一种利用超快超强激光激发碳纳米管产生超快电子的装置

摘要

本发明提供了一种利用超快超强激光激发碳纳米管产生超快电子的装置，包括电子发射源、激发光源和光聚焦系统，所述电子发射源包括碳纳米管发射体和用于制备所述碳纳米管的阴极衬底；所述电子发射源阴极设置于真空腔内的一端，所述真空腔内的另一端设置收集电子的阳极，所述真空腔设有供激光入射的入射窗；所述光源为超快超强脉冲激光器，用于发射超快超强激光脉冲；所述光学聚焦系统包括半波片、偏振片和聚焦透镜，所述光学聚焦系统对超快超强激光脉冲进行聚焦；所述超快超强激光脉冲依次经过半波片、偏振片和聚焦透镜聚焦；所述超快超强激光脉冲聚焦后经所述入射窗汇聚至所述碳纳米管尖端区域激发碳纳米管产生超快超强电子脉冲。

说明书

技术领域

本发明涉及真空电子发射技术领域，特别涉及一种超快超强激光激发碳纳米管产生超快电子的装置

背景技术

自上世纪后期，超快超强激光器的诞生使得超快分子动力学成为研究的热点，起初对于超快过程的探究大多采用时间分辨反射/透射光谱或拉曼光谱等全光学方法。这些方法固然能探测到原子分子结构变化的信息，但光谱与原子分子结构信息之间的关系至今仍未有全面的解释，这无疑增大了对瞬态快速反应动力学中结构变化信息的分析难度。此外，受到材料光学性质的影响，这些方法的适用范围有很大的局限性。而超快电子显微/衍射技术恰恰弥补了这一不足，可以直观反映分子结构，为直接研究某些复杂的超快反应过程提供了强有力的工具。由于超快电子显微镜技术同时具有空间分辨率和时间分辨率高的巨大优势，逐渐成为研究物理、化学、生物以及材料科学中许多基本现象和机理的重要技术手段。

超快电子源是上述先进科学装备的核心部件，主要是将超快激光引入到电子枪阴极，激发超快光电子脉冲的发射。超快电子实验中，时间分辨率决定了电子团的长度，很多实验要求电子束团短至百超快超强以下并含有足够数量的电子，才能达到足够的成像对比度。目前用于超快电子源的材料主要有：1.金属材料，存在亮度低、电流小、所需光强大等瓶颈问题。2.低功函数半导体材料，存在可承受的光功率低，制备工艺复杂，真空度要求高，容易被污染等缺点。

与上述材料相比，碳纳米管具有尖端半径小、结构稳定性高、耐高温、导电性好、局域电子态等特点，由此带来场增强因子大、功函数低、 发射电流大等优点，是一种优秀的电子发射电子发射材料。因此，本发明提出一种超快超强激光器激发碳纳米管产生超快电子的电子源装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超快超强激光激发碳纳米管产生超快电子的装置，包括电子发射源阴极、激发光源和光调制系统，所述电子发射源阴极包括高亮度碳纳米管和用于制备所述碳纳米管的阴极衬底；

所述电子发射源阴极设置于真空腔内一端，所述真空腔内另一端设置收集电子的阳极，所述真空腔设有供激光入射的入射窗；

所述光源为超快超强脉冲激光器，所述超快超强脉冲激光器用于发射超快超强激光脉冲；所述光学调制系统包括半波片、偏振片和聚焦透镜，所述光学调制系统对超快超强激光脉冲的峰值功率、偏振方向、焦点大小等参数进行调制；

所述超快超强激光脉冲依次经过半波片、偏振片和聚焦透镜聚焦；所述超快超强激光脉冲聚焦后经所述入射窗汇聚至所述碳纳米管尖端区域激发碳纳米管产生超快超强电子脉冲。

优选地，所述碳纳米管尖端半径小于20nm，所述碳纳米管长径比大于100。

优选地，所述碳纳米管排列成碳纳米管阵列。

优选地，所述碳纳米管阵列是单根碳纳米管阵列。

优选地，所述碳纳米管阵列是碳纳米管簇阵列。

优选地，所述超快超强脉冲激光器中心波长为800nm，输出功率为30mW，重复频率为80MHz。

优选地，所述超快超强激光脉冲入射方向与所述电子发射源碳纳米管尖端竖直方向夹角在0‐90°之间。

本发明所提供的一种超快超强激光激发碳纳米管产生超快电子的装置，采用超快超强激光脉冲激发碳纳米管，产生飞秒或者亚飞秒量级电子脉冲。同时，采用碳纳米管作为电子发射源阴极，克服采用金属材料作为阴极所需光强度大、发射电流小、亮度低的缺点。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出了本发明一种超快超强激光激发碳纳米管产生超快电子的装置结构示意图；

图2示意性示出了本发明超快超强脉冲激光激发碳纳米管尖端产生超快电子的示意图；

图3示出了本发明一个实施例中单根碳纳米管阵列示意图；

图4示出了本发明一个实施例中激光功率与激发电流关系图；

图5示出了本发明另一个实施例中单根碳纳米管陈列示意图；

图6示出了本发明另一个实施例中激光功率与激发电流关系图；

图7示出了本发明又一个实施例中碳纳米管簇阵列示意图；

图8示出了本发明另一个实施例中激光功率与激发电流关系图；

图9示出了本发明再一个实施例中碳纳米管簇阵列示意图；

图10示出了本发明再一个实施例中激光功率与激发电流关系图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

实施例1

如图1所示本发明一种超快超强激光激发碳纳米管产生超快电子的装置结构示意图。所述电子源装置包括电子发射源阴极、激发光源和光调制系统，所述电子发射源阴极包括碳纳米管101和用于制备所述碳纳 米管的阴极衬底102。电子发射源阴极设置于真空腔111内，位于真空腔内一端；真空腔的另一端设置收集电子的阳极109；所述真空腔111设有供激光入射的入射窗108。阴极发射超快电子脉冲110，在真空腔内传播，在阳极109一端收集。优选地，本发明产生的超快电子的装置可用于电子显微镜系统，也可用于电子衍射系统。需要说明的是，实施例中所说真空腔为示意性的事例，应当理解，本发明所述真空腔可用于所有可用到电子源的设备上。

本发明中光源采用超快超强脉冲激光器103，所述超快超强脉冲激光器103中心波长为800nm，输出功率为30mW，重复频率为80MHz，所述超快超强脉冲激光器103用于发射超快超强激光脉冲106。出于说明的目的，本实施例以及下述实施例中超快超强脉冲激光器为飞秒激光器，对于激光器的选择本发明中不做具体限制，根据实际电子设备的需要，采用不同中心波长、输出功率和重复频率的超快超强激光器。

所述光学调制系统包括半波片104、偏振片105和聚焦透镜107，半波片104、偏振片105和聚焦透镜107依次布置于超快超强激光器103与真空腔111之间。光学调制系统对超快超强激光脉冲106的峰值功率、偏振方向、焦点大小等参数进行调制。

本发明提供的超快超强脉冲激光激发碳纳米管产生超快电子的装置，通过超快超强脉冲激光器103发射超快超强激光脉冲106，超快超强激光脉冲传播过程中，依次经过半波片104、偏振片105和聚焦透镜106进行聚焦，聚焦后的超快超强激光脉冲106穿过真空腔入射窗108与真空腔一端制备的碳纳米管101作用，产生超短电子团。图2所示，本发明超快超强脉冲激光激发碳纳米管尖端产生超快电子的示意图，超快超强激光脉冲经光学调制系统调制后以一定角度汇聚于碳纳米管尖端区域，超快超强激光脉冲入射方向与碳纳米管101尖端竖直方向成一定角度112，所述角度在0‐90°之间。优选地，在本实施例中，采用超快超强激光脉冲入射方向与碳纳米管尖端竖直方向成60°。

实施例2

本实施例具体说明碳纳米管与碳纳米管阴极衬底的布置方式，本实 施中，碳纳米管尖端半径小于20nm，碳纳米管长径比大于100。如图3所示，本实施例中单根碳纳米管阵列示意图，在阴极衬底202b上制备单根碳纳米管阵列，优选地，碳纳米管尖端213b半径约为10nm；碳纳米管201b长度约为5μm。

超快超强激光脉冲经光学调制系统调制后以一定角度汇聚于碳纳米管尖端区域，超快超强激光脉冲入射方向与碳纳米管尖端竖直方向成0‐90°。优选地，本实施例中采用超快超强激光脉冲入射方向与碳纳米管尖端竖直方向成60°。经聚焦超快超强激光脉冲汇聚于碳纳米管尖端区域，强度增大，一方面，当电子吸收足够的光子能量之后，可以超越势垒向真空逸出；另一方面，强激光光场可以压缩碳纳米管尖端的真空势垒，当势垒宽度与电子波长相近时，碳纳米管电子隧穿势垒而逸出。本发明实施例中，产生的电子为超快超强量级电子脉冲，如图4所示，本实施例中激光功率与激发产生电流关系图。

实施例3

本实施例具体说明碳纳米管与碳纳米管阴极衬底的布置方式，本实施碳纳米管尖端半径小于20nm，碳纳米管长径比大于100。如图5所示，本实施例中单根碳纳米管阵列示意图，碳纳米管以单根方式制备，阵列于阴极衬底202a上，优选地，碳纳米管尖端213a半径约为5nm；碳纳米管201a长度约为10μm。

超快超强激光脉冲经光学调制系统调制后以一定角度汇聚于碳纳米管尖端区域，超快超强激光脉冲入射方向与碳纳米管尖端竖直方向成0‐90°，优选地，本实施例中采用超快超强激光脉冲入射方向与碳纳米管尖端竖直方向成60°。经聚焦超快超强激光脉冲汇聚于碳纳米管尖端区域，强度增大，一方面，当电子吸收足够的光子能量之后，可以超越势垒向真空逸出；另一方面，强激光光场可以压缩碳纳米管尖端的真空势垒，当势垒宽度与电子波长相近时，碳纳米管电子隧穿势垒而逸出。本发明实施例中，产生的电子为超快超强量级电子脉冲，如图6所示，本实施例中激光功率与激发产生电流关系图。本实施例与实施例2相比，在相同的激光功率下，采用更细的碳纳米管尖端激发电子，得到电子团 束更短，电子数目更多，亮度更高。

实施例4

本实施具体说明碳纳米管与碳纳米管阴极衬底的另一种布置方式，本实施碳纳米管尖端半径小于20nm，碳纳米管长径比大于100。如图7所示，本实施例中碳纳米管簇阵列示意图，碳纳米管制备成谈纳米管簇314b，阵列于阴极衬底302b上，优选地，碳纳米管簇中碳纳米管尖端313b半径约为10nm；碳纳米管长度约为5μm。

超快超强激光脉冲经光学调制系统调制后以一定角度汇聚于碳纳米管尖端区域，超快超强激光脉冲入射方向与碳纳米管尖端竖直方向成0‐90°，优选地，本实施例中采用超快超强激光脉冲入射方向与碳纳米管尖端竖直方向成60°。经聚焦超快超强激光脉冲汇聚于碳纳米管尖端区域，强度增大，一方面，当电子吸收足够的光子能量之后，可以超越势垒向真空逸出；另一方面，强激光光场可以压缩碳纳米管尖端的真空势垒，当势垒宽度与电子波长相近时，碳纳米管电子隧穿势垒而逸出。。本发明实施例中，产生的电子为超快超强量级电子脉冲，如图8所示，本实施例中激光功率与激发产生电流关系图。

实施例5

本实施具体说明碳纳米管与碳纳米管阴极衬底的又一种布置方式，本实施碳纳米管尖端半径小于20nm，碳纳米管长径比大于100。如图9所示，本实施例中碳纳米管簇阵列示意图，碳纳米管制备成碳纳米管簇314a，阵列于阴极衬底302a上，优选地，碳纳米管簇中碳纳米管尖端313a半径约为5nm；碳纳米管长度约为10μm。

超快超强激光脉冲经光学聚焦系统聚焦后以一定角度汇聚于碳纳米管尖端区域，超快超强激光脉冲入射方向与碳纳米管尖端竖直方向成0‐90°，优选地，本实施例中采用超快超强激光脉冲入射方向与碳纳米管尖端竖直方向成60°。经聚焦超快超强激光脉冲汇聚于碳纳米管尖端区域，强度增大，一方面，当电子吸收足够的光子能量之后，可以超越势垒向真空逸出；另一方面，强激光光场可以压缩碳纳米管尖端的真空势垒，当势垒宽度与电子波长相近时，碳纳米管电子隧穿势垒而逸出。。本 发明实施例中，产生的电子为超快超强量级电子脉冲，如图10所示，本实施例中激光功率与激发产生电流关系图。本实施例与实施例4相比，在相同的激光功率下，采用更细的碳纳米管尖端激发电子，得到电子团束更短，电子数目更多，亮度更高。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。