鋁鎵氮光陰極像增強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.微光夜視技術重點實驗室，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軍代局駐西安地區第八軍事代表室，陜西 西安 710065)

0 引言

太陽光作為能量最強的自然光源，其直接或間接產生的背景輻射對工作在近地表面的許多光電探測設備都會造成嚴重干擾，但200～320 nm 這段光譜區太陽光輻射到達不了地面，為所謂的"日盲區"，如果讓紫外探測系統工作在光譜區中的紫外波段，就可以使近地表面工作的紫外探測設備避開最強大的自然光源，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]。

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

鋁鎵氮光陰極可通過調節其發射層鋁組分，進而使鋁鎵氮光陰極的禁帶寬度可調，實現鋁鎵氮光陰極的日盲探測[3-4]。鋁鎵氮光電陰極像增強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器由鋁鎵氮光電陰極像增強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管正常工作所需的電壓，而鋁鎵氮光電陰極像增強管的優劣直接決定了鋁鎵氮光電陰極像增強器的性能指標。極限分辨力指標是像增強管的一項重要技術參數，對于微光像增強管，常用調制傳遞函數(modulation transfer function，MTF)來評價其分辨力特性。MTF 包含了對不同空間頻率目標調制度信息的傳遞能力。在光學像質評價中，人們普遍認為調制傳遞函數MTF 是評價成像系統和器件像質的最全面、最客觀的方法，而極限分辨力是器件MTF曲線3%調制度對應的一個空間頻率[8]。鋁鎵氮光陰極像增強管的結構與砷化鎵光陰極像增強管的結構相似，但在相同工藝參數條件下，鋁鎵氮光陰極像增強管的極限分辨力遠小于砷化鎵光陰極的像增強管，且目前對鋁鎵氮光陰極紫外像增強器分辨力研究較少。本文通過實驗和理論結合的方法，對紫外光在鋁鎵氮光陰極中傳輸特性進行了測量，并通過紫外光激發載流子在鋁鎵氮激活層中的散射和發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調制傳遞函數及其前近貼聚焦系統調制傳遞函數，通過對比這兩個調制傳遞函數，確定了導致鋁鎵氮光陰極像增強管極限分辨力降低的主要因素。

1 鋁鎵氮光陰極像增強器結構及其分辨力特性

鋁鎵氮光陰極像增強器由鋁鎵氮光電陰極像增強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管正常工作所需的電壓，而鋁鎵氮光電陰極像增強管的優劣直接決定了鋁鎵氮光電陰極像增強器的各項性能指標。

鋁鎵氮光陰極像增強管為近貼聚焦結構，由光陰極、微通道板(MCP)和熒光屏等部件組成，結構如圖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。

對于近貼聚焦結構的像增強管，常采用調制傳遞函數表示像增強管的分辨力特性，像增強管的調制傳遞函數可由式(1)表示:

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

圖1 像增強管結構示意圖Fig.1 Structure diagram of image intensifier

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

式中:MTF1(f)為前近貼聚焦系統調制傳遞函數，表達式為(3)[8]:

MTFMCP(f)為MCP的調制傳遞函數，表達式為(4)[8]:

式中:d為MCP 的絲芯距尺寸。

MTF2(f)為后近貼聚焦系統的調制傳遞函數，表達式為(5)[8]:

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

MTF屏(f)為熒光屏的調制傳遞函數，表達式為(6)[8]:

鋁鎵氮光陰極光電子發射機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構相似，圖2、圖3為兩種像增強管光陰極的結構示意圖。

鑒于這兩種像增強管結構的相似性，前期在對鋁鎵氮光陰極紫外像增強管分辨力研究時，均借鑒砷化鎵光陰極像增強管的調制傳遞函數方程。按照砷化鎵光陰極像增強管的調制傳遞函數對鋁鎵氮光陰極像增強管的極限分辨力進行計算，可得鋁鎵氮光陰極像管在特定參數條件下其理論極限分辨力如表1所示。

圖2 微光像管光陰極結構示意圖Fig.2 Structure diagram of GaAs photocathode

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

但實際制備的AlGaN 光陰極像增強管，即使其第一近貼距離參數L1達到0.13 mm，像管的其他參數按照表1所述設定，制備像管的分辨力遠低于61 lp/mm的計算值。表2為項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測分辨力值的數據可知，分辨力理論計算值近乎為實測值的2 倍，GaAs 光陰極微光像增強管的調制傳遞函數方程無法直接在AlGaN光陰極像增強管中應用。由于這兩種像增強管的差異僅為光陰極材料的差異，因此對于AlGaN 光陰極像增強管分辨力特性研究時，可借鑒GaAs 光陰極微光像增強管關于MTFMCP(f)、MTF2(f)、MTF屏(f)這3 項數學方程，需要對MTF陰極(f)、MTF1(f)這兩項數學方程重新確定，即紫外光在AlGaN 光陰極內部傳輸的散射特性，及紫外光激發載流子在AlGaN 激活層的散射和發射電子散射需要重新進行研究。

圖3 紫外像管光電陰極結構示意圖Fig.3 Structure diagram of AlGaN photocathode

表1 不同參數時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部散射特性研究

鑒于目前尚無紫外光學調制傳遞函數測量設備，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行評價。針對該項困難，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，通過調節裝置調節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)調節觀察系統，讀取觀察系統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涂粉靶板，調節觀察系統，讀取觀察系統可分辨的最小可辨識分劃板刻線，并記錄。

實驗共對5 片AlGaN 光陰極的分辨力特性進行測量，測試結果如表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行測試時，讀取的極限分辨力值為112 lp/mm。

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

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

按照式(6)計算得分辨力為67 lp/mm 時熒光屏的傳函值為22%，又根據調制傳遞函數為3%時為人眼的極限分辨力，推算出AlGaN 光陰極在67 lp/mm 時的傳函值為9%。根據非衍射限光學系統的調整傳遞函數[6]，可得到AlGaN 光陰極的光學調制傳遞函數方程，即MTF陰極滿足式(7):

式中:δ為材料特性參數，為5.2X10-3;f為頻率參數。

3 鋁鎵氮紫外像增強管前近貼聚焦系統的分辨力特性分析

根據近貼聚焦系統MTF 的函數表達式[10]，像增強管前近貼聚焦系統的MTF 滿足式(8):

式中:ω是與光陰極中載流子散射及最終發射電子散射特性相關的參數。

根據半導體中載流子輸運時的平均自由程，半導體內部激發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，光電子從激活到發射約經歷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的光電子，碰撞次數更多，能量損失更大，因此發射幾率減小，因此對于GaAs 光陰極，其光電子發射主要沿光陰極激活面垂直方向，根據經驗，GaAs 光陰極光電子發射可由Lambert 和Beta 模型較好地描述，GaAs 光陰極前近貼靜電聚焦系統對應的傳遞函數表達式，如式(9)[10]所示:

對于AlGaN 光陰極，其激活層厚度僅為50 nm，光陰極體內受光子激發到導帶中的過熱電子在向真空界面傳輸的過程中碰撞次數遠小于GaAs 光陰極，故其發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]，載流子在輸運過程中散射的概率增加，因此達到激活層表面的光電子發射角更加離散，公式(9)不再適用于AlGaN 光陰極，需要對公式(8)中的ω參數重新進行求解。

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

為獲得AlGaN 光陰極像增強管對應的前近貼聚焦系統的調制傳遞函數表達式，我們利用極限分辨力與調制傳遞函數的對應關系，根據制備AlGaN 光陰極像增強管的實測極限分辨力值推算出ω參數，并對ω求平均值，求得參數ω為0.8。為說明該方法計算參數ω的準確性，將該參數帶入方程(10)，計算制備AlGaN光陰極像增強管的理論分辨力，并將該值與其實測值比對，如表4所示。

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

根據表4，確定的參數ω可較好地擬合鋁鎵氮光陰極像增強管的極限分辨力實測值，因此鋁鎵氮光陰極像增強管前近貼聚焦系統的傳遞函數可表示為下式:

式中:εm為2.07 eV，λ1和λ1為鋁鎵氮像增強管響應起始和截止波長。

4 鋁鎵氮光陰極像增強管極限分辨力影響因素分析

利用公式(11)替代公式(10)中的對應項，可以求得AlGaN 光陰極像增強管完整的調制傳遞函數表達式，如公式(13):

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

圖5 兩種像增強管調制傳遞函數曲線對比Fig.5 Comparison of modulation transfer function curves of two image intensifiers

根據圖5，在相同條件參數時，AlGaN 光陰極像增強管的調制傳遞函數值明顯小于GaAs 光陰極像增強管的調制傳遞函數值，根據上述章節的實驗和理論分析，引起AlGaN 光陰極像增強管的調制傳遞函數值偏低的原因為紫外光在AlGaN 光陰極內部傳輸的散射，及紫外光激發載流子在AlGaN 激活層的散射和發射電子散射。為了確定這兩項因素的權重，特根據表達式(8)、(11)，計算相同空間頻率時其各自對應的調制傳遞函數值，計算結果如表5所示。

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

5 結論

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管的分辨力測試數據，推算確定了鋁鎵氮光陰極像增強管的調制傳遞函數方程，并通過對比鋁鎵氮光陰極的紫外光調制傳遞函數方程和鋁鎵氮光陰極像增強管的前近貼聚焦系統調制傳遞函數方程，確定隨著頻率增加，紫外光激發載流子在鋁鎵氮激活層的散射和發射電子散射對鋁鎵氮光陰極像增強管極限分辨力影響作用越大，當空間頻率為40 lp/mm 時，其調制傳遞函數值僅為23%，因此，紫外光激發載流子在鋁鎵氮激活層的散射和發射電子散射是造成鋁鎵氮光陰極像增強管極限分低的主要原因。

表5 調制傳遞函數值對比表Table 5 Correlation table of MTF