鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)器極限分辨力影響因素研究

閆 磊,石 峰,單 聰,程宏昌,郭 欣,劉 暉,羅 洋,張曉輝

(1.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065;2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223;3.陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍代局駐西安地區(qū)第八軍事代表室，陜西 西安 710065)

0 引言

太陽光作為能量最強(qiáng)的自然光源，其直接或間接產(chǎn)生的背景輻射對工作在近地表面的許多光電探測設(shè)備都會造成嚴(yán)重干擾，但200～320 nm 這段光譜區(qū)太陽光輻射到達(dá)不了地面，為所謂的"日盲區(qū)"，如果讓紫外探測系統(tǒng)工作在光譜區(qū)中的紫外波段，就可以使近地表面工作的紫外探測設(shè)備避開最強(qiáng)大的自然光源，在背景極其簡單的條件下工作，從而大大降低信號處理的難度[1-2]。

紫外預(yù)警利用"目盲區(qū)"來探測導(dǎo)彈的火焰與羽煙，在背景潔凈的日盲區(qū)，導(dǎo)彈羽煙的紫外輻射很容易被檢測出來。由于避開了最強(qiáng)的太陽輻射背景，信息處理負(fù)擔(dān)明顯減輕，虛警率很低，與紅外預(yù)警相比，不需要低溫冷卻，體積小、重量輕、響應(yīng)快[1-2]。

鋁鎵氮光陰極可通過調(diào)節(jié)其發(fā)射層鋁組分，進(jìn)而使鋁鎵氮光陰極的禁帶寬度可調(diào)，實(shí)現(xiàn)鋁鎵氮光陰極的日盲探測[3-4]。鋁鎵氮光電陰極像增強(qiáng)器是目前最主要的一種日盲型紫外探測器[5-7]。

鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)器由鋁鎵氮光電陰極像增強(qiáng)管和小型高壓電源組成，小型高壓電源提供鋁鎵氮光電陰極像增強(qiáng)管正常工作所需的電壓，而鋁鎵氮光電陰極像增強(qiáng)管的優(yōu)劣直接決定了鋁鎵氮光電陰極像增強(qiáng)器的性能指標(biāo)。極限分辨力指標(biāo)是像增強(qiáng)管的一項(xiàng)重要技術(shù)參數(shù)，對于微光像增強(qiáng)管，常用調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function，MTF)來評價(jià)其分辨力特性。MTF 包含了對不同空間頻率目標(biāo)調(diào)制度信息的傳遞能力。在光學(xué)像質(zhì)評價(jià)中，人們普遍認(rèn)為調(diào)制傳遞函數(shù)MTF 是評價(jià)成像系統(tǒng)和器件像質(zhì)的最全面、最客觀的方法，而極限分辨力是器件MTF曲線3%調(diào)制度對應(yīng)的一個(gè)空間頻率[8]。鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)管的結(jié)構(gòu)與砷化鎵光陰極像增強(qiáng)管的結(jié)構(gòu)相似，但在相同工藝參數(shù)條件下，鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)管的極限分辨力遠(yuǎn)小于砷化鎵光陰極的像增強(qiáng)管，且目前對鋁鎵氮光陰極紫外像增強(qiáng)器分辨力研究較少。本文通過實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合的方法，對紫外光在鋁鎵氮光陰極中傳輸特性進(jìn)行了測量，并通過紫外光激發(fā)載流子在鋁鎵氮激活層中的散射和發(fā)射電子散射特性的理論分析，推算確定了鋁鎵氮光陰極的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)及其前近貼聚焦系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)，通過對比這兩個(gè)調(diào)制傳遞函數(shù)，確定了導(dǎo)致鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)管極限分辨力降低的主要因素。

1 鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)及其分辨力特性

鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)器由鋁鎵氮光電陰極像增強(qiáng)管和小型高壓電源組成，小型高壓電源提供鋁鎵氮光電陰極像增強(qiáng)管正常工作所需的電壓，而鋁鎵氮光電陰極像增強(qiáng)管的優(yōu)劣直接決定了鋁鎵氮光電陰極像增強(qiáng)器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)管為近貼聚焦結(jié)構(gòu)，由光陰極、微通道板(MCP)和熒光屏等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中光陰極面與MCP 輸入面之間稱為第一近貼距離(first proximity distance)，用L1表示;MCP 輸出面與熒光屏之間稱為第二近貼距離(second proximity distance)，用L2表示。

對于近貼聚焦結(jié)構(gòu)的像增強(qiáng)管，常采用調(diào)制傳遞函數(shù)表示像增強(qiáng)管的分辨力特性，像增強(qiáng)管的調(diào)制傳遞函數(shù)可由式(1)表示:

式中:MTF陰極(f)、MTFMCP(f)、MTF屏(f)分別是光陰極、微通道板、熒光屏調(diào)制傳遞函數(shù);MTF1(f)、MTF2(f)分別是前、后近貼靜電聚焦系統(tǒng)對應(yīng)的調(diào)制傳遞函數(shù);f代表空間頻率，單位常為線對每毫米(lp/mm)。

圖1 像增強(qiáng)管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of image intensifier

關(guān)于近貼聚焦結(jié)構(gòu)的像增強(qiáng)管分辨力研究方面，目前較為成熟的是GaAs 光陰極像增強(qiáng)管的分辨力特性，研究認(rèn)為可見光和光激發(fā)載流子在GaAs 光陰極中的傳輸不是影響GaAs 光陰極像增強(qiáng)管分辨力的主要因素，MTF陰極(f)的影響可以忽略[9-10]，其調(diào)制傳遞函數(shù)可由式(2)表示:

式中:MTF1(f)為前近貼聚焦系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)，表達(dá)式為(3)[8]:

MTFMCP(f)為MCP的調(diào)制傳遞函數(shù)，表達(dá)式為(4)[8]:

式中:d為MCP 的絲芯距尺寸。

MTF2(f)為后近貼聚焦系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，表達(dá)式為(5)[8]:

式中:εm2為MCP 發(fā)射電子最大初始能量，一般認(rèn)為該值為5 eV;φ2為MCP 輸出面與熒光屏之間的電壓值。

MTF屏(f)為熒光屏的調(diào)制傳遞函數(shù)，表達(dá)式為(6)[8]:

鋁鎵氮光陰極光電子發(fā)射機(jī)制與砷化鎵光陰極相同[6]，且砷化鎵光陰極與鋁鎵氮光陰極結(jié)構(gòu)相似，圖2、圖3為兩種像增強(qiáng)管光陰極的結(jié)構(gòu)示意圖。

鑒于這兩種像增強(qiáng)管結(jié)構(gòu)的相似性，前期在對鋁鎵氮光陰極紫外像增強(qiáng)管分辨力研究時(shí)，均借鑒砷化鎵光陰極像增強(qiáng)管的調(diào)制傳遞函數(shù)方程。按照砷化鎵光陰極像增強(qiáng)管的調(diào)制傳遞函數(shù)對鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)管的極限分辨力進(jìn)行計(jì)算，可得鋁鎵氮光陰極像管在特定參數(shù)條件下其理論極限分辨力如表1所示。

圖2 微光像管光陰極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of GaAs photocathode

因在實(shí)際工藝中，兩種像增強(qiáng)管的差異僅為光陰極，其幾何參數(shù)中除了L1存在差異外，其余幾何參數(shù)均一致，因此表1中僅給出了L1有差異時(shí)的情況。

但實(shí)際制備的AlGaN 光陰極像增強(qiáng)管，即使其第一近貼距離參數(shù)L1達(dá)到0.13 mm，像管的其他參數(shù)按照表1所述設(shè)定，制備像管的分辨力遠(yuǎn)低于61 lp/mm的計(jì)算值。表2為項(xiàng)目研制期間制備的部分像管分辨力測試值。

通過對比表1中按照砷化鎵光陰極像管分辨力模型計(jì)算鋁鎵氮光陰極像管得到的理論分辨力值與表2中鋁鎵氮光陰極像管實(shí)測分辨力值的數(shù)據(jù)可知，分辨力理論計(jì)算值近乎為實(shí)測值的2 倍，GaAs 光陰極微光像增強(qiáng)管的調(diào)制傳遞函數(shù)方程無法直接在AlGaN光陰極像增強(qiáng)管中應(yīng)用。由于這兩種像增強(qiáng)管的差異僅為光陰極材料的差異，因此對于AlGaN 光陰極像增強(qiáng)管分辨力特性研究時(shí)，可借鑒GaAs 光陰極微光像增強(qiáng)管關(guān)于MTFMCP(f)、MTF2(f)、MTF屏(f)這3 項(xiàng)數(shù)學(xué)方程，需要對MTF陰極(f)、MTF1(f)這兩項(xiàng)數(shù)學(xué)方程重新確定，即紫外光在AlGaN 光陰極內(nèi)部傳輸?shù)纳⑸涮匦?，及紫外光激發(fā)載流子在AlGaN 激活層的散射和發(fā)射電子散射需要重新進(jìn)行研究。

圖3 紫外像管光電陰極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of AlGaN photocathode

表1 不同參數(shù)時(shí)鋁鎵氮光陰極像管極限分辨力理論值Table 1 Theoretical value of limit resolution of AlGaN photocathode with different parameters

表2 鋁鎵氮光陰極像管分辨力測試情況Table 2 Measured resolution of AlGaN photocathode image tube

2 紫外光在鋁鎵氮光陰極內(nèi)部散射特性研究

鑒于目前尚無紫外光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)測量設(shè)備，因此無法直接通過測傳函的方法對鋁鎵氮光陰極的傳函特性進(jìn)行評價(jià)。針對該項(xiàng)困難，搭建了一套鋁鎵氮光陰極紫外分辨力特性測試的裝置，測量裝置原理圖如圖4所示。

測試過程如下:

1)將涂單層熒光粉的光纖面板放置(以下簡稱"涂粉面板")在圖4所示涂粉面板的位置，通過調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)被測件與涂粉面板間距，控制在0.1 mm±0.02 mm 范圍;

圖4 AlGaN 光陰極紫外分辨力特性測試的裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of AlGaN photocathode UV resolution characteristic test device

2)開啟氘燈光源，使紫外光透過被測件并在涂粉面板上成像;

3)調(diào)節(jié)觀察系統(tǒng)，讀取觀察系統(tǒng)可分辨的最小可辨識分劃板刻線，并記錄;

4)去除被測件，使得紫外光直接激發(fā)涂粉靶板，調(diào)節(jié)觀察系統(tǒng)，讀取觀察系統(tǒng)可分辨的最小可辨識分劃板刻線，并記錄。

實(shí)驗(yàn)共對5 片AlGaN 光陰極的分辨力特性進(jìn)行測量，測試結(jié)果如表3所示。

而在去除AlGaN 光陰極后，僅對涂粉面板的極限分辨力進(jìn)行測試時(shí)，讀取的極限分辨力值為112 lp/mm。

根據(jù)測試結(jié)果判斷鋁鎵氮光陰極自身對紫外光有較大的散射。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，熒光屏調(diào)制傳遞函數(shù)滿足公式(6)。

表3 鋁鎵氮光陰極的極限分辨力讀數(shù)Table 3 Limit resolution of AlGaN photocathode

按照式(6)計(jì)算得分辨力為67 lp/mm 時(shí)熒光屏的傳函值為22%，又根據(jù)調(diào)制傳遞函數(shù)為3%時(shí)為人眼的極限分辨力，推算出AlGaN 光陰極在67 lp/mm 時(shí)的傳函值為9%。根據(jù)非衍射限光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整傳遞函數(shù)[6]，可得到AlGaN 光陰極的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)方程，即MTF陰極滿足式(7):

式中:δ為材料特性參數(shù)，為5.2X10-3;f為頻率參數(shù)。

3 鋁鎵氮紫外像增強(qiáng)管前近貼聚焦系統(tǒng)的分辨力特性分析

根據(jù)近貼聚焦系統(tǒng)MTF 的函數(shù)表達(dá)式[10]，像增強(qiáng)管前近貼聚焦系統(tǒng)的MTF 滿足式(8):

式中:ω是與光陰極中載流子散射及最終發(fā)射電子散射特性相關(guān)的參數(shù)。

根據(jù)半導(dǎo)體中載流子輸運(yùn)時(shí)的平均自由程，半導(dǎo)體內(nèi)部激發(fā)光電子每碰撞一次的平均距離約為2～10 nm，單次碰撞能量損失約為0.01 eV。對于GaAs光陰極，其激活層厚度在1.5 μm 左右，因此在垂直于光陰極激活面垂直方向，光電子從激活到發(fā)射約經(jīng)歷150 次碰撞，光電子能量損失約為1.5 eV，而對于沿其他方向輸運(yùn)的光電子，碰撞次數(shù)更多，能量損失更大，因此發(fā)射幾率減小，因此對于GaAs 光陰極，其光電子發(fā)射主要沿光陰極激活面垂直方向，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，GaAs 光陰極光電子發(fā)射可由Lambert 和Beta 模型較好地描述，GaAs 光陰極前近貼靜電聚焦系統(tǒng)對應(yīng)的傳遞函數(shù)表達(dá)式，如式(9)[10]所示:

對于AlGaN 光陰極，其激活層厚度僅為50 nm，光陰極體內(nèi)受光子激發(fā)到導(dǎo)帶中的過熱電子在向真空界面?zhèn)鬏數(shù)倪^程中碰撞次數(shù)遠(yuǎn)小于GaAs 光陰極，故其發(fā)射光電子的能量更大，另外，由于AlGaN 激活層材料生長缺陷較多[12]，載流子在輸運(yùn)過程中散射的概率增加，因此達(dá)到激活層表面的光電子發(fā)射角更加離散，公式(9)不再適用于AlGaN 光陰極，需要對公式(8)中的ω參數(shù)重新進(jìn)行求解。

將公式(4)、(5)、(6)、(7)、(8)代入公式(1)，可得AlGaN 光陰極像增強(qiáng)管的調(diào)制傳遞函數(shù)公式(10):

為獲得AlGaN 光陰極像增強(qiáng)管對應(yīng)的前近貼聚焦系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)表達(dá)式，我們利用極限分辨力與調(diào)制傳遞函數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)制備AlGaN 光陰極像增強(qiáng)管的實(shí)測極限分辨力值推算出ω參數(shù)，并對ω求平均值，求得參數(shù)ω為0.8。為說明該方法計(jì)算參數(shù)ω的準(zhǔn)確性，將該參數(shù)帶入方程(10)，計(jì)算制備AlGaN光陰極像增強(qiáng)管的理論分辨力，并將該值與其實(shí)測值比對，如表4所示。

表4 制備的鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)管極限分辨力對比表Table 4 Comparison table of limit resolution of AlGaN photocathode image intensifier tube

根據(jù)表4，確定的參數(shù)ω可較好地?cái)M合鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)管的極限分辨力實(shí)測值，因此鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)管前近貼聚焦系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表示為下式:

式中:εm為2.07 eV，λ1和λ1為鋁鎵氮像增強(qiáng)管響應(yīng)起始和截止波長。

4 鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)管極限分辨力影響因素分析

利用公式(11)替代公式(10)中的對應(yīng)項(xiàng)，可以求得AlGaN 光陰極像增強(qiáng)管完整的調(diào)制傳遞函數(shù)表達(dá)式，如公式(13):

設(shè)定如下參數(shù)，L1=0.13 mm，φ1=400 V，d=6 μm，L2=0.5 mm，φ2=5000 V，并將這些參數(shù)分別代入公式(2)和公式(13)，可得AlGaN光陰極像增強(qiáng)管和GaAs光陰極像增強(qiáng)管的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，如圖5所示。

圖5 兩種像增強(qiáng)管調(diào)制傳遞函數(shù)曲線對比Fig.5 Comparison of modulation transfer function curves of two image intensifiers

根據(jù)圖5，在相同條件參數(shù)時(shí)，AlGaN 光陰極像增強(qiáng)管的調(diào)制傳遞函數(shù)值明顯小于GaAs 光陰極像增強(qiáng)管的調(diào)制傳遞函數(shù)值，根據(jù)上述章節(jié)的實(shí)驗(yàn)和理論分析，引起AlGaN 光陰極像增強(qiáng)管的調(diào)制傳遞函數(shù)值偏低的原因?yàn)樽贤夤庠贏lGaN 光陰極內(nèi)部傳輸?shù)纳⑸?，及紫外光激發(fā)載流子在AlGaN 激活層的散射和發(fā)射電子散射。為了確定這兩項(xiàng)因素的權(quán)重，特根據(jù)表達(dá)式(8)、(11)，計(jì)算相同空間頻率時(shí)其各自對應(yīng)的調(diào)制傳遞函數(shù)值，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5，隨著頻率增加，MTF1的影響作用變大，當(dāng)空間頻率為40 lp/mm 時(shí)，MTF1的數(shù)值不足MTF陰極的一半，因此可以推斷紫外光激發(fā)載流子在AlGaN激活層的散射和發(fā)射電子散射是引起AlGaN 光陰極像增強(qiáng)管極限分辨力低的主要原因。

5 結(jié)論

本文基于搭建的鋁鎵氮光陰極的紫外光傳輸特性測量裝置，以及本單位制備的鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)管的分辨力測試數(shù)據(jù)，推算確定了鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)管的調(diào)制傳遞函數(shù)方程，并通過對比鋁鎵氮光陰極的紫外光調(diào)制傳遞函數(shù)方程和鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)管的前近貼聚焦系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)方程，確定隨著頻率增加，紫外光激發(fā)載流子在鋁鎵氮激活層的散射和發(fā)射電子散射對鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)管極限分辨力影響作用越大，當(dāng)空間頻率為40 lp/mm 時(shí)，其調(diào)制傳遞函數(shù)值僅為23%，因此，紫外光激發(fā)載流子在鋁鎵氮激活層的散射和發(fā)射電子散射是造成鋁鎵氮光陰極像增強(qiáng)管極限分低的主要原因。

表5 調(diào)制傳遞函數(shù)值對比表Table 5 Correlation table of MTF