兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极及方法

1.本发明涉及电子束发射技术，具体涉及一种兼具高量子效率与低本征发射度的陷光结构透射式半导体光阴极及其实现方法。


背景技术：

2.自由电子激光（fel）所能达到的最短波长受限于电子束的发射度，发射度降低也有利于减小fel造价，因此光阴极产生的低发射度电子束对自由电子激光（fel）非常重要。连续波运行（cw）或高重复频率是当前x射线自由电子激光（xfel）的发展趋势之一，cw xfel对电子束提出了新的要求，既要求低发射度也要求高重复频率。例如，美国slac国家实验室的lcls-ii对注入器的要求是能够提供束团电荷量最大到300 pc、发射度低于0.60 mm.mrad和重复频率为mhz量级的电子束。高相干，高亮度光源已大量应用于材料科学、凝聚态物理、化学、生物等各个领域，用来分析0.1~1 nm尺度以及fs量级的反应过程。高亮度自由电子激光（fel）对高量子效率、低发射度、长寿命的光阴极提出了需求。碱金属光阴极以较高的量子效率（1~10 %），响应波长为可见光波段，及较长的寿命成为最优选择。各种类型的电子枪，如直流电子枪，srf电子枪，常温射频电子枪均计划采用碱金属光阴极作为光阴极或作为备用阴极。
3.光阴极的主要指标包括量子效率、本征发射度以及寿命。目前金属光阴极具有低量子效率，低本征发射度以及较长寿命。半导体光阴极中，gaas具有高量子效率与低本征发射度，但是寿命极短，需要保存在的真空条件下；碱金属锑化物及碲化物光阴极具有高量子效率，低本征发射度，寿命相对于gaas要长，但是相对于金属光阴极要低。碱金属光阴极相比于其他类型的光阴极，如cu，gaas，cs2te等，具有以下优势：1.低本征发射度，高量子效率(10%左右) ；2.在10-8 pa的真空条件下具有较长的寿命，寿命可达数月；3.应用于阴极表面工程的潜力，可提供满足用户要求的电子源设计。
4.随着电子枪技术的发展和束流发射度的不断降低，对空间电荷效应和射频场引起的发射度增长的研究已日趋成熟，本征发射度逐渐成为影响电子束发射度的重要因素，因此开展减小光阴极本征发射度的研究便成为低发射度电子枪领域中非常重要的一个方向。
5.电子束发射度的表达式为：，其中表示光阴极本征发射度，是电子束发射度的主要来源，目前占最终电子束发射度的70~90 %；是由空间电荷效应所引起的发射度增长，分为线性力与非线性力两部分，其中由于线性力而引起的发射度增长可以由螺线管进行补偿，由非线性力而引起的
发射度增长只有通过对激光进行整形才可以减小；是由rf场引起的发射度增长，可以通过对射频结构及微波电路进行校准及精确安装而减小。
6.由上述分析可以看出，本征发射度与非线性空间电荷力贡献的发射度占了电子束发射度的绝大比例，这两部分发射度均产生于电子枪这一源头处。因此只有从光阴极及驱动激光的角度才能对此进行大幅度的减小，从而减小最终电子束的发射度。
7.国际上减小半导体光阴极本征发射度的研究均刚刚起步，相关研究大都是最近几年以内的工作。虽然在减小光阴极本征发射度方面取得了一些进展，但还存在以下问题：1）本征发射度仍然偏高。例如目前双碱光阴极在室温下本征发射度为0.5 mm.mrad/mm，各种应用（xfel等）中希望光阴极的本征发射度能够进一步降低；2）采用特定波长驱动激光的方法虽可得到较低的本征发射度，但重复性较差，难以应用于束流实验；3）本征发射度降低的机制尚不清晰，对降低发射度的研究缺乏有效的指导；4）在降低本征发射度的同时，会导致光阴极量子效率的降低。
8.国内外的许多实验在尝试降低光阴极本征发射度的同时会导致量子效率的降低，由于量子效率直接对应电子枪所引出束流的大小，降低量子效率意味着引出电子束流的下降，会影响电子枪的性能。因此在降低本征发射度的同时如何保持光阴极的高量子效率，以及寻找一种同时具有低本征发射度与高量子效率的光阴极成为电子源领域一个重要的研究方向。


技术实现要素：

9.为了解决以上现有技术问题中存在的问题，本发明提出了一种兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极及其实现方法，通过fdtd对光阴极的基底进行结构设计，制备具有陷光结构的光阱式透射光阴极，能够减小光的反射，使大部分入射光被基底从而被光材料吸收；同时背入射结构使得光阴极产生的光电子在发射之前经过更长距离的传输，这使得电子的横向平均能量减小，从而降低了本征发射度。
10.本发明的一个目的在于提出一种兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极。
11.本发明的兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极包括：半导体光阴极薄膜层、透明导电基底和陷光结构；其中，在透明导电基底的上表面形成半导体光阴极薄膜层；透明导电基底的下表面作为兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的背部，透明导电基底的下表面刻蚀有具有周期性结构的凹槽阵列，使得透明导电基底的下表面形成陷光结构；凹槽的形状为关于凹槽中心面对称的部分圆柱或者长方体，形状为部分圆柱的凹槽所占圆柱的部分不大于半圆柱，截面为圆弧，圆弧的圆心角为2θ，θ＞60
°
，形状为部分圆柱的凹槽的周期大于或等于凹槽的宽度，形状为长方体的凹槽的周期大于凹槽的宽度，长方体的凹槽的截面形状为矩形，矩形的短边作为凹槽的底，矩形的长边作为凹槽的侧壁；兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极位于电子枪内的真空环境中；激光从兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的背部垂直入射，激光在真空-透明导电基底界面发生反射和折射；对于形状为部分圆柱的凹槽，根据激光的入射点到凹槽中心面的距离，存在一个由圆弧的半径r和圆心角所决定的临界距离d，d=
rsin（（π-θ）/3），当激光的入射点距离凹槽中心面的距离小于临界距离d时，激光到达真空-透明导电基底界面时的入射角小于（π-θ）/3，此时反射光的角度也小于（π-θ）/3，根据圆内垂径定理，反射光将直接离开凹槽，此时激光仅发生单次的反射和折射；当激光的入射点距离凹槽中心面的距离大于临界距离d时，激光到达真空-透明导电基底界面时的入射角大于（π-θ）/3，此时反射光的角度也大于（π-θ）/3，根据圆内垂径定理，反射光将再次到达真空-透明导电基底界面，并发生反射和折射，其中折射光将进入透明导电基底内部进行传输，使得进入透明导电基底内部的总的激光功率增加；对于形状为长方体的凹槽，凹槽阵列形成光栅结构，使得激光入射至真空-透明导电基底界面时，由于衍射效应产生高级衍射光，包括折射衍射和反射衍射，对于折射光，光栅结构增加了折射衍射的效率，使得更多的激光以更高的衍射角度进入透明导电基底的内部传输；对于反射光，当激光的入射点位于凹槽之间时，反射衍射光将直接离开真空-透明导电基底界面，此时激光仅发生单次的反射和折射；当激光的入射点位于凹槽内，即长方形的短边时，由于凹槽存在一定的深度，高级衍射光的反射衍射光的反射角不为零，从而斜入射至凹槽侧壁，即长方形的长边，在侧壁处的真空-透明导电基底界面再次发生反射和折射，其中折射光将进入透明导电基底内部进行传输，反射光将继续向着真空传输，并在每次到达凹槽的侧壁时发生反射和折射，使得进入透明导电基底内部的总的激光功率增加，从而增加真空-透明导电基底界面处的入射激光的透过率；对于在透明导电基底内部传输的激光，当到达透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面时，同样会发生反射和折射，其中反射光向着真空-透明导电基底界面传输，在真空-透明导电基底界面再次发生反射和折射，折射光进入半导体光阴极薄膜层传输，被半导体光阴极薄膜层吸收产生光电子；反射光在透明导电基底内部传输，由于真空-透明导电基底界面处具有陷光结构，在透明导电基底内部传输的激光将以不同的入射角到达透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面，当在透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面发生反射时，反射激光也以不同的入射角传输至真空-透明导电基底界面；当入射角大于激光在透明导电基底中的临界角时，这部分反射光发生全反射，重新向着半导体光阴极薄膜层传输；从而由于陷光结构的存在，到达真空-透明导电基底界面的反射激光的反向逃逸将被减弱，进入半导体光阴极薄膜层的入射激光的功率增加；当激光进入半导体光阴极薄膜层后，一部分被半导体光阴极薄膜层吸收用于产生光电子，另一部分将透过半导体光阴极薄膜层进入真空；由于真空-透明导电基底界面处具有陷光结构，垂直入射至透明导电基底的激光，对于形状为部分圆柱的凹槽，不同的入射点对应的入射角不同使得折射角增大，对于形状为长方体的凹槽，长方体的凹槽形成的光栅结构的衍射效应产生高级衍射光，从而陷光结构使得进入透明导电基底内部传输的折射光的折射角增大；对于进入透明导电基底内部传输的折射光，传输至透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面时的入射角增大，发生折射时的折射角也将由于入射角的增大而增大，使得透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面处的折射光具有更大的折射角，从而由于陷光结构的存在，透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面处的折射光以更大的角度进入半导体光阴极薄膜层；由于入射激光的出射功率随着在物质中的光程的增加而指数衰减，更大的折射角使得在半导体光阴极薄膜层内传输的激光在半导体光阴极薄膜层的厚度不变的情况下具有更长的光程，从而增加半导体光阴极薄膜层对入射激光的吸收率；由于陷光结
构的存在，折射光在到达半导体光阴极薄膜层-真空界面之前，经历更长的传输距离，使得被吸收的功率增加，在半导体光阴极薄膜层内产生更多的光电子，从而增加量子效率；同时，对于半导体光阴极薄膜层内产生的光电子，在到达半导体光阴极薄膜层-真空界面前，在传输过程中经历碰撞损失能量，即发生热化，经历更长的传输距离使得损失的能量更多，热化得更充分，发射出的自由电子的横向平均能量也更小，对应本征发射度更低，从而降低兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极产生电子束的横向平均能量和本征发射度。
12.形状为部分圆柱的凹槽的周期为5~500 nm；凹槽的宽度为5~500 nm；形状为部分圆柱的凹槽所占圆柱的部分大于1/6半圆柱。形状为长方体的凹槽的周期为20~600 nm；凹槽的宽度即矩形的短边为5~400 nm，深度即矩形的长边为5~500 nm。凹槽的底端距离光阴极薄膜层的距离为0.2~2 mm。
13.半导体光阴极薄膜层采用碱金属光阴极薄膜层，碲铯、锑铯、锑钾铯、锑钠铯、锑铷铯、锑钠钾铯和锑钠钾铷铯中的一种；厚度为40~200 nm。
14.透明导电基底采用钛酸锶、钛酸锂、镀有氧化铟锡的石英玻璃、铝掺杂氧化锌的石英玻璃以及石墨烯的石英玻璃中的一种；直径为10~50 mm的圆形，或者边长为10~50 mm的方形。
15.本发明的另一个目的在于提出一种兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的实现方法。
16.本发明的兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的实现方法，包括以下步骤：1) 制备兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极：a) 提供透明导电基底；b) 在透明导电基底的上表面形成半导体光阴极薄膜层；c) 透明导电基底的下表面作为兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的背部，透明导电基底的下表面刻蚀有具有周期性结构的凹槽阵列，使得透明导电基底的下表面形成陷光结构；d) 凹槽的形状为关于凹槽中心面对称的部分圆柱或者长方体，形状为部分圆柱的凹槽所占圆柱的部分不大于半圆柱，截面为圆弧，圆弧的圆心角为2θ，θ＞60
°
，形状为部分圆柱的凹槽的周期大于或等于凹槽的宽度，形状为长方体的凹槽的周期大于凹槽的宽度，长方体的凹槽的截面形状为矩形，矩形的短边作为凹槽的底，矩形的长边作为凹槽的侧壁；e) 兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极位于电子枪内的真空环境中；2) 激光从兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的背部垂直入射，激光在真空-透明导电基底界面发生反射和折射；对于形状为部分圆柱的凹槽，根据激光的入射点到凹槽中心面的距离，存在一个由圆弧的半径r和圆心角所决定的临界距离d，d=rsin（（π-θ）/3），当激光的入射点距离凹槽中心面的距离小于临界距离d时，激光到达真空-透明导电基底界面时的入射角小于（π-θ）/3，此时反射光的角度也小于（π-θ）/3，根据圆内垂径定理，反射光将直接离开凹槽，此时激光仅发生单次的反射和折射；当激光的入射点
距离凹槽中心面的距离大于临界距离d时，激光到达真空-透明导电基底界面时的入射角大于（π-θ）/3，此时反射光的角度也大于（π-θ）/3，根据圆内垂径定理，反射光将再次到达真空-透明导电基底界面，并发生反射和折射，其中折射光将进入透明导电基底内部进行传输，使得进入透明导电基底内部的总的激光功率增加；对于形状为长方体的凹槽，凹槽阵列形成光栅结构，使得激光入射至真空-透明导电基底界面时，由于衍射效应产生高级衍射光，包括折射衍射和反射衍射，对于折射光，光栅结构增加了折射衍射的效率，使得更多的激光以更高的衍射角度进入透明导电基底的内部传输；对于反射光，当激光的入射点位于凹槽之间时，反射衍射光将直接离开真空-透明导电基底界面，此时激光仅发生单次的反射和折射；当激光的入射点位于凹槽内，即长方形的短边时，由于凹槽存在一定的深度，高级衍射光的反射衍射光的反射角不为零，从而斜入射至凹槽侧壁，即长方形的长边，在侧壁处的真空-透明导电基底界面再次发生反射和折射，其中折射光将进入透明导电基底内部进行传输，反射光将继续向着真空传输，并在每次到达凹槽的侧壁时发生反射和折射，使得进入透明导电基底内部的总的激光功率增加，从而增加真空-透明导电基底界面处的入射激光的透过率；3) 对于在透明导电基底内部传输的激光，当到达透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面时，同样会发生反射和折射，其中反射光向着真空-透明导电基底界面传输，在真空-透明导电基底界面再次发生反射和折射，折射光进入半导体光阴极薄膜层传输，被半导体光阴极薄膜层吸收产生光电子；反射光在透明导电基底内部传输，由于真空-透明导电基底界面处具有陷光结构，在透明导电基底内部传输的激光将以不同的入射角到达透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面，当在透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面发生反射时，反射激光也以不同的入射角传输至真空-透明导电基底界面；当入射角大于激光在透明导电基底中的临界角时，这部分反射光发生全反射，重新向着半导体光阴极薄膜层传输；从而由于陷光结构的存在，到达真空-透明导电基底界面的反射激光的反向逃逸将被减弱，进入半导体光阴极薄膜层的入射激光的功率增加；4) 当激光进入半导体光阴极薄膜层后，一部分被半导体光阴极薄膜层吸收用于产生光电子，另一部分将透过半导体光阴极薄膜层进入真空；由于真空-透明导电基底界面处具有陷光结构，垂直入射至透明导电基底的激光，对于形状为部分圆柱的凹槽，不同的入射点对应的入射角不同使得折射角增大，对于形状为长方体的凹槽，长方体的凹槽形成的光栅结构的衍射效应产生高级衍射光，从而陷光结构使得进入透明导电基底内部传输的折射光的折射角增大；对于进入透明导电基底内部传输的折射光，传输至透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面时的入射角增大，发生折射时的折射角也将由于入射角的增大而增大，使得透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面处的折射光具有更大的折射角，从而由于陷光结构的存在，透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面处的折射光以更大的角度进入半导体光阴极薄膜层；由于入射激光的出射功率随着在物质中的光程的增加而指数衰减，更大的折射角使得在半导体光阴极薄膜层内传输的激光在半导体光阴极薄膜层的厚度不变的情况下具有更长的光程，从而增加半导体光阴极薄膜层对入射激光的吸收率；由于陷光结构的存在，折射光在到达半导体光阴极薄膜层-真空界面之前，经历更长的传输距离，使得被吸收的功率增加，在半导体光阴极薄膜层内产生更多的光电子，从而增加量子效率；同时，对于半导体光阴极薄膜层内产生的光电子，在到达半导体光阴极薄膜层-真空界面
前，在传输过程中经历碰撞损失能量，即发生热化，经历更长的传输距离使得损失的能量更多，热化得更充分，发射出的自由电子的横向平均能量也更小，对应本征发射度更低，从而降低兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极产生电子束的横向平均能量和本征发射度。
17.本发明的优点：本发明首次提出具有陷光结构的透射式光阴极，能够大大减小对入射激光的反射；目前反射式光阴极对入射光的反射率在30~50 %，本发明的方法能够大幅度地降低透明导电基底对入射激光的反射，从而极大地提高光阴极对入射激光的吸收；对于不具有陷光结构的传统的透明基底，来自半导体光阴极薄膜层的反射光将以反射角入射基底-真空界面，不存在全反射的情况；本发明的透明导电基底的表面具有陷光结构能够改变入射激光的传输行为，减小透明导电基底的反射率，同时增加半导体光阴极薄膜层对入射光的吸收；本发明的兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极采用激光背入射的方案，相比于传统的反射式光阴极结构，光电子更多地在基底-光阴极界面附近产生，在发射前具有更长的传输距离并得到充分热化，从而降低了光阴极产生电子束的横向平均能量和本征发射度；本发明采用透射式激光驱动光阴极的方式，将有利于得到低发射度电子束，对于硬x射线自由电子激光（xfel）和超快电子衍射（ued）等各方面应用都具有重要意义。
附图说明
18.图1为本发明的兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的实施例一的示意图；图2为本发明的兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的实施例二的示意图；图3为本发明的兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的对于形状为部分圆柱的凹槽，激光垂直入射至真空-透明导电基底界面的原理图。
具体实施方式
19.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
20.实施例一如图1所示，本实施例的兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极包括：半导体光阴极薄膜层11、透明导电基底12和陷光结构13；其中，在透明导电基底的上表面形成半导体光阴极薄膜层；透明导电基底的下表面作为兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的背部，透明导电基底的下表面刻蚀有具有周期性结构的凹槽阵列，使得透明导电基底的下表面形成陷光结构；凹槽的形状为半圆柱，凹槽的周期等于凹槽的宽度，凹槽为关于凹槽中心面的对称图形，截面为半圆弧；兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极位于电子枪内的真空环境中。
21.在本实施例中，凹槽的底端距离光阴极薄膜层的距离为1mm；凹槽的周期为200 nm，凹槽的宽度为200 nm，对应圆柱的半径为100 nm。
22.本实施例的兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的实现方法，包括以下步骤：
1) 制备兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极，如图1所示；2) 激光从兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的背部垂直入射；垂直入射的激光311在真空-透明导电基底界面21发生反射和折射，根据激光的入射点到凹槽中心面的距离，临界距离为圆弧的半径的一半，当激光的入射点距离凹槽中心面的距离小于圆弧的半径的一半时，激光到达真空-透明导电基底界面21时的入射角小于30
°
，此时反射光的反射角也小于30
°
，根据圆内垂径定理，反射光将直接离开凹槽，此时激光仅发生单次的反射和折射；当激光的入射点距离凹槽中心面的距离大于圆弧的半径的一半时，激光到达真空-透明导电基底界面21时的入射角大于30
°
，此时反射光的反射角也大于30
°
，根据圆内垂径定理，反射角大于30
°
的反射光312将再次到达真空-透明导电基底界面21，并发生反射和折射，其中折射光将进入透明导电基底12内部进行传输形成在透明导电基底12内部传输的激光313，使得进入透明导电基底12内部的总的激光功率增加，从而增加真空-透明导电基底界面21处的入射激光的透过率；3) 对于在透明导电基底12内部传输的激光313，当到达透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面22时，同样会发生反射和折射，其中反射光向着真空-透明导电基底界面21传输，在真空-透明导电基底界面21再次发生反射和折射，折射光进入半导体光阴极薄膜层11传输形成在半导体光阴极薄膜层11内传输的激光323，被半导体光阴极薄膜层11吸收产生光电子；由于真空-透明导电基底界面21处具有陷光结构13，从真空-透明导电基底界面21发生折射进入透明导电基底12内部，并传输至透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面22的激光具有不同的角度，当在透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面22反射时，反射激光也将以不同的入射角传输至真空-透明导电基底界面21；当入射角大于激光在透明导电基底12中的临界角时，入射角大于临界角的这部分反射光322发生全反射，重新向着半导体光阴极薄膜层11传输；从而由于陷光结构13的存在，到达真空-透明导电基底界面21的反射激光的反向逃逸将被减弱，进入半导体光阴极薄膜层11的入射激光的功率增加；4) 当激光进入半导体光阴极薄膜层11后，一部分被半导体光阴极薄膜层11吸收用于产生光电子，另一部分将透过半导体光阴极薄膜层11进入真空；由于真空-透明导电基底界面21处具有陷光结构13，对于垂直入射至透明导电基底的激光，不同的入射点对应的入射角不同使得折射角增大；对于进入透明导电基底12内部传输的折射激光，传输至透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面22时的入射角增大，发生折射时的折射角也将由于入射角的增大而增大，使得透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面22处的折射光具有更大的折射角，从而由于陷光结构13的存在，透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面22处的折射光以更大的角度进入半导体光阴极薄膜层11；由于入射激光的出射功率随着在物质中的光程的增加而指数衰减，更大的折射角使得在半导体光阴极薄膜层11内传输的激光323在半导体光阴极薄膜层11的厚度不变的情况下具有更长的光程，从而增加半导体光阴极薄膜层11对入射激光的吸收；由于陷光结构的存在，折射光在到达半导体光阴极薄膜层-真空界面23之前，经历更长的传输距离，使得被吸收的功率增加，在半导体光阴极薄膜层11内产生更多的光电子，从而增加量子效率；同时，对于半导体光阴极薄膜层内产生的光电子，在到达半导体光阴极薄膜层-真空界面前，在传输过程中经历碰撞损失能量，即发生热化，经历更长的传输距离使得损失的能量更多，热化得更充分，发射出的自由电子的横向平均能量也更小，对应的本征发射度更低，从而降低兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导
体光阴极产生电子束的横向平均能量和本征发射度。
23.如图3所示，对于形状为部分圆柱的凹槽，截面为圆弧，圆弧的圆心角为2θ，根据激光的入射点到凹槽中心面的距离，存在一个由圆弧的半径r和圆心角所决定的临界距离d，d=rsin（（π-θ）/3），当激光的入射点距离凹槽中心面的距离小于临界距离d时，激光到达真空-透明导电基底界面时的入射角小于临界角α，α=（π-θ）/3，此时反射光的角度也小于（π-θ）/3，根据圆内垂径定理，反射光将直接离开凹槽，此时激光仅发生单次的反射和折射；当激光的入射点距离凹槽中心面的距离大于临界距离d时，激光到达真空-透明导电基底界面时的入射角大于（π-θ）/3，此时反射光的角度也大于（π-θ）/3，根据圆内垂径定理，反射光将再次到达真空-透明导电基底界面，并发生反射和折射，其中折射光将进入透明导电基底内部进行传输，使得进入透明导电基底内部的总的激光功率增加。
24.实施例二如图2所示，本实施例的兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极包括：半导体光阴极薄膜层11、透明导电基底12和陷光结构13；其中，在透明导电基底的上表面形成半导体光阴极薄膜层；透明导电基底的下表面作为兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的背部，透明导电基底的下表面刻蚀有具有周期性结构的凹槽阵列，使得透明导电基底的下表面形成陷光结构；凹槽的形状为长方体，凹槽的周期大于凹槽的宽度；兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极位于电子枪内的真空环境中。
25.在本实施例中，凹槽的底端距离光阴极薄膜层的距离为1 mm，凹槽的周期为60 nm；凹槽的宽度为50 nm，深度为55 nm。
26.本实施例的兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的实现方法，包括以下步骤：1) 制备兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极，如图2所示；2) 激光从兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的背部垂直入射，垂直入射的激光311在真空-透明导电基底界面21发生反射和折射；凹槽阵列形成光栅结构，使得激光入射至真空-透明导电基底界面21时，由于衍射效应产生高级衍射光，包括折射衍射和反射衍射，对于折射光，光栅结构增加了折射衍射的效率，使得更多的激光以更高的衍射角度进入透明导电基底12的内部传输；对于反射光，当激光的入射点位于凹槽内，即长方形的短边时，由于凹槽存在一定的深度，高级衍射光的反射衍射光314的反射角不为零，从而斜入射至达凹槽侧壁，即长方形的长边，在侧壁处的真空-透明导电基底界面21再次发生反射和折射，其中折射光将进入透明导电基底12内部进行传输形成在半导体光阴极薄膜层11内传输的激光323，反射光将继续向着真空传输，并在每次到达凹槽的侧壁时发生反射和折射，使得进入透明导电基底12内部的总的激光功率增加；从而增加真空-透明导电基底界面21处的入射激光的透过率；3) 对于在透明导电基底12内部传输的激光313，当到达透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面22时，同样会发生反射和折射，其中反射光向着真空-透明导电基底界面21传输，在真空-透明导电基底界面21再次发生反射和折射，折射光进入半导体光阴极薄膜层11传输，被半导体光阴极薄膜层11吸收产生光电子；由于真空-透明导电基底界面21处具有陷光结构13，在透明导电基底12内部传输的激光将以不同的入射角到达透明导电基底-半
导体光阴极薄膜层界面22，当在透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面22发生反射时，反射激光也以不同的入射角传输至真空-透明导电基底界面21；当入射角大于激光在透明导电基底12中的临界角时，入射角大于临界角的这部分反射光322发生全反射，重新向着半导体光阴极薄膜层11传输；从而由于陷光结构13的存在，到达真空-透明导电基底界面21的反射激光的反向逃逸将被减弱，进入半导体光阴极薄膜层11的入射激光的功率增加；4) 当激光进入半导体光阴极薄膜层11后，一部分被半导体光阴极薄膜层11吸收用于产生光电子，另一部分将透过半导体光阴极薄膜层11进入真空；由于真空-透明导电基底界面21处具有陷光结构13，对于垂直入射至透明导电基底的激光，长方体的凹槽形成的光栅结构的衍射效应产生高级衍射光，从而陷光结构13使得折射角增大；对于进入透明导电基底12内部传输的折射激光，传输至透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面22时的入射角增大，发生折射时的折射角也将由于入射角的增大而增大，使得透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面22处的折射光具有更大的折射角，从而由于陷光结构13的存在，透明导电基底-半导体光阴极薄膜层界面22处的折射光以更大的角度进入半导体光阴极薄膜层11；由于入射激光的出射功率随着在物质中的光程的增加而指数衰减，更大的折射角使得在半导体光阴极薄膜层11内传输的激光323在半导体光阴极薄膜层11的厚度不变的情况下具有更长的光程，从而增加半导体光阴极薄膜层11对入射激光的吸收率；由于陷光结构13的存在，折射光在到达半导体光阴极薄膜层-真空界面23之前，经历更长的传输距离，使得被吸收的功率增加，在半导体光阴极薄膜层11内产生更多的光电子，从而增加量子效率；同时，对于半导体光阴极薄膜层内产生的光电子，在到达半导体光阴极薄膜层-真空界面前，在传输过程中经历碰撞损失能量，即发生热化，经历更长的传输距离使得损失的能量更多，热化得更充分，发射出的自由电子的横向平均能量也更小，对应的本征发射度更低，从而降低兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极产生电子束的横向平均能量和本征发射度。
27.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。