基于纳米金属半导体等离激元增强结构的光阴极研究

Stable photocathode with excellent quantum efficiency is one of the key components of free electron lasers (FELs). The essential characteristics of its electron emission should include low emittance, low energy dispersion and ultrahigh current density. Although it is easy to fabricate the photocathode with gold, copper and other noble metallic materials or semiconductors, very low quantum efficiency limits the practical applications. In this application, in order to improve the quantum efficiency, plasmon-enhanced photocathode based on shaped composite nanostructures is proposed. Based on the theoretical modeling and numerical simulations, geometry shapes and structural parameters of the proposed photocathode will be optimized, and the physical mechanisms of the plasmon-enhanced photoemission will be analyzed. Plasmon-enhanced photocathodes proposed will be assembled into a high voltage DC photocathode injector, and the electron beam intensity and quality parameters will be measured under high-power laser irradiation. The research in this application will provide the detailed theoretical and experimental basis for high quantum efficiency plasmon enhanced photocathodes, and be helpful for the rapid development of next generation domestic free electron lasers.

高稳定性高量子效率光阴极是自由电子激光器等的核心部件，低发射度，低能散和超高电流密度是其基本特征。本项目为解决高稳定性高量子效率光阴极的关键技术问题，计划在研究过程中探索和制备出具备等离激元增强效应的纳米金属半导体复合结构光阴极；利用带有光注入窗口的真空系统实现光调制电子发射基本测试；数值模拟方法分析并优化设计阴极的等离激元结构参数，建立电子发射的物理模型和等离激元增强电子发射的机制模型；研究入射光波矢量参数对电子发射特性的影响和调控机制；在直流高压光阴极注入器中，进行高功率密度强入射光条件下的电子束加载实验，测量电子束的束流强度和品质参数，评估阴极的工作条件和工作性能，探索其应用自由电子激光器的可行性。

目前，高亮度电子源中所用光电阴极多采用具备低功函数的碱金属（包括多碱合金）或具备负电子亲和势的III-V族化合物半导体材料，其具有较高的电子发射能力。相对于上述传统光电阴极及其较为单一的表面结构，新兴的纳米结构与材料有望实现对入射光的可控调制，进而实现对光电子发射的操控。表面等离激元光子学主要研究亚波长金属纳米结构独特的光学性质及其电子的动力学特性，以及光与物质的相互作用过程。表面等离激元的激发会伴随“光子吸收增强”、“局域场增强”和“能量传输特性”等重要特征，对于提高光电阴极电子发射能力有重要作用。.本项目探索选用多种具有表面等离激元效应的纳米材料及其复合结构作为光电子发射体，包括周期性的金纳米结构、大面积金纳米颗粒/铯薄膜复合结构和碳纳米管/金纳米颗粒复合结构等，基于光调制扫描隧道显微镜和太赫兹自由电子激光器（电子枪与束测装置）对其电子发射特性开展了全面性的研究，对电子发射机制和增强机制进行了详实的理论分析。