入射光在AlGaAs窗口层界面散射对透射式GaAs光电阴极分辨力的影响.pdf
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1、为研究透射式 GaAs光电阴极在不同波长入射光环境下的图像分辨能力,提出了一种基于散射传递函数的 AlGaAs窗口层界面散射理论模型。制作了透射式 GaAs光电阴极,利用不同波长入射光散射传递函数和点扩散函数变化,基于有参峰信噪比拟合对 AlGaAs窗口层界面散射引起的入射光学图像退化程度进行了定量分析。结果表明,在相同的粗糙度下随着入射光波长的增加,入射光学图像的能量损失越小,成像质量越高,而三代微光像增强器不同波长入射光测试条件下极限分辨力变化趋势与仿真计算结果一致,可为后续提高透射式 GaAs光电阴极分辨力提供了技术支撑。关键词:光电阴极;GaAs;散射传递函数;波长;粗糙度;分辨力中图
2、分类号:TN233 文献标识码:A doi:10.3788/gzxb20235208.08120010 引言负电子亲和势(Negative Electron Affinity,NEA)GaAs光电阴极是目前最有前景的-半导体光电阴极,在微光夜视、激光距离选通成像、激光定位等领域有广泛的应用1-5。根据透射式 NEA GaAs光电阴极的光电发射理论6-7,入射光携带的光学图像需要先经过 AlGaAs窗口层,才能被 GaAs光电发射层吸收并转化为光电子图像。因此对于透射式 NEA GaAs光电阴极,光子和光电子在传输过程中的空间弥散均会直接影响光电阴极的分辨力,空间弥散越小,光电阴极的分辨力则越高
3、。研究者们主要针对光电子空间弥散对透射式 NEA GaAs光电阴极的影响开展了研究8-10。结果表明,光电子的电离受主散射是其向阴极表面输运过程中发生横向扩散的主要原因,与光电发射层的厚度、电子扩散长度和掺杂浓度等参数密切相关11-12。通过变掺杂或变组分结构设计引入的能带变化可形成一个有利于光电子向阴极表面输运的内建电场,从而减小光电子的横向扩散,提高光电阴极的分辨力。然而,在入射光子转化为光电子之前,入射光在 AlGaAs窗口层界面散射不可避免会导致能量的损失,降低光学图像的分辨力,并将传递给后级光电子图像,从而进一步恶化透射式 NEA GaAs光电阴极分辨力。基于目前透射式 NEA Ga
4、As光电阴极的 AlGaAs窗口层界面散射分析缺少理论模型支撑的现状,本文设计了一种基于散射传递函数(Scattering Surface Transfer Function,STF)的 AlGaAs窗口层界面散射分析模型,仿真得到在相同表面粗糙度下不同波长入射光的 STF 和点扩散函数(Point Spread Function,PSF),并利用有参峰信噪比反映 AlGaAs窗口层界面散射导致的光学图像退化程度,进一步对不同入射光条件下三代微光像增强器的极限分辨力进行测试试验,验证分析模型的有效性。引用格式:GUO Xin,SHI Feng,JIA Tiantian,et al.Effect
5、 of Incident Light Scattering at AlGaAs Window Layer Interface on Resolution of Transmission-mode GaAs Photocathode J.Acta Photonica Sinica,2023,52(8):0812001郭欣,石峰,贾甜甜,等.入射光在 AlGaAs窗口层界面散射对透射式 GaAs光电阴极分辨力的影响 J.光子学报,2023,52(8):0812001基金项目:国家自然科学基金(No.61771245),国防工业技术发展计划(No.JCKY2018208B016)第一作者:郭欣,通讯
6、作者:石峰,收稿日期:2022 12 05;录用日期:2023 01 16http:/光子学报081200121 AlGaAs窗口层界面散射模型GaAs光电阴极材料采用多层异质外延材料,主要包括 GaAs衬底、AlGaAs腐蚀阻挡层、GaAs光电发射层、AlGaAs 窗口层和 GaAs 盖层,典型结构如图 1(a)所示。其中,设计 GaAs 盖层的目的主要是为了避免GaAs光电阴极材料可能发生的化学污染和机械损伤。因此,在制备透射式 GaAs光电阴极时,需要采用湿法化学蚀刻去除 GaAs光电阴极材料表面的 GaAs盖层,露出 AlGaAs窗口层,然后制备一层光学增透膜,如图 1(b)所示。由于
7、 AlGaAs窗口层存在一定的表面粗糙度,故入射光传输过程中会在该界面发生散射,如图 1(c)所示。假设 AlGaAs窗口层粗糙表面随机、高度服从高斯分布且入射光线垂直入射时,STF的计算公式为13-14STF=exp-(4)2|1-ACV(x,y )2|(1)式中,为AlGaAs窗口层粗糙表面高度分布标准差,2表示粗糙表面高度分布方差,ACV(x,y )表示二维表面自相关函数,系数x=x/,y=y/,x和 y为 AlGaAs窗口层的二维方向的长度,表示入射光波长。对于粗糙表面随机、高度服从高斯分布的 AlGaAs窗口层粗糙表面,二维表面自相关函数表示粗糙表面任意两点之间的关联程度,其定义为1
8、5ACV(x,y )=2()1/exp()x l2x+y l2y(2)式中,lx和ly分别表示 x和 y方向上的相关长度。而相关长度进一步可以通过相关系数计算求解,即15(x,y)=E z(x,y)z(x+x,y+y)2(3)相关系数(x,y)=1/e时的x、y为表面相关长度,记为lx和ly;z(x,y)为(x,y)位置处的起伏高度值。将二维粗糙表面特征参数代入至式(1),得到关于 AlGaAs窗口层表面处的 STFAlGaAs表达式为图 1GaAs光电阴极制作工艺及 AlGaAs窗口层界面散射示意图Fig.1GaAs photocathode fabrication process and
9、AlGaAs window layer interface scattering diagram郭欣,等:入射光在 AlGaAs窗口层界面散射对透射式 GaAs光电阴极分辨力的影响08120013STFAlGaAs=exp-(4)2|1-exp()xl2x+yl2y|(4)2 结果和分析2.1AlGaAs窗口层粗糙表面自相关函数计算利用湿法化学蚀刻去除 GaAs光电阴极材料表面的 GaAs盖层,暴露出 AlGaAs窗口层。然后采用原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)(BRUKER MULTIMODE)测试了 AlGaAs窗口层的表面粗糙度。测试使用的工作模式为
10、轻叩模式,测试面积为 100 m100 m,分辨率为 256256,结果如图 2(a)所示。测试结果表明,AlGaAs窗口层表面的平均粗糙度 Ra为 0.51 nm,均方根粗糙度 Rq为 1.25 nm。将表面粗糙度矢高分布直方图进行拟合,如图2(b)所示,可以看出其表面粗糙度分布近似满足高斯分布,因此可以用统计光学理论研究AlGaAs窗口层表面粗糙度对成像质量的影响,并为后续高斯粗糙表面15的模拟提供条件。根据已知测试结果得到窗口层粗糙表面标准差值=1.25 nm,且其高斯表面分布呈各向同性,则计算得到的自相关长度lx=ly=3。给予不同的相关长度与均方根粗糙度可以获得不同程度的面型分布,如
11、图3所示。图 2AlGaAs窗口层表面粗糙度分布情况Fig.2Surface roughness distribution of AlGaAs window layer图 3高斯分布粗糙表面模拟结果Fig.3Gaussian distribution rough surface simulation result光子学报081200142.2散射传递函数和点扩散函数的计算为了探讨入射光波长对 STF 和 PSF 的影响,将入射光的波长分别设置为 530 nm、700 nm 和 830 nm,并计算了对应波长下 AlGaAs窗口层粗糙表面的 STF,如图 4所示。可以发现,随着入射光波长从 55
12、0 nm 逐步增大至 850 nm,STF 曲线所包围的积分面积也逐渐增大。这表明,在 AlGaAs窗口层表面均方根高度一定时,随着入射光波长的降低,入射光的散射将逐渐变强,STF 的减少表明光学图像信息的容量越小,成像越模糊。对 STF 函数进行 Fourier逆变换得出粗糙表面的点扩散函数 PSF,图 5(a)(c)为不同波长下 AlGaAs窗口层粗糙表面点扩散函数对比图。结果表明,随着入射波长的增加,其点扩散函数中心值增大,即光学图像像面中心能量越集中。此外,在点扩散函数中心以外的小范围内,其值随着波长的减小而增大,且随着半径的逐渐增大,其值的减小速率也逐渐降低,说明光学图像像面的能量随
13、着波长的降低而向外转移,产生亮度逐步增加且尺寸逐步变大的光斑。分析可知,入射光波长的增加可提高能量在光学图像像面上的凝聚能力,入射光波长越大,则能量分布越集中,成像质量越好。为了定量分析不同入射光波长在 AlGaAs窗口层粗糙表面上散射所对应的图像退化程度,采用参数均方误差和参数峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio,PSNR)对图像质量进行评价。峰值信噪比 PSNRR公式为16-17PSNRR=10 log10 K2MSER=10 log10 N M K2i=1Mj=1Nf()i,j-f()i,j2(5)式中,K 表示数字图像的量化位数,MN 为图像尺寸,MSER为
14、图像有参均方误差,表示退化图像与原始图像之间的差异,f(i,j)为原始图像,f(i,j)为退化后图像。PSNRR数值越大,表示退化图像与原图像差异越图 4不同入射波长下 AlGaAs窗口层粗糙表面的 STF函数Fig.4STF function of AlGaAs surface window layer rough surface at different incident wavelengths郭欣,等:入射光在 AlGaAs窗口层界面散射对透射式 GaAs光电阴极分辨力的影响08120015小,成像越清晰。将分辨力靶图像与 AlGaAs 窗口层粗糙表面的点扩散函数进行卷积,获得退化后的图
15、像如图 6 所示。可以看出,不同的入射光波长对应图像退化程度不同,入射光波长从 530 nm 增加到 830 nm,图像退化后的PSNRR可由 26.31增加到 27.65,提高 5.1%。即在相同的表面粗糙度下,入射光波长越长,AlGaAs窗口层粗糙表面散射对于成像质量的影响越小,退化图像与原始图像的差值越小,图像越清晰。故对于透射式 NEA GaAs光电阴极而言,需要不断降低 AlGaAs窗口层表面粗糙度以匹配 400900 nm 波段内高分辨成像的应用需求。图 5不同入射波长下 AlGaAs窗口层粗糙表面的点扩散函数Fig.5Point spread function of AlGaAs
16、 surface window layer rough surface at different incident wavelengths图 6不同波长下的 PSNRR计算值Fig.6Calculated values of PSNRR at different wavelengths光子学报081200162.3三代微光像增强器极限分辨力测试结果如图 7所示,对理论模型进行实验验证,仪器包括光源、平行光管、成像物镜、三代微光像增强器和显微目镜等。卤钨灯发出白光,经过滤光片组并穿过平行光管后穿过测试靶并将分辨力靶图案投射在被测三代微光像增强器的 GaAs光电阴极输入面,通过观察显微目镜上的线对
17、数量得出相应的分辨力。通过调节滤光片,对同一像管进行不同波长下的分辨力测试,测试波长选择为全光谱、530 nm、830 nm,测试结果如表 1所示。从实际测量结果显示全光谱下像管分辨力处于较低值,入射波长为 830 nm 时的分辨力值优于 530 nm,该实验结果与计算结果变化趋势保持一致,证明理论计算模型精确性和泛化能力较好。3 结论基于散射传递函数模型,分别计算了在 530 nm、700 nm 和 830 nm 波长条件下,入射光在三代微光像增强器光阴极 AlGaAs窗口层的界面散射,得到了像增强器分辨力与入射光散射的对应关系。在相同表面粗糙度条件下,850 nm 波长的入射光散射传递函数
18、所围面积最大,散射降解后的图像信噪比最高,说明入射光学图像的能量损失最小,光学图像的信息容量最高,成像质量最好。进一步通过实验对理论模型进行了验证,对同一像增强器,入射波长为 830 nm 时测得的分辨力优于 530 nm 波长的入射光,测试结果与理论计算模型结果保持一致,验证了计算模型的准确性。研究结果对于探索提高透射式 NEA GaAs光电阴极的空间分辨能力有一定的参考价值。参考文献1 LIU Jian,GUO Yiliang,FENG Cheng,et al.Improved preparation techniques for preparing high-performance Ga
19、As photocathodes J.Applied Optics,2020,59(27):8147-8151.2 CHRZANOWSKI K.Review of night vision technology J.Opto-Electronics Review,2013,21(2):153-181.3 KARKARE S,BOULET L,CULTRERA L,et al.Ultrabright and ultrafast -semiconductor photocathodes J.Physical Review Letters,2014,112(9):097601.4 FENG Chen
20、g,ZHANG Yijun,QIAN Yunsheng,et al.Improved quantum efficiency and stability of GaAs photocathode using favorable illumination during activation J.Ultramicroscopy,2019,202:128-132.5 JIN Xiuguang,OHKI S,ISHIKAWA T,et al.Analysis of quantum efficiency improvement in spin-polarized photocathodeJ.Journal
21、 of Applied Physics,2016,120:164501.6 JIAO Gangcheng,ZHANG Kaimin,ZHANG Yijun,et al.Effect of improved yo-yo Cs/O alternate activation method on stability of GaAs photocathode J.Acta Photonic Sinica,2022,51(2):0212001.焦岗成,张锴珉,张益军,等.改进“yo-yo”Cs/O 交替激活方法对 GaAs光阴极稳定性影响 J.光子学报,2022,51(2):0212001.图 7分辨力实
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