一種利用超快超強(qiáng)激光激發(fā)碳納米管產(chǎn)生超快電子的裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用超快超強(qiáng)激光激發(fā)碳納米管產(chǎn)生超快電子的裝置，包括電子發(fā)射源、激發(fā)光源和光聚焦系統(tǒng)，所述電子發(fā)射源包括碳納米管發(fā)射體和用于制備所述碳納米管的陰極襯底；所述電子發(fā)射源陰極設(shè)置于真空腔內(nèi)的一端，所述真空腔內(nèi)的另一端設(shè)置收集電子的陽(yáng)極，所述真空腔設(shè)有供激光入射的入射窗；所述光源為超快超強(qiáng)脈沖激光器，用于發(fā)射超快超強(qiáng)激光脈沖；所述光學(xué)聚焦系統(tǒng)包括半波片、偏振片和聚焦透鏡，所述光學(xué)聚焦系統(tǒng)對(duì)超快超強(qiáng)激光脈沖進(jìn)行聚焦；所述超快超強(qiáng)激光脈沖依次經(jīng)過(guò)半波片、偏振片和聚焦透鏡聚焦；所述超快超強(qiáng)激光脈沖聚焦后經(jīng)所述入射窗匯聚至所述碳納米管尖端區(qū)域激發(fā)碳納米管產(chǎn)生超快超強(qiáng)電子脈沖。
【專利說(shuō)明】
一種利用超快超強(qiáng)激光激發(fā)碳納米管產(chǎn)生超快電子的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及真空電子發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超快超強(qiáng)激光激發(fā)碳納米管產(chǎn)生超快電子的裝置
【背景技術(shù)】
[0002]自上世紀(jì)后期，超快超強(qiáng)激光器的誕生使得超快分子動(dòng)力學(xué)成為研究的熱點(diǎn)，起初對(duì)于超快過(guò)程的探究大多采用時(shí)間分辨反射/透射光譜或拉曼光譜等全光學(xué)方法。這些方法固然能探測(cè)到原子分子結(jié)構(gòu)變化的信息，但光譜與原子分子結(jié)構(gòu)信息之間的關(guān)系至今仍未有全面的解釋，這無(wú)疑增大了對(duì)瞬態(tài)快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中結(jié)構(gòu)變化信息的分析難度。此夕卜，受到材料光學(xué)性質(zhì)的影響，這些方法的適用范圍有很大的局限性。而超快電子顯微/衍射技術(shù)恰恰彌補(bǔ)了這一不足，可以直觀反映分子結(jié)構(gòu)，為直接研究某些復(fù)雜的超快反應(yīng)過(guò)程提供了強(qiáng)有力的工具。由于超快電子顯微鏡技術(shù)同時(shí)具有空間分辨率和時(shí)間分辨率高的巨大優(yōu)勢(shì)，逐漸成為研究物理、化學(xué)、生物以及材料科學(xué)中許多基本現(xiàn)象和機(jī)理的重要技術(shù)手段。
[0003]超快電子源是上述先進(jìn)科學(xué)裝備的核心部件，主要是將超快激光引入到電子槍陰極，激發(fā)超快光電子脈沖的發(fā)射。超快電子實(shí)驗(yàn)中，時(shí)間分辨率決定了電子團(tuán)的長(zhǎng)度，很多實(shí)驗(yàn)要求電子束團(tuán)短至百超快超強(qiáng)以下并含有足夠數(shù)量的電子，才能達(dá)到足夠的成像對(duì)比度。目前用于超快電子源的材料主要有:1.金屬材料，存在亮度低、電流小、所需光強(qiáng)大等瓶頸問(wèn)題。2.低功函數(shù)半導(dǎo)體材料，存在可承受的光功率低，制備工藝復(fù)雜，真空度要求高，容易被污染等缺點(diǎn)。
[0004]與上述材料相比，碳納米管具有尖端半徑小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、耐高溫、導(dǎo)電性好、局域電子態(tài)等特點(diǎn)，由此帶來(lái)場(chǎng)增強(qiáng)因子大、功函數(shù)低、發(fā)射電流大等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)秀的電子發(fā)射電子發(fā)射材料。因此，本發(fā)明提出一種超快超強(qiáng)激光器激發(fā)碳納米管產(chǎn)生超快電子的電子源裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種超快超強(qiáng)激光激發(fā)碳納米管產(chǎn)生超快電子的裝置，包括電子發(fā)射源陰極、激發(fā)光源和光調(diào)制系統(tǒng)，所述電子發(fā)射源陰極包括高亮度碳納米管和用于制備所述碳納米管的陰極襯底；
[0006]所述電子發(fā)射源陰極設(shè)置于真空腔內(nèi)一端，所述真空腔內(nèi)另一端設(shè)置收集電子的陽(yáng)極，所述真空腔設(shè)有供激光入射的入射窗；
[0007]所述光源為超快超強(qiáng)脈沖激光器，所述超快超強(qiáng)脈沖激光器用于發(fā)射超快超強(qiáng)激光脈沖;所述光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)包括半波片、偏振片和聚焦透鏡，所述光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)對(duì)超快超強(qiáng)激光脈沖的峰值功率、偏振方向、焦點(diǎn)大小等參數(shù)進(jìn)行調(diào)制；
[0008]所述超快超強(qiáng)激光脈沖依次經(jīng)過(guò)半波片、偏振片和聚焦透鏡聚焦;所述超快超強(qiáng)激光脈沖聚焦后經(jīng)所述入射窗匯聚至所述碳納米管尖端區(qū)域激發(fā)碳納米管產(chǎn)生超快超強(qiáng)電子脈沖。
[0009]優(yōu)選地，所述碳納米管尖端半徑小于20nm，所述碳納米管長(zhǎng)徑比大于100。
[0010]優(yōu)選地，所述碳納米管排列成碳納米管陣列。
[0011]優(yōu)選地，所述碳納米管陣列是單根碳納米管陣列。
[0012]優(yōu)選地，所述碳納米管陣列是碳納米管簇陣列。
[0013]優(yōu)選地，所述超快超強(qiáng)脈沖激光器中心波長(zhǎng)為800nm，輸出功率為30mW，重復(fù)頻率為80MHz。
[0014]優(yōu)選地，所述超快超強(qiáng)激光脈沖入射方向與所述電子發(fā)射源碳納米管尖端豎直方向夾角在0-90°之間。
[0015]本發(fā)明所提供的一種超快超強(qiáng)激光激發(fā)碳納米管產(chǎn)生超快電子的裝置，采用超快超強(qiáng)激光脈沖激發(fā)碳納米管，產(chǎn)生飛秒或者亞飛秒量級(jí)電子脈沖。同時(shí)，采用碳納米管作為電子發(fā)射源陰極，克服采用金屬材料作為陰極所需光強(qiáng)度大、發(fā)射電流小、亮度低的缺點(diǎn)。
[0016]應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。
【附圖說(shuō)明】
[0017]參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中:
[0018]圖1示意性示出了本發(fā)明一種超快超強(qiáng)激光激發(fā)碳納米管產(chǎn)生超快電子的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2示意性示出了本發(fā)明超快超強(qiáng)脈沖激光激發(fā)碳納米管尖端產(chǎn)生超快電子的示意圖；
[0020]圖3示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中單根碳納米管陣列示意圖；
[0021]圖4示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中激光功率與激發(fā)電流關(guān)系圖；
[0022]圖5示出了本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中單根碳納米管陳列示意圖；
[0023]圖6示出了本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中激光功率與激發(fā)電流關(guān)系圖；
[0024]圖7示出了本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例中碳納米管簇陣列示意圖；
[0025]圖8示出了本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中激光功率與激發(fā)電流關(guān)系圖；
[0026]圖9示出了本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例中碳納米管簇陣列示意圖；
[0027]圖10示出了本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例中激光功率與激發(fā)電流關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開(kāi)的示范性實(shí)施例;可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書(shū)的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。
[0029]在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
[0030]實(shí)施例1
[0031]如圖1所示本發(fā)明一種超快超強(qiáng)激光激發(fā)碳納米管產(chǎn)生超快電子的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。所述電子源裝置包括電子發(fā)射源陰極、激發(fā)光源和光調(diào)制系統(tǒng)，所述電子發(fā)射源陰極包括碳納米管101和用于制備所述碳納米管的陰極襯底102。電子發(fā)射源陰極設(shè)置于真空腔111內(nèi)，位于真空腔內(nèi)一端;真空腔的另一端設(shè)置收集電子的陽(yáng)極109;所述真空腔111設(shè)有供激光入射的入射窗1 8。陰極發(fā)射超快電子脈沖110，在真空腔內(nèi)傳播，在陽(yáng)極109—端收集。優(yōu)選地，本發(fā)明產(chǎn)生的超快電子的裝置可用于電子顯微鏡系統(tǒng)，也可用于電子衍射系統(tǒng)。需要說(shuō)明的是，實(shí)施例中所說(shuō)真空腔為示意性的事例，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明所述真空腔可用于所有可用到電子源的設(shè)備上。
[0032]本發(fā)明中光源采用超快超強(qiáng)脈沖激光器103，所述超快超強(qiáng)脈沖激光器103中心波長(zhǎng)為800nm，輸出功率為30mW，重復(fù)頻率為80MHz，所述超快超強(qiáng)脈沖激光器103用于發(fā)射超快超強(qiáng)激光脈沖106。出于說(shuō)明的目的，本實(shí)施例以及下述實(shí)施例中超快超強(qiáng)脈沖激光器為飛秒激光器，對(duì)于激光器的選擇本發(fā)明中不做具體限制，根據(jù)實(shí)際電子設(shè)備的需要，采用不同中心波長(zhǎng)、輸出功率和重復(fù)頻率的超快超強(qiáng)激光器。
[0033]所述光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)包括半波片104、偏振片105和聚焦透鏡107，半波片104、偏振片105和聚焦透鏡107依次布置于超快超強(qiáng)激光器103與真空腔111之間。光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)對(duì)超快超強(qiáng)激光脈沖106的峰值功率、偏振方向、焦點(diǎn)大小等參數(shù)進(jìn)行調(diào)制。
[0034]本發(fā)明提供的超快超強(qiáng)脈沖激光激發(fā)碳納米管產(chǎn)生超快電子的裝置，通過(guò)超快超強(qiáng)脈沖激光器103發(fā)射超快超強(qiáng)激光脈沖106，超快超強(qiáng)激光脈沖傳播過(guò)程中，依次經(jīng)過(guò)半波片104、偏振片105和聚焦透鏡106進(jìn)行聚焦，聚焦后的超快超強(qiáng)激光脈沖106穿過(guò)真空腔入射窗108與真空腔一端制備的碳納米管101作用，產(chǎn)生超短電子團(tuán)。圖2所示，本發(fā)明超快超強(qiáng)脈沖激光激發(fā)碳納米管尖端產(chǎn)生超快電子的示意圖，超快超強(qiáng)激光脈沖經(jīng)光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制后以一定角度匯聚于碳納米管尖端區(qū)域，超快超強(qiáng)激光脈沖入射方向與碳納米管101尖端豎直方向成一定角度112，所述角度在0-90°之間。優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，采用超快超強(qiáng)激光脈沖入射方向與碳納米管尖端豎直方向成60°。
[0035]實(shí)施例2
[0036]本實(shí)施例具體說(shuō)明碳納米管與碳納米管陰極襯底的布置方式，本實(shí)施中，碳納米管尖端半徑小于20nm，碳納米管長(zhǎng)徑比大于100。如圖3所示，本實(shí)施例中單根碳納米管陣列示意圖，在陰極襯底202b上制備單根碳納米管陣列，優(yōu)選地，碳納米管尖端213b半徑約為1nm;碳納米管201b長(zhǎng)度約為5μηι。
[0037]超快超強(qiáng)激光脈沖經(jīng)光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制后以一定角度匯聚于碳納米管尖端區(qū)域，超快超強(qiáng)激光脈沖入射方向與碳納米管尖端豎直方向成0-90°。優(yōu)選地，本實(shí)施例中采用超快超強(qiáng)激光脈沖入射方向與碳納米管尖端豎直方向成60°。經(jīng)聚焦超快超強(qiáng)激光脈沖匯聚于碳納米管尖端區(qū)域，強(qiáng)度增大，一方面，當(dāng)電子吸收足夠的光子能量之后，可以超越勢(shì)皇向真空逸出；另一方面，強(qiáng)激光光場(chǎng)可以壓縮碳納米管尖端的真空勢(shì)皇，當(dāng)勢(shì)皇寬度與電子波長(zhǎng)相近時(shí)，碳納米管電子隧穿勢(shì)皇而逸出。本發(fā)明實(shí)施例中，產(chǎn)生的電子為超快超強(qiáng)量級(jí)電子脈沖，如圖4所示，本實(shí)施例中激光功率與激發(fā)產(chǎn)生電流關(guān)系圖。
[0038]實(shí)施例3
[0039]本實(shí)施例具體說(shuō)明碳納米管與碳納米管陰極襯底的布置方式，本實(shí)施碳納米管尖端半徑小于20nm，碳納米管長(zhǎng)徑比大于100。如圖5所示，本實(shí)施例中單根碳納米管陣列示意圖，碳納米管以單根方式制備，陣列于陰極襯底202a上，優(yōu)選地，碳納米管尖端213a半徑約為5nm;碳納米管201a長(zhǎng)度約為ΙΟμπι。
[0040]超快超強(qiáng)激光脈沖經(jīng)光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制后以一定角度匯聚于碳納米管尖端區(qū)域，超快超強(qiáng)激光脈沖入射方向與碳納米管尖端豎直方向成O - 90°，優(yōu)選地，本實(shí)施例中采用超快超強(qiáng)激光脈沖入射方向與碳納米管尖端豎直方向成60°。經(jīng)聚焦超快超強(qiáng)激光脈沖匯聚于碳納米管尖端區(qū)域，強(qiáng)度增大，一方面，當(dāng)電子吸收足夠的光子能量之后，可以超越勢(shì)皇向真空逸出；另一方面，強(qiáng)激光光場(chǎng)可以壓縮碳納米管尖端的真空勢(shì)皇，當(dāng)勢(shì)皇寬度與電子波長(zhǎng)相近時(shí)，碳納米管電子隧穿勢(shì)皇而逸出。本發(fā)明實(shí)施例中，產(chǎn)生的電子為超快超強(qiáng)量級(jí)電子脈沖，如圖6所示，本實(shí)施例中激光功率與激發(fā)產(chǎn)生電流關(guān)系圖。本實(shí)施例與實(shí)施例2相比，在相同的激光功率下，采用更細(xì)的碳納米管尖端激發(fā)電子，得到電子團(tuán)束更短，電子數(shù)目更多，亮度更高。
[0041 ] 實(shí)施例4
[0042]本實(shí)施具體說(shuō)明碳納米管與碳納米管陰極襯底的另一種布置方式，本實(shí)施碳納米管尖端半徑小于20nm，碳納米管長(zhǎng)徑比大于100。如圖7所示，本實(shí)施例中碳納米管簇陣列示意圖，碳納米管制備成談納米管簇314b，陣列于陰極襯底302b上，優(yōu)選地，碳納米管簇中碳納米管尖端313b半徑約為1nm;碳納米管長(zhǎng)度約為5μηι。
[0043]超快超強(qiáng)激光脈沖經(jīng)光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制后以一定角度匯聚于碳納米管尖端區(qū)域，超快超強(qiáng)激光脈沖入射方向與碳納米管尖端豎直方向成O - 90°，優(yōu)選地，本實(shí)施例中采用超快超強(qiáng)激光脈沖入射方向與碳納米管尖端豎直方向成60°。經(jīng)聚焦超快超強(qiáng)激光脈沖匯聚于碳納米管尖端區(qū)域，強(qiáng)度增大，一方面，當(dāng)電子吸收足夠的光子能量之后，可以超越勢(shì)皇向真空逸出；另一方面，強(qiáng)激光光場(chǎng)可以壓縮碳納米管尖端的真空勢(shì)皇，當(dāng)勢(shì)皇寬度與電子波長(zhǎng)相近時(shí)，碳納米管電子隧穿勢(shì)皇而逸出。。本發(fā)明實(shí)施例中，產(chǎn)生的電子為超快超強(qiáng)量級(jí)電子脈沖，如圖8所示，本實(shí)施例中激光功率與激發(fā)產(chǎn)生電流關(guān)系圖。
[0044]實(shí)施例5
[0045]本實(shí)施具體說(shuō)明碳納米管與碳納米管陰極襯底的又一種布置方式，本實(shí)施碳納米管尖端半徑小于20nm，碳納米管長(zhǎng)徑比大于100。如圖9所示，本實(shí)施例中碳納米管簇陣列示意圖，碳納米管制備成碳納米管簇314a，陣列于陰極襯底302a上，優(yōu)選地，碳納米管簇中碳納米管尖端313a半徑約為5nm;碳納米管長(zhǎng)度約為ΙΟμπι。
[0046]超快超強(qiáng)激光脈沖經(jīng)光學(xué)聚焦系統(tǒng)聚焦后以一定角度匯聚于碳納米管尖端區(qū)域，超快超強(qiáng)激光脈沖入射方向與碳納米管尖端豎直方向成O - 90°，優(yōu)選地，本實(shí)施例中采用超快超強(qiáng)激光脈沖入射方向與碳納米管尖端豎直方向成60°。經(jīng)聚焦超快超強(qiáng)激光脈沖匯聚于碳納米管尖端區(qū)域，強(qiáng)度增大，一方面，當(dāng)電子吸收足夠的光子能量之后，可以超越勢(shì)皇向真空逸出；另一方面，強(qiáng)激光光場(chǎng)可以壓縮碳納米管尖端的真空勢(shì)皇，當(dāng)勢(shì)皇寬度與電子波長(zhǎng)相近時(shí)，碳納米管電子隧穿勢(shì)皇而逸出。。本發(fā)明實(shí)施例中，產(chǎn)生的電子為超快超強(qiáng)量級(jí)電子脈沖，如圖10所示，本實(shí)施例中激光功率與激發(fā)產(chǎn)生電流關(guān)系圖。本實(shí)施例與實(shí)施例4相比，在相同的激光功率下，采用更細(xì)的碳納米管尖端激發(fā)電子，得到電子團(tuán)束更短，電子數(shù)目更多，亮度更高。
[0047]結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說(shuō)明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用超快超強(qiáng)激光激發(fā)碳納米管產(chǎn)生超快電子的裝置，包括電子發(fā)射源陰極、激發(fā)光源和光調(diào)制系統(tǒng)，其特征在于，所述電子發(fā)射源陰極包括碳納米管發(fā)射體和用于制備所述碳納米管的陰極襯底； 所述電子發(fā)射源陰極設(shè)置于真空腔內(nèi)一端，所述真空腔內(nèi)另一端設(shè)置收集電子的陽(yáng)極，所述真空腔設(shè)有供激光入射的入射窗； 所述光源為超快超強(qiáng)脈沖激光器，所述超快超強(qiáng)脈沖激光器用于發(fā)射超快超強(qiáng)激光脈沖;所述光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)包括半波片、偏振片和聚焦透鏡等，所述光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)對(duì)超快超強(qiáng)激光脈沖的強(qiáng)度、偏振、焦點(diǎn)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)制； 所述超快超強(qiáng)激光脈沖依次經(jīng)過(guò)半波片、偏振片和聚焦透鏡聚焦等光學(xué)元件;所述超快超強(qiáng)激光脈沖調(diào)制后經(jīng)所述入射窗匯聚至所述碳納米管尖端區(qū)域激發(fā)碳納米管產(chǎn)生超快超強(qiáng)電子脈沖。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子源裝置，其特征在于，所述碳納米管尖端半徑小于20nm，所述碳納米管長(zhǎng)徑比大于100。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子源裝置，其特征在于，所述碳納米管排列成碳納米管陣列。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子源裝置，其特征在于，所述碳納米管陣列是單根碳納米管陣列。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子源裝置，其特征在于，所述碳納米管陣列是碳納米管簇陣列。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子源裝置，其特征在于，所述超快超強(qiáng)脈沖激光器中心波長(zhǎng)為800nm，輸出功率為30mW，重復(fù)頻率為80MHz。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子源裝置，其特征在于，所述超快超強(qiáng)激光脈沖入射方向與所述電子發(fā)射源碳納米管尖端豎直方向夾角在0-90°之間。
【文檔編號(hào)】H01J1/304GK106024551SQ201610404988
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日
【發(fā)明人】李馳, 周旭, 李振軍, 白冰, 劉開(kāi)輝, 戴慶
【申請(qǐng)人】北京英徽科技有限公司