Tiancun，et al．Research of secondary electron energy spectrum on pure silver material ［J］．Journal Terahertz Science and Electronic Information Technology，2014，12(1) : 141-144．(in Chinese)楊晶，崔萬照，胡天存，等．純銀材料的二次電子發(fā)射能譜研究［J］．太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2014，12(1) : 141-144．

［13］Young J R．Dissipation of energy by 2.5-10 keV electrons in Al2O3［J］．Journal of Applied Physics，1957，28(2) : 524-525．

［14］Okamoto K．Thickness measurement of a thin oxide layer by secondary electron emission［J］．Review of Scientific Instruments，1980，51(3) : 302-305．

［15］Xie Aigen．Research of the secondary electron emission and measurement of the secondary electron emission coefficient［D］．Hefei: University of Science and Technology of China，2005．(in Chinese)謝愛根．二次電子發(fā)射的研究與二次電子發(fā)射的系數(shù)測量［D］．合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2005．

［16］Jacques C．Calculated dependence of few-layer grapheme on secondary electron emissions from SiC［J］．Applied Physics Letters，2011，98(1) : 013109-1-013109-3．

［17］Goto K，Ishikawa K．Fine structures and energy distribution of secondary electron emission from Si(111)［J］．Journal of Applied Physics，1973，44(1) : 132-137

［18］Cheng Huan，Jiang Jianping．Cathode electronics［M］．Xi'an: Northwest Telecommunication Engineering Institute Press，1986: 86-112．(in Chinese)承歡，江劍平．陰極電子學(xué)［M］．西安:西北電訊工程學(xué)院出版社，1986: 86-112．

［19］Lin Zulun，Wang Xiaoju．Cathode electronics［M］．Beijing: National Defense Industry Press，2013: 250-255．(in Chinese)林祖?zhèn)?，王小菊．陰極電子學(xué)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2013: 250-255．

［20］Liu Yuanzhen，Wang Zhongchun，Dong Yaqiang．Electron emission and the photocathode［M］．Beijing: Beijing Institute of Technology Press，1995: 171-189．(in Chinese)劉元震，王仲春，董亞強(qiáng)．電子發(fā)射與光電陰極［M］．北京:北京理工大學(xué)出版社，1995: 171-189．

［21］Peng Guoxian．Measurement of the secondary electron emission efficiency and application［J］．Advanced Display，1999，2(6) : 41-46．(in Chinese)彭國賢．二次電子發(fā)射系數(shù)的測量及應(yīng)用［J］．現(xiàn)代顯示，1999，2(6) : 41-46．

［22］Gao Mingjie，Zhang Yanan，Xiao Xue，et al．Formula for secondary electron yield form metal Al at higher incident electron energy at different incident angle［J］．Vacuum＆Cryogenics，2014，20(1) : 43-46．(in Chinese)高明杰，張雅男，肖雪，等．不同入射角度鋁的較高能二次電子發(fā)射系數(shù)表達(dá)式［J］．真空與低溫，2014，20(1) : 43-46．

【中文責(zé)編:方圓;英文責(zé)編:木南】

【光電工程/Optoelectronic Engineering】

Citation: Chen Feng，Guo Jinchuan，Chen Sifang，et al．Theoretical study on secondary electron emission characteristics of multilayer films［J］．Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2015，32(4) : 417-421．(in Chinese)

Theoretical study on secondary electron emission characteristics of multilayer films

Chen Feng，Guo Jinchuan，Chen Sifang，and Zhou Bin

College of Optoelectronic Engineering，Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Ministry of Education，Shenzhen University，Shenzhen 518060，P．R．China

在20世紀(jì)90年代初，Horton等［1-2］利用半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)中的光刻、干法刻蝕和薄膜淀積等工藝，提出制造微通道板(microchannel plate，MCP)的技術(shù)，稱為先進(jìn)技術(shù)微通道板(advanced technology microchannel plates，AT-MCP)．AT-MCP的研究和問世帶來微通道板發(fā)展的一次大變革，它可將基底材料和打拿極材料選擇分開，同時(shí)把微孔陣列與連續(xù)打拿極制作工藝分開，解決了傳統(tǒng)微通道板玻璃材料拉制和氫還原處理之間相互牽制的矛盾．AT-MCP的誕生，為選用高純材料作為基底，采用新工藝制作打拿極創(chuàng)造了條件，使微通道板的應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步拓展．伴隨AT-MCP器件的不斷發(fā)展，薄膜技術(shù)廣泛用于打拿極二次電子發(fā)射層的制作，以提高M(jìn)CP打拿極的電子倍增效率［3-4］．

作者簡介:任席奎(1986—)，男(漢族)，湖北省隨州市人，深圳大學(xué)博士研究生．E-mail: mailrenxikui@163.com 陳鳳(1989—)，女(漢族)，江西省寧都縣人，深圳大學(xué)碩士研究生．E-mail: 370420103@ qq.com
引文:任席奎，李春波，王冬冬，等．高功率摻銩固體激光器的研究［J］．深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2015，32(4) : 411-416．

基金項(xiàng)目:深圳市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(JSGG20140519104809878) ;深圳市南山區(qū)核心技術(shù)突破資助項(xiàng)目(KC2014JSJS 0008A) 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11074172) ;國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2102CB825804)

doi:10．3724/SP．J．1249．2015．04411 10．3724/SP．J．1249．2015．04417

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A A

中圖分類號:TN 24 TN 101