フォトカソード装置
【課題】従来のフォトカソード装置においては、量子効率が低く、寿命が短く、高製造コストであった。
【解決手段】石英プリズム１に入射された紫外レーザ光UVはアルミニウム層２に入射角θで入射する。アルミニウム層２において紫外レーザ光UVによって表面プラズモン共鳴光を励起し、表面プラズモン共鳴光の光電効果を利用してアルミニウム層２の石英プリズム１の反対側表面である光電面から光電子を放出する。入射角θは、全反射領域において紫外レーザ光UVのアルミニウム層２の光入射面での反射率Rが最小となるプラズモンディップ角である。
【解決手段】石英プリズム１に入射された紫外レーザ光UVはアルミニウム層２に入射角θで入射する。アルミニウム層２において紫外レーザ光UVによって表面プラズモン共鳴光を励起し、表面プラズモン共鳴光の光電効果を利用してアルミニウム層２の石英プリズム１の反対側表面である光電面から光電子を放出する。入射角θは、全反射領域において紫外レーザ光UVのアルミニウム層２の光入射面での反射率Rが最小となるプラズモンディップ角である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電子を放出するフォトカソード装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光電子を放出するフォトカソード装置は、光電子増倍管の光電面、大型加速器の電子ビーム源、高輝度Ｘ線発生装置、高輝度電子ビーム発生装置、撮像装置等として利用されている。
【０００３】
第１の従来のフォトカソード装置は光が照射される金属あるいは半導体よりなるカソード部材を有している。このフォトカソード装置においては、カソード部材の仕事関数以上のエネルギーを有する光をカソード部材の照射面に照射して光電効果によりカソード部材の照射面から光電子を放出するものである。尚、カソード材料としては、Au、Cu等の金属、あるいはGaAs等の半導体がある。
【０００４】
しかしながら、上述の第１の従来のフォトカソード装置においては、カソード部材の反射率が高いために、カソード部材の照射面に入射する光子数に対してカソード部材の照射面から放出する光電子数が少ない。つまり、放出光電子数／入射光子数の比で表される量子効率ηはたとえば10-3〜10-4程度と低い。
【０００５】
第２の従来のフォトカソード装置においては、上述の第１の従来のフォトカソード装置のカソード部材の照射面にCs等のアルカリ金属あるいはアルカリ金属化合物を被覆している（参照：特許文献１，２）。これにより、カソード部材の仕事関数を低下させて量子効率ηを上昇させることができる。たとえば量子効率ηは10-1程度と高く、上述の第１の従来のフォトカソード装置に比べて102〜103となる。
【特許文献１】特開昭６０−１８００５２号公報
【特許文献２】特開平９−２１３２０４号公報
【非特許文献１】福井萬壽夫他，“光ナノテクノロジーの基礎”，オーム社，p.39-41，2003年11月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の第２の従来のフォトカソード装置においては、強い光がアルカリ金属もしくはアルカリ金属化合物の照射面に照射されるので、アルカリ金属もしくはアルカリ金属化合物が劣化し、装置の寿命は短くたとえば100時間程度という課題がある。
【０００７】
また、上述の第２の従来のフォトカソード装置においては、アルカリ金属あるいはアルカリ金属化合物が酸化し易いので、たとえば10-8Pa以下の超高真空状態で動作させる必要があり、この結果、超高真空設備を必要とし、製造コストが高いという課題もある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、量子効率が高く、長寿命でかつ低製造コストのフォトカソード装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するために、本発明に係るフォトカソード装置は、入射光を入射するための透明基材と、透明基材の表面に被覆された金属被覆層とを具備し、金属被覆層において入射光により表面プラズモン共鳴光を励起し、表面プラズモン共鳴光の光電効果により金属被覆層の透明基材の反対側の光電面から光電子を放出させるようにしたものである。これにより、表面プラズモン共鳴光による光電子数が多く、量子効率ηが高くなる。アルカリ金属あるいはアルカリ金属化合物が存在しないので、長寿命となり、また、超高真空設備が不要となる。
【００１０】
入射光の前記金属被覆層の光入射面での入射角は、全反射領域において入射光の金属被覆層の光入射面での反射率が最小となる光吸収（プラズモン）ディップ角度である。
【００１１】
金属被覆層の厚さは、プラズモンディップ角度で入射した入射光の金属被覆層の光入射面での反射率が最小となるように選択される。
【００１２】
さらに、金属被覆層からの光電子放出を表面プラズモン共鳴光の第２高調波の光電効果により行う。これにより、入射光のエネルギーは低くなる。
【００１３】
さらに、金属被覆層の光電面に被覆されたアルカリ金属あるいはアルカリ金属化合物よりなる層を具備する。これにより、金属被覆層の仕事関数が小さくなる。しかし、超高真空設備を必要とする。
【００１４】
金属被覆層に入射光の波長より小さい径の複数の孔部を設ける。これにより、表面プラズモン共鳴光の励起は容易となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、量子効率を高くでき、また、寿命を長くでき、さらに、製造コストを低くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明に係るフォトカソード装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【００１７】
図１において、フォトカソード装置は、透明基材としての屈折率n1=1.50、頂角90°の石英プリズム１、及び石英プリズム１の稜部１１に対向する面１２に蒸着等により被覆された金属被覆層としてのアルミニウム層２を備えている。アルミニウム層２の長さはたとえば1cm程度であり、また、厚さは10nm〜10μmの範囲である。アルミニウム層２の厚さが10nm未満では、表面プラズモン共鳴光の発生が悪いことがあり、また、アルミニウム層２の厚さが10μmを超えると、アルミニウム層２で発生するエバネッセント光の減衰が大きくなりアルミニウム層２の表面に表面プラズモン共鳴光を励起できないことがある。尚、アルミニウム層２と石英プリズム１との密着性を高めるために、石英プリズム１の表面に1〜2nm程度のCr等の金属を蒸着してもよい。
【００１８】
また、石英プリズム１の稜部１１を挟む２つの面１３、１４の一方の面１３には無反射（AR）コート３が被覆され、他方の面１４には反射（R）コート４が被覆されている。尚、石英プリズム１の反射率たとえば８％による入射損失が無視できれば、無反射コート３は省略できる。
【００１９】
さらに、紫外レーザ源５及び波長板６が設けられ、これにより紫外レーザ源５から発生した紫外レーザ光UVが波長板６、無反射コート３及び石英プリズム１を介してアルミニウム層２に入射する。この場合、アルミニウム層２の表面に表面プラズモン共鳴光を励起させるためには、紫外レーザ光UVのアルミニウム層２の入射／反射面に水平な偏光いわゆるTM偏光もしくはP偏光を石英プリズム１に入射させる必要があり、このために、波長板６を回転調整する。尚、紫外レーザ源５の紫外レーザ光UVの偏光は直線偏光を有しているので、波長板６を設けずに、紫外レーザ源５の筐体を回転させて上記のP偏光を形成してもよい。
【００２０】
さらにまた、金属被覆層２から放出された光電子PEを引き出すために、金属被覆層２に対向して光電子引き出し電極７が設けられている。尚、この場合、金属被覆層２は接地され、光電子引き出し電極７には正電圧が印加されている。
【００２１】
図１のフォトカソード装置は紫外レーザ源５及び波長板６を除き、真空容器（図示せず）内に載置されるが、この真空容器は超高真空状態を要しないので、製造コストを低減できる。
【００２２】
図１のフォトカソード装置の動作原理は、紫外レーザ光UVによってアルミニウム層２にエバネッセント光を発生し、このエバネッセント光によりアルミニウム層２の光電面に表面プラズモン共鳴光を励起させる。この場合、紫外レーザ光UVはP偏光なのでアルミニウム層２の表面に平行な電界成分及び垂直な電界成分を有し、それぞれの電界成分が増大する。たとえば、この表面プラズモン共鳴光によりアルミニウム層２の光電面での入射光の電界強度は２０倍程度となり、従って、アルミニウム層２の入射光の光強度はその電界成分の２乗なので400（=20×20）倍程度となる。この結果、アルミニウム層２から放出される光電子の発生量も４００倍程度増大することになる。表面プラズモン共鳴光については非特許文献１を参照されたし。
【００２３】
さらに、図１のフォトカソード装置において、アルミニウム層２の光電効果を発揮させるためには、紫外レーザ光UVのエネルギーはアルミニウム層２の仕事関数より大きくなければならない。アルミニウム層２の仕事関数は4.2eV（=波長292nm相当）である。従って、紫外レーザ源５の紫外レーザ光UVの波長は292nm未満である必要がある。たとえば、紫外レーザ源５としてYAGレーザの第４高調波（波長266nm）を用いる。
【００２４】
図２は図１のフォトカソード装置の最適入射角θを説明するための全反射減衰（ATR）信号スペクトル図である。図１のアルミニウム層２の光電面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とする紫外レーザ光UVの入射角θは臨界角θcより大きい範囲で、アルミニウム層２の光入射面での反射率Rが最小となる角度である。つまり、石英プリズム１に対して紫外レーザ光UVを相対的に角度スキャンしてアルミニウム層２からの反射光を利用してシミュレーションした結果であるATR信号スペクトルを図２に示している。尚、このシミュレーションソフトとしてはマックスプランク研究所開発のWinSpall（商標名）を用いた。波長λ=266nmの紫外レーザ光UVの基における条件は次のごとくである。
石英プリズム１について、
屈折率n1=1.500
消衰係数k1=0
である。アルミニウム層２について、
屈折率n2=0.209
消衰係数k2=3.11
厚さt=20.5nm
である。
【００２５】
図２に示すように、ATR信号スペクトルは、入射角θ=45°（>θc=40.3°）で反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有する。従って、入射角θ=45°とすることにより表面プラズモン共鳴光の励起量は最大となる。
【００２６】
図３は図１のフォトカソード装置のアルミニウム層２の最適の厚さtを説明するためのATR信号スペクトル図である。図１のアルミニウム層２の光電面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とするアルミニウム層２の厚さtはアルミニウム層２の光入射面での反射率Rが最小となるように選択される。つまり、アルミニウム層２の厚さtを変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図３に示してある。アルミニウム層２の厚さ以外の波長λ=266nmの紫外レーザ光UVの基における条件は次のごとくである。
石英プリズム１について、
屈折率n1=1.500
消衰係数k1=0
である。アルミニウム層２について、
屈折率n2=0.209
消衰係数k2=3.11
である。
【００２７】
図３に示すように、アルミニウム層２の厚さtが15nm未満では、アルミニウム層２で発生するエバネッセント光をアルミニウム層２が十分に吸収できないことから、プラズモンディップが発生しない。また、アルミニウム層２の厚さtが25nmを超えると、アルミニウム層２で発生するエバネッセント光の減衰が大きくなり、アルミニウム層２の表面プラズモン共鳴光の励起ができなくなり、プラズモンディップにおける反射率Rは大きくなる。従って、ATR信号スペクトルはアルミニウム層２の厚さt≒20nmで反射率R=0の鋭い光吸収（プラズモン）ディップを有する。このように、アルミニウム層２の厚さtは20±1nmの範囲で選択することにより表面プラズモン共鳴光の励起量は最大となる。
【００２８】
図１のフォトカソード装置においては、紫外レーザ光UVのスペクトル幅を考慮する必要がある。紫外レーザ光UVがピコ秒（ps）パルスの場合、スペクトル幅は1000GHz程度なので、このスペクトル幅の範囲では鋭いプラズモンディップを有するATRスペクトルとなり、光電子放出もピコ秒の時間スケールに追随したものとなる。他方、紫外レーザ光UVがフェムト秒（fs）パルスの場合、スペクトル幅は大きく広がり、この広いスペクトル幅の範囲ではATRスペクトルの共鳴線幅を超える励起を行うことになり、光電子放出もフェムト秒の時間スケールに追随できない。従って、紫外レーザ光UVのパルス幅は10〜100フェムト秒（fs）程度が限界である。
【００２９】
図４は本発明に係るフォトカソード装置の第２の実施の形態を示す断面図である。図４においては、図１の石英プリズム１、アルミニウム層２、紫外レーザ源５の代りに、屈折率n1=1.535のBK-7プリズム１ａ、銀（Ag）層２ａ、可視レーザ源５ａを設けてある。
【００３０】
可視レーザ源５ａの可視レーザ光Vはたとえば波長λ=442nmを有し、図１の紫外レーザ源５の紫外レーザ光に比べて低エネルギーである。従って、図１の石英プリズム１よりも低価格のガラスであるBK-7プリズム１ａを用いることができる。
【００３１】
図４のフォトカソード装置も、可視レーザ源５ａ及び波長板６を除き、真空容器（図示せず）内に載置されるが、この真空容器は超高真空状態を要しないので、製造コストを低減できる。
【００３２】
図４のフォトカソード装置の動作原理は、可視レーザ光Vによって銀層２ａにエバネッセント光を発生し、このエバネッセント光により銀層２ａのBK-7プリズム１ａと反対側表面（光電面）に表面プラズモン共鳴光の第２高調波（表面SHG波 surface second harmonic generation wave）を励起させる。つまり、可視レーザ光Vの波長λを442.8nmとすれば、銀の表面プラズモン共鳴波長は400〜600nmであるので、表面プラズモン共鳴光の第２高調波を効率よく励起する。このとき、表面プラズモン共鳴光の第２高調波の波長はλ=221.4nmとなる。
【００３３】
図４のフォトカソード装置において、銀層２ａの光電効果を発揮させるためには、可視レーザ光Vのエネルギーは銀層２ａの仕事関数より大きくなければならない。しかし、図４のフォトカソード装置においては、表面プラズモン共鳴光の第２高調波の励起を利用しているので、可視レーザ光Vのエネルギーは銀層２ａにおいて２倍となる。ここで、銀層２ａの仕事関数は4.25eV（=波長292nm相当）である。従って、可視レーザ源５ａの可視レーザ光Vの波長は表面プラズモンを励起できかつその第２高調波が仕事関数4.25eVを越えることが可能な、400〜600nmであればよい。
【００３４】
図５は図４のフォトカソード装置の最適入射角θを説明するための全反射減衰（ATR）信号スペクトル図である。図４の銀層２ａの光電面における表面プラズモン共鳴光の第２高調波を励起量を最大とする可視レーザ光Vの入射角θは臨界角θcより大きい範囲で、銀層２ａの光入射面での反射率Rが最小となるように選択される。つまり、BK-7プリズム１ａに対して可視レーザ光Vを相対的に角度スキャンして銀層２ａからの反射光を利用してシミュレーションした結果であるATR信号スペクトルが図５に示されている。波長λ=442.8nmの可視レーザ光Vの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１ａについて、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。銀層２ａについて、
屈折率n2=0.157
消衰係数k2=2.40
である。
【００３５】
図５に示すように、ATR信号スペクトルは、入射角θ=46.5°（>θc=36.3°）で反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有する。従って、入射角θ=48°と選択することにより表面プラズモン共鳴光の第２高調波の励起量は最大となる。
【００３６】
また、図５は図４のフォトカソード装置の銀層２ａの最適厚さtをも説明するためのものである。つまり、銀層２ａの厚さtを変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルをも図５に示してある。
【００３７】
図５に示すように、銀層２ａの厚さtが35nm未満では、銀層２ａで発生するエバネッセント光を銀層２ａが十分に吸収できないことから、プラズモンディップは発生しない。また、銀層２ａの厚さtが55nmを超えると、銀層２ａで発生するエバネッセント光の減衰が大きくなり、銀層２ａの表面プラズモン共鳴光の励起ができなくなり、プラズモンディップにおける反射率Rは大きくなる。従って、ATR信号スペクトルは銀層２ａの厚さt≒45nmで反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有する。このように、銀層２ａの厚さtは45±1nmの範囲で選択することにより表面プラズモン共鳴光の第２高調波の励起量は最大となる。
【００３８】
図６は本発明に係るフォトカソード装置の第３の実施の形態を示す断面図である。図６においては、図１のアルミニウム層２の光電面にアルカリ金属（あるいはアルカリ金属化合物）層８を被覆する。これにより、アルミニウム層２の仕事関数を低下させて量子効率ηを上昇させることができる。
【００３９】
図６のフォトカソード装置も、紫外レーザ源５及び波長板６を除き、真空容器（図示せず）内に載置されるが、この真空容器は、アルカリ金属もしくはアルカリ金属化合物が酸化し易いので、超高真空状態を要し、図１、図４のフォトカソード装置より製造コストが上昇する。また、寿命は１００時間程度である。
【００４０】
図７は図６のフォトカソード装置のアルカリ金属（アルカリ金属化合物）層８としてCsI層を用いた場合のCsI層の最適の厚さtCsIを説明するためのATR信号スペクトル図である。図６のアルミニウム層２の光電面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とするCsI層の厚さtCsIはアルミニウム層２の光入射面での反射率Rが最小となるように選択される。つまり、CsI層の厚さtCsIを変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図７に示してある。CsI層の厚さtCsI以外の波長λ=266nmの紫外レーザ光UVの基における条件は次のごとくである。
石英プリズム１について、
屈折率n1=1.500
消衰係数k1=0
である。アルミニウム層２について、
屈折率n2=0.209
消衰係数k2=3.11
厚さt=20.5nm
である。CsI層について、
屈折率n3=2.101
消衰係数k3=0
である。
【００４１】
図７に示すように、CsI層の厚さtCsIを0〜5nmと変化させた場合には、プラズモン共鳴を示すディップは大きい角度θへずれる。しかし、CsI層の光吸収（k3=0）は存在しないので、その厚さtCsIによらず、ATR信号スペクトルは反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有する。従って、量子効率ηの良い表面プラズモン共鳴光の励起が可能となる。
【００４２】
図８は図６のフォトカソード装置のアルカリ金属（アルカリ金属化合物）層８としてK層を用いた場合のK層の最適の厚さtKを説明するためのATR信号スペクトル図である。図６のアルミニウム層２の光電面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とするK層の厚さtKはアルミニウム層２の光入射面での反射率Rが最小となるように選択される。つまり、K層の厚さtKを変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図８に示してある。K層の厚さtK以外の波長λ=266nmの紫外レーザ光UVの基における条件は次のごとくである。
石英プリズム１について、
屈折率n1=1.500
消衰係数k1=0
である。アルミニウム層２について、
屈折率n2=0.209
消衰係数k2=3.11
厚さt=19.5nm
である。K層について、
屈折率n3=0.64
消衰係数k3=0.04
である。
【００４３】
図８に示すように、K層の厚さtKを0〜5nmと変化させた場合には、プラズモン共鳴を示すディップは小さい角度θへずれる。しかし、K層の光吸収（k3=0.04）は若干存在するので、これを考慮して、K層が存在しないアルミニウム層２の最適の厚さ20.5nmを1nm減らしてアルミニウム層２の厚さを19.5nmとし、K層の厚さtkを1nmとする。このとき、ATR信号スペクトルは反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有し、量子効率ηの良い表面プラズモン共鳴光の励起が可能となる。
【００４４】
図９は図６のフォトカソード装置のアルカリ金属（アルカリ金属化合物）層８としてNa層を用いた場合のNa層の最適の厚さtNaを説明するためのATR信号スペクトル図である。図６のアルミニウム層２の光電面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とするNa層の厚さtNaはアルミニウム層２の光入射面での反射率Rが最小となるように選択される。つまり、Na層の厚さtNaを変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図９に示してある。Na層の厚さtNa以外の波長λ=266nmの紫外レーザ光UVの基における条件は次のごとくである。
石英プリズム１について、
屈折率n1=1.500
消衰係数k1=0
である。アルミニウム層２について、
屈折率n2=0.209
消衰係数k2=3.11
厚さt=19.5nm
である。Na層について、
屈折率n3=0.049
消衰係数k3=1.0
である。
【００４５】
図９に示すように、Na層の厚さtNaを0〜5nmと変化させた場合には、プラズモン共鳴を示すディップは大きい角度θへずれる。しかし、Na層の光吸収（k3=1.0）は若干存在するので、これを考慮して、Na層が存在しないアルミニウム層２の最適の厚さ20.5nmを1nm減らしてアルミニウム層２の厚さを19.5nmとし、Na層の厚さtNaを1nmとする。このとき、ATR信号スペクトルは反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有し、量子効率ηの良い表面プラズモン共鳴光の励起が可能となる。
【００４６】
図４の銀層２ａの光電面に図６のアルカリ金属（あるいはアルカリ金属化合物）層８を被覆することもできる。これにより、銀層２ａの仕事関数を低下させて量子効率ηを上昇させることができる。この場合、アルカリ金属（アルカリ金属化合物）層８としてCsI層を用いた場合には銀層２ａの最適厚さ45nmを減らさずに、また、アルカリ金属（アルカリ金属化合物）層８としてK層もしくはNa層を用いた場合にはNa層もしくはK層が存在しない銀層２ａの最適厚さ45nmを減らすことにより、量子効率ηの良い表面プラズモン共鳴光の励起が可能となる。
【００４７】
また、図１０に示すように、金属被覆層としてのアルミニウム層２あるいは銀層２ａに紫外レーザ源５の紫外レーザ光UVあるいは可視レーザ源５ａの可視レーザ光Vの波長λより小さい直径の孔部２１を形成する。これにより、紫外レーザ光UVもしくは可視レーザ光Vの一部は金属被覆層の孔部２１に入射する。このとき、孔部２１の直径は波長λより小さいので、孔部２１に入射した光は孔部２１の外部に放射されることはなく、その一方でエバネッセント光を発生する。この現象は、微小開口によるエバネッセント光の発生として知られている。そして、孔部２１の１つに発生したエバネッセント光は、図１０の（Ｂ）に矢示するように、孔部２１の配列に従って縦横斜めに、次々に隣接する孔部２１に伝播することによって強度が増大される。この結果、強度が増大されたエバネッセント光により金属被覆層の光電面に表面プラズモン共鳴光がさらに容易に励起される。
【００４８】
本願発明者は第１の従来のフォトカソード装置と図１のフォトカソード装置との比較を行った。すなわち、石英ガラス基板（図１の場合、石英プリズム）及びアルミニウム層よりなるフォトカソード装置を試作した。アルミニウム層の被覆の前に、石英ガラス基板（石英プリズム）を次の洗浄条件で洗浄した。
イソプロピルアルコール（IPA）８０℃ 浸漬５分、超音波１０分；
引き上げて窒素ブロー；
超音波クリーニング１０分；
その後、アルミニウム層を次の条件によるDCスパッタリングによって石英ガラス基板（石英プリズム）に被覆した。
基板距離 170nm
Ar 100sccm
圧力 3.4×10-1 Pa
投入電力 0.5kW
【００４９】
上述のフォトカソード装置を真容容器のカソード側に配置して接地し、電子引き出し電極をアノード側に配置して100〜1000Vを印加した。このとき、フォトカソード装置と電子引き出し電極との距離は1〜10mm程度とした。
【００５０】
第１の従来のフォトカソード装置に相当する観測を行った。つまり、フォトカソード装置の光電面から266nmのレーザ光を照射した結果、1.5nAの光電流量を得た。266nmのレーザ光の1mWの光子数は1.3×1015/s、1.6nAの電子数は1×1010/sであるので、量子効率ηは、
η = (1×1010 × 1.5 / 1.6) / 1.3×1015
≒ 10-5
となった。
【００５１】
これに対し、図１のフォトカソード装置に相当する観測を行った。つまり、フォトカソード装置の石英ガラス基板（石英プリズム）側から266nmのレーザ光を入射させた結果、1000〜10000nAの光電流量を得た。従って、量子効率ηは、
η = (1×1010 × (103〜104) / 1.6) / 1.3×1015
= 5×10-2〜5×10-3
となり、量子効率ηは第１の従来のフォトカソード装置に比べて数100〜数1000倍も高くなった。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係るフォトカソード装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１のフォトカソード装置のアルミニウム層の光入射角を説明するための全反射減衰（ATR）信号スペクトル図である。
【図３】図１のフォトカソード装置のアルミニウム層の厚さを説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図４】本発明に係るフォトカソード装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図５】図４のフォトカソード装置の銀層の光入射角及び厚さを説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図６】本発明に係るフォトカソード装置の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図７】図６のフォトカソード装置のアルカリ金属（アルカリ金属化合物）層としてのCsI層の厚さを説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図８】図６のフォトカソード装置のアルカリ金属（アルカリ金属化合物）層としてのK層の厚さを説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図９】図６のフォトカソード装置のアルカリ金属（アルカリ金属化合物）層８としてのNa層の厚さを説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図１０】図１、図４、図６の金属被覆層の変更例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１：石英プリズム
１ａ：BK-7プリズム
２：アルミニウム層
２ａ：銀層
３：無反射コート
４：反射コート
５：紫外レーザ源
５ａ：可視レーザ源
６：波長板
７：光電子引き出し電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電子を放出するフォトカソード装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光電子を放出するフォトカソード装置は、光電子増倍管の光電面、大型加速器の電子ビーム源、高輝度Ｘ線発生装置、高輝度電子ビーム発生装置、撮像装置等として利用されている。
【０００３】
第１の従来のフォトカソード装置は光が照射される金属あるいは半導体よりなるカソード部材を有している。このフォトカソード装置においては、カソード部材の仕事関数以上のエネルギーを有する光をカソード部材の照射面に照射して光電効果によりカソード部材の照射面から光電子を放出するものである。尚、カソード材料としては、Au、Cu等の金属、あるいはGaAs等の半導体がある。
【０００４】
しかしながら、上述の第１の従来のフォトカソード装置においては、カソード部材の反射率が高いために、カソード部材の照射面に入射する光子数に対してカソード部材の照射面から放出する光電子数が少ない。つまり、放出光電子数／入射光子数の比で表される量子効率ηはたとえば10-3〜10-4程度と低い。
【０００５】
第２の従来のフォトカソード装置においては、上述の第１の従来のフォトカソード装置のカソード部材の照射面にCs等のアルカリ金属あるいはアルカリ金属化合物を被覆している（参照：特許文献１，２）。これにより、カソード部材の仕事関数を低下させて量子効率ηを上昇させることができる。たとえば量子効率ηは10-1程度と高く、上述の第１の従来のフォトカソード装置に比べて102〜103となる。
【特許文献１】特開昭６０−１８００５２号公報
【特許文献２】特開平９−２１３２０４号公報
【非特許文献１】福井萬壽夫他，“光ナノテクノロジーの基礎”，オーム社，p.39-41，2003年11月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の第２の従来のフォトカソード装置においては、強い光がアルカリ金属もしくはアルカリ金属化合物の照射面に照射されるので、アルカリ金属もしくはアルカリ金属化合物が劣化し、装置の寿命は短くたとえば100時間程度という課題がある。
【０００７】
また、上述の第２の従来のフォトカソード装置においては、アルカリ金属あるいはアルカリ金属化合物が酸化し易いので、たとえば10-8Pa以下の超高真空状態で動作させる必要があり、この結果、超高真空設備を必要とし、製造コストが高いという課題もある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、量子効率が高く、長寿命でかつ低製造コストのフォトカソード装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するために、本発明に係るフォトカソード装置は、入射光を入射するための透明基材と、透明基材の表面に被覆された金属被覆層とを具備し、金属被覆層において入射光により表面プラズモン共鳴光を励起し、表面プラズモン共鳴光の光電効果により金属被覆層の透明基材の反対側の光電面から光電子を放出させるようにしたものである。これにより、表面プラズモン共鳴光による光電子数が多く、量子効率ηが高くなる。アルカリ金属あるいはアルカリ金属化合物が存在しないので、長寿命となり、また、超高真空設備が不要となる。
【００１０】
入射光の前記金属被覆層の光入射面での入射角は、全反射領域において入射光の金属被覆層の光入射面での反射率が最小となる光吸収（プラズモン）ディップ角度である。
【００１１】
金属被覆層の厚さは、プラズモンディップ角度で入射した入射光の金属被覆層の光入射面での反射率が最小となるように選択される。
【００１２】
さらに、金属被覆層からの光電子放出を表面プラズモン共鳴光の第２高調波の光電効果により行う。これにより、入射光のエネルギーは低くなる。
【００１３】
さらに、金属被覆層の光電面に被覆されたアルカリ金属あるいはアルカリ金属化合物よりなる層を具備する。これにより、金属被覆層の仕事関数が小さくなる。しかし、超高真空設備を必要とする。
【００１４】
金属被覆層に入射光の波長より小さい径の複数の孔部を設ける。これにより、表面プラズモン共鳴光の励起は容易となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、量子効率を高くでき、また、寿命を長くでき、さらに、製造コストを低くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明に係るフォトカソード装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【００１７】
図１において、フォトカソード装置は、透明基材としての屈折率n1=1.50、頂角90°の石英プリズム１、及び石英プリズム１の稜部１１に対向する面１２に蒸着等により被覆された金属被覆層としてのアルミニウム層２を備えている。アルミニウム層２の長さはたとえば1cm程度であり、また、厚さは10nm〜10μmの範囲である。アルミニウム層２の厚さが10nm未満では、表面プラズモン共鳴光の発生が悪いことがあり、また、アルミニウム層２の厚さが10μmを超えると、アルミニウム層２で発生するエバネッセント光の減衰が大きくなりアルミニウム層２の表面に表面プラズモン共鳴光を励起できないことがある。尚、アルミニウム層２と石英プリズム１との密着性を高めるために、石英プリズム１の表面に1〜2nm程度のCr等の金属を蒸着してもよい。
【００１８】
また、石英プリズム１の稜部１１を挟む２つの面１３、１４の一方の面１３には無反射（AR）コート３が被覆され、他方の面１４には反射（R）コート４が被覆されている。尚、石英プリズム１の反射率たとえば８％による入射損失が無視できれば、無反射コート３は省略できる。
【００１９】
さらに、紫外レーザ源５及び波長板６が設けられ、これにより紫外レーザ源５から発生した紫外レーザ光UVが波長板６、無反射コート３及び石英プリズム１を介してアルミニウム層２に入射する。この場合、アルミニウム層２の表面に表面プラズモン共鳴光を励起させるためには、紫外レーザ光UVのアルミニウム層２の入射／反射面に水平な偏光いわゆるTM偏光もしくはP偏光を石英プリズム１に入射させる必要があり、このために、波長板６を回転調整する。尚、紫外レーザ源５の紫外レーザ光UVの偏光は直線偏光を有しているので、波長板６を設けずに、紫外レーザ源５の筐体を回転させて上記のP偏光を形成してもよい。
【００２０】
さらにまた、金属被覆層２から放出された光電子PEを引き出すために、金属被覆層２に対向して光電子引き出し電極７が設けられている。尚、この場合、金属被覆層２は接地され、光電子引き出し電極７には正電圧が印加されている。
【００２１】
図１のフォトカソード装置は紫外レーザ源５及び波長板６を除き、真空容器（図示せず）内に載置されるが、この真空容器は超高真空状態を要しないので、製造コストを低減できる。
【００２２】
図１のフォトカソード装置の動作原理は、紫外レーザ光UVによってアルミニウム層２にエバネッセント光を発生し、このエバネッセント光によりアルミニウム層２の光電面に表面プラズモン共鳴光を励起させる。この場合、紫外レーザ光UVはP偏光なのでアルミニウム層２の表面に平行な電界成分及び垂直な電界成分を有し、それぞれの電界成分が増大する。たとえば、この表面プラズモン共鳴光によりアルミニウム層２の光電面での入射光の電界強度は２０倍程度となり、従って、アルミニウム層２の入射光の光強度はその電界成分の２乗なので400（=20×20）倍程度となる。この結果、アルミニウム層２から放出される光電子の発生量も４００倍程度増大することになる。表面プラズモン共鳴光については非特許文献１を参照されたし。
【００２３】
さらに、図１のフォトカソード装置において、アルミニウム層２の光電効果を発揮させるためには、紫外レーザ光UVのエネルギーはアルミニウム層２の仕事関数より大きくなければならない。アルミニウム層２の仕事関数は4.2eV（=波長292nm相当）である。従って、紫外レーザ源５の紫外レーザ光UVの波長は292nm未満である必要がある。たとえば、紫外レーザ源５としてYAGレーザの第４高調波（波長266nm）を用いる。
【００２４】
図２は図１のフォトカソード装置の最適入射角θを説明するための全反射減衰（ATR）信号スペクトル図である。図１のアルミニウム層２の光電面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とする紫外レーザ光UVの入射角θは臨界角θcより大きい範囲で、アルミニウム層２の光入射面での反射率Rが最小となる角度である。つまり、石英プリズム１に対して紫外レーザ光UVを相対的に角度スキャンしてアルミニウム層２からの反射光を利用してシミュレーションした結果であるATR信号スペクトルを図２に示している。尚、このシミュレーションソフトとしてはマックスプランク研究所開発のWinSpall（商標名）を用いた。波長λ=266nmの紫外レーザ光UVの基における条件は次のごとくである。
石英プリズム１について、
屈折率n1=1.500
消衰係数k1=0
である。アルミニウム層２について、
屈折率n2=0.209
消衰係数k2=3.11
厚さt=20.5nm
である。
【００２５】
図２に示すように、ATR信号スペクトルは、入射角θ=45°（>θc=40.3°）で反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有する。従って、入射角θ=45°とすることにより表面プラズモン共鳴光の励起量は最大となる。
【００２６】
図３は図１のフォトカソード装置のアルミニウム層２の最適の厚さtを説明するためのATR信号スペクトル図である。図１のアルミニウム層２の光電面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とするアルミニウム層２の厚さtはアルミニウム層２の光入射面での反射率Rが最小となるように選択される。つまり、アルミニウム層２の厚さtを変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図３に示してある。アルミニウム層２の厚さ以外の波長λ=266nmの紫外レーザ光UVの基における条件は次のごとくである。
石英プリズム１について、
屈折率n1=1.500
消衰係数k1=0
である。アルミニウム層２について、
屈折率n2=0.209
消衰係数k2=3.11
である。
【００２７】
図３に示すように、アルミニウム層２の厚さtが15nm未満では、アルミニウム層２で発生するエバネッセント光をアルミニウム層２が十分に吸収できないことから、プラズモンディップが発生しない。また、アルミニウム層２の厚さtが25nmを超えると、アルミニウム層２で発生するエバネッセント光の減衰が大きくなり、アルミニウム層２の表面プラズモン共鳴光の励起ができなくなり、プラズモンディップにおける反射率Rは大きくなる。従って、ATR信号スペクトルはアルミニウム層２の厚さt≒20nmで反射率R=0の鋭い光吸収（プラズモン）ディップを有する。このように、アルミニウム層２の厚さtは20±1nmの範囲で選択することにより表面プラズモン共鳴光の励起量は最大となる。
【００２８】
図１のフォトカソード装置においては、紫外レーザ光UVのスペクトル幅を考慮する必要がある。紫外レーザ光UVがピコ秒（ps）パルスの場合、スペクトル幅は1000GHz程度なので、このスペクトル幅の範囲では鋭いプラズモンディップを有するATRスペクトルとなり、光電子放出もピコ秒の時間スケールに追随したものとなる。他方、紫外レーザ光UVがフェムト秒（fs）パルスの場合、スペクトル幅は大きく広がり、この広いスペクトル幅の範囲ではATRスペクトルの共鳴線幅を超える励起を行うことになり、光電子放出もフェムト秒の時間スケールに追随できない。従って、紫外レーザ光UVのパルス幅は10〜100フェムト秒（fs）程度が限界である。
【００２９】
図４は本発明に係るフォトカソード装置の第２の実施の形態を示す断面図である。図４においては、図１の石英プリズム１、アルミニウム層２、紫外レーザ源５の代りに、屈折率n1=1.535のBK-7プリズム１ａ、銀（Ag）層２ａ、可視レーザ源５ａを設けてある。
【００３０】
可視レーザ源５ａの可視レーザ光Vはたとえば波長λ=442nmを有し、図１の紫外レーザ源５の紫外レーザ光に比べて低エネルギーである。従って、図１の石英プリズム１よりも低価格のガラスであるBK-7プリズム１ａを用いることができる。
【００３１】
図４のフォトカソード装置も、可視レーザ源５ａ及び波長板６を除き、真空容器（図示せず）内に載置されるが、この真空容器は超高真空状態を要しないので、製造コストを低減できる。
【００３２】
図４のフォトカソード装置の動作原理は、可視レーザ光Vによって銀層２ａにエバネッセント光を発生し、このエバネッセント光により銀層２ａのBK-7プリズム１ａと反対側表面（光電面）に表面プラズモン共鳴光の第２高調波（表面SHG波 surface second harmonic generation wave）を励起させる。つまり、可視レーザ光Vの波長λを442.8nmとすれば、銀の表面プラズモン共鳴波長は400〜600nmであるので、表面プラズモン共鳴光の第２高調波を効率よく励起する。このとき、表面プラズモン共鳴光の第２高調波の波長はλ=221.4nmとなる。
【００３３】
図４のフォトカソード装置において、銀層２ａの光電効果を発揮させるためには、可視レーザ光Vのエネルギーは銀層２ａの仕事関数より大きくなければならない。しかし、図４のフォトカソード装置においては、表面プラズモン共鳴光の第２高調波の励起を利用しているので、可視レーザ光Vのエネルギーは銀層２ａにおいて２倍となる。ここで、銀層２ａの仕事関数は4.25eV（=波長292nm相当）である。従って、可視レーザ源５ａの可視レーザ光Vの波長は表面プラズモンを励起できかつその第２高調波が仕事関数4.25eVを越えることが可能な、400〜600nmであればよい。
【００３４】
図５は図４のフォトカソード装置の最適入射角θを説明するための全反射減衰（ATR）信号スペクトル図である。図４の銀層２ａの光電面における表面プラズモン共鳴光の第２高調波を励起量を最大とする可視レーザ光Vの入射角θは臨界角θcより大きい範囲で、銀層２ａの光入射面での反射率Rが最小となるように選択される。つまり、BK-7プリズム１ａに対して可視レーザ光Vを相対的に角度スキャンして銀層２ａからの反射光を利用してシミュレーションした結果であるATR信号スペクトルが図５に示されている。波長λ=442.8nmの可視レーザ光Vの基における条件は次のごとくである。
BK-7プリズム１ａについて、
屈折率n1=1.535
消衰係数k1=0
である。銀層２ａについて、
屈折率n2=0.157
消衰係数k2=2.40
である。
【００３５】
図５に示すように、ATR信号スペクトルは、入射角θ=46.5°（>θc=36.3°）で反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有する。従って、入射角θ=48°と選択することにより表面プラズモン共鳴光の第２高調波の励起量は最大となる。
【００３６】
また、図５は図４のフォトカソード装置の銀層２ａの最適厚さtをも説明するためのものである。つまり、銀層２ａの厚さtを変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルをも図５に示してある。
【００３７】
図５に示すように、銀層２ａの厚さtが35nm未満では、銀層２ａで発生するエバネッセント光を銀層２ａが十分に吸収できないことから、プラズモンディップは発生しない。また、銀層２ａの厚さtが55nmを超えると、銀層２ａで発生するエバネッセント光の減衰が大きくなり、銀層２ａの表面プラズモン共鳴光の励起ができなくなり、プラズモンディップにおける反射率Rは大きくなる。従って、ATR信号スペクトルは銀層２ａの厚さt≒45nmで反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有する。このように、銀層２ａの厚さtは45±1nmの範囲で選択することにより表面プラズモン共鳴光の第２高調波の励起量は最大となる。
【００３８】
図６は本発明に係るフォトカソード装置の第３の実施の形態を示す断面図である。図６においては、図１のアルミニウム層２の光電面にアルカリ金属（あるいはアルカリ金属化合物）層８を被覆する。これにより、アルミニウム層２の仕事関数を低下させて量子効率ηを上昇させることができる。
【００３９】
図６のフォトカソード装置も、紫外レーザ源５及び波長板６を除き、真空容器（図示せず）内に載置されるが、この真空容器は、アルカリ金属もしくはアルカリ金属化合物が酸化し易いので、超高真空状態を要し、図１、図４のフォトカソード装置より製造コストが上昇する。また、寿命は１００時間程度である。
【００４０】
図７は図６のフォトカソード装置のアルカリ金属（アルカリ金属化合物）層８としてCsI層を用いた場合のCsI層の最適の厚さtCsIを説明するためのATR信号スペクトル図である。図６のアルミニウム層２の光電面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とするCsI層の厚さtCsIはアルミニウム層２の光入射面での反射率Rが最小となるように選択される。つまり、CsI層の厚さtCsIを変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図７に示してある。CsI層の厚さtCsI以外の波長λ=266nmの紫外レーザ光UVの基における条件は次のごとくである。
石英プリズム１について、
屈折率n1=1.500
消衰係数k1=0
である。アルミニウム層２について、
屈折率n2=0.209
消衰係数k2=3.11
厚さt=20.5nm
である。CsI層について、
屈折率n3=2.101
消衰係数k3=0
である。
【００４１】
図７に示すように、CsI層の厚さtCsIを0〜5nmと変化させた場合には、プラズモン共鳴を示すディップは大きい角度θへずれる。しかし、CsI層の光吸収（k3=0）は存在しないので、その厚さtCsIによらず、ATR信号スペクトルは反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有する。従って、量子効率ηの良い表面プラズモン共鳴光の励起が可能となる。
【００４２】
図８は図６のフォトカソード装置のアルカリ金属（アルカリ金属化合物）層８としてK層を用いた場合のK層の最適の厚さtKを説明するためのATR信号スペクトル図である。図６のアルミニウム層２の光電面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とするK層の厚さtKはアルミニウム層２の光入射面での反射率Rが最小となるように選択される。つまり、K層の厚さtKを変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図８に示してある。K層の厚さtK以外の波長λ=266nmの紫外レーザ光UVの基における条件は次のごとくである。
石英プリズム１について、
屈折率n1=1.500
消衰係数k1=0
である。アルミニウム層２について、
屈折率n2=0.209
消衰係数k2=3.11
厚さt=19.5nm
である。K層について、
屈折率n3=0.64
消衰係数k3=0.04
である。
【００４３】
図８に示すように、K層の厚さtKを0〜5nmと変化させた場合には、プラズモン共鳴を示すディップは小さい角度θへずれる。しかし、K層の光吸収（k3=0.04）は若干存在するので、これを考慮して、K層が存在しないアルミニウム層２の最適の厚さ20.5nmを1nm減らしてアルミニウム層２の厚さを19.5nmとし、K層の厚さtkを1nmとする。このとき、ATR信号スペクトルは反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有し、量子効率ηの良い表面プラズモン共鳴光の励起が可能となる。
【００４４】
図９は図６のフォトカソード装置のアルカリ金属（アルカリ金属化合物）層８としてNa層を用いた場合のNa層の最適の厚さtNaを説明するためのATR信号スペクトル図である。図６のアルミニウム層２の光電面における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とするNa層の厚さtNaはアルミニウム層２の光入射面での反射率Rが最小となるように選択される。つまり、Na層の厚さtNaを変化させた場合のそれぞれの全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図９に示してある。Na層の厚さtNa以外の波長λ=266nmの紫外レーザ光UVの基における条件は次のごとくである。
石英プリズム１について、
屈折率n1=1.500
消衰係数k1=0
である。アルミニウム層２について、
屈折率n2=0.209
消衰係数k2=3.11
厚さt=19.5nm
である。Na層について、
屈折率n3=0.049
消衰係数k3=1.0
である。
【００４５】
図９に示すように、Na層の厚さtNaを0〜5nmと変化させた場合には、プラズモン共鳴を示すディップは大きい角度θへずれる。しかし、Na層の光吸収（k3=1.0）は若干存在するので、これを考慮して、Na層が存在しないアルミニウム層２の最適の厚さ20.5nmを1nm減らしてアルミニウム層２の厚さを19.5nmとし、Na層の厚さtNaを1nmとする。このとき、ATR信号スペクトルは反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有し、量子効率ηの良い表面プラズモン共鳴光の励起が可能となる。
【００４６】
図４の銀層２ａの光電面に図６のアルカリ金属（あるいはアルカリ金属化合物）層８を被覆することもできる。これにより、銀層２ａの仕事関数を低下させて量子効率ηを上昇させることができる。この場合、アルカリ金属（アルカリ金属化合物）層８としてCsI層を用いた場合には銀層２ａの最適厚さ45nmを減らさずに、また、アルカリ金属（アルカリ金属化合物）層８としてK層もしくはNa層を用いた場合にはNa層もしくはK層が存在しない銀層２ａの最適厚さ45nmを減らすことにより、量子効率ηの良い表面プラズモン共鳴光の励起が可能となる。
【００４７】
また、図１０に示すように、金属被覆層としてのアルミニウム層２あるいは銀層２ａに紫外レーザ源５の紫外レーザ光UVあるいは可視レーザ源５ａの可視レーザ光Vの波長λより小さい直径の孔部２１を形成する。これにより、紫外レーザ光UVもしくは可視レーザ光Vの一部は金属被覆層の孔部２１に入射する。このとき、孔部２１の直径は波長λより小さいので、孔部２１に入射した光は孔部２１の外部に放射されることはなく、その一方でエバネッセント光を発生する。この現象は、微小開口によるエバネッセント光の発生として知られている。そして、孔部２１の１つに発生したエバネッセント光は、図１０の（Ｂ）に矢示するように、孔部２１の配列に従って縦横斜めに、次々に隣接する孔部２１に伝播することによって強度が増大される。この結果、強度が増大されたエバネッセント光により金属被覆層の光電面に表面プラズモン共鳴光がさらに容易に励起される。
【００４８】
本願発明者は第１の従来のフォトカソード装置と図１のフォトカソード装置との比較を行った。すなわち、石英ガラス基板（図１の場合、石英プリズム）及びアルミニウム層よりなるフォトカソード装置を試作した。アルミニウム層の被覆の前に、石英ガラス基板（石英プリズム）を次の洗浄条件で洗浄した。
イソプロピルアルコール（IPA）８０℃ 浸漬５分、超音波１０分；
引き上げて窒素ブロー；
超音波クリーニング１０分；
その後、アルミニウム層を次の条件によるDCスパッタリングによって石英ガラス基板（石英プリズム）に被覆した。
基板距離 170nm
Ar 100sccm
圧力 3.4×10-1 Pa
投入電力 0.5kW
【００４９】
上述のフォトカソード装置を真容容器のカソード側に配置して接地し、電子引き出し電極をアノード側に配置して100〜1000Vを印加した。このとき、フォトカソード装置と電子引き出し電極との距離は1〜10mm程度とした。
【００５０】
第１の従来のフォトカソード装置に相当する観測を行った。つまり、フォトカソード装置の光電面から266nmのレーザ光を照射した結果、1.5nAの光電流量を得た。266nmのレーザ光の1mWの光子数は1.3×1015/s、1.6nAの電子数は1×1010/sであるので、量子効率ηは、
η = (1×1010 × 1.5 / 1.6) / 1.3×1015
≒ 10-5
となった。
【００５１】
これに対し、図１のフォトカソード装置に相当する観測を行った。つまり、フォトカソード装置の石英ガラス基板（石英プリズム）側から266nmのレーザ光を入射させた結果、1000〜10000nAの光電流量を得た。従って、量子効率ηは、
η = (1×1010 × (103〜104) / 1.6) / 1.3×1015
= 5×10-2〜5×10-3
となり、量子効率ηは第１の従来のフォトカソード装置に比べて数100〜数1000倍も高くなった。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係るフォトカソード装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１のフォトカソード装置のアルミニウム層の光入射角を説明するための全反射減衰（ATR）信号スペクトル図である。
【図３】図１のフォトカソード装置のアルミニウム層の厚さを説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図４】本発明に係るフォトカソード装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図５】図４のフォトカソード装置の銀層の光入射角及び厚さを説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図６】本発明に係るフォトカソード装置の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図７】図６のフォトカソード装置のアルカリ金属（アルカリ金属化合物）層としてのCsI層の厚さを説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図８】図６のフォトカソード装置のアルカリ金属（アルカリ金属化合物）層としてのK層の厚さを説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図９】図６のフォトカソード装置のアルカリ金属（アルカリ金属化合物）層８としてのNa層の厚さを説明するためのATR信号スペクトル図である。
【図１０】図１、図４、図６の金属被覆層の変更例を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１：石英プリズム
１ａ：BK-7プリズム
２：アルミニウム層
２ａ：銀層
３：無反射コート
４：反射コート
５：紫外レーザ源
５ａ：可視レーザ源
６：波長板
７：光電子引き出し電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を入射するための透明基材（１，１ａ）と、
該透明基材の表面に被覆された金属被覆層（２，２ａ）と
を具備し、
前記金属被覆層において前記入射光により表面プラズモン共鳴光を励起し、該表面プラズモン共鳴光の光電効果により前記金属被覆層の前記透明基材と反対側の光電面から光電子を放出させるようにしたフォトカソード装置。
【請求項２】
前記入射光の前記金属被覆層の光入射面での入射角は、全反射領域において前記入射光の前記金属被覆層の光入射面での反射率（R）が最小となる光吸収ディップ角度である請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項３】
前記金属被覆層の厚さ（t）は、前記光吸収ディップ角度で入射した前記入射光の前記金属被覆層の光入射面での反射率（R）が最小となるように選択された請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項４】
前記透明基材はプリズム（１，１ａ）である請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項５】
前記プリズムの稜部（１１）に対向する面（１２）に前記金属被覆層が被覆された請求項４に記載のフォトカソード装置。
【請求項６】
前記プリズムの稜部を挟む２つの面の一方の面（１３）に無反射コート（３）を被覆し、該無反射コートを介して前記入射光を入射せしめるようにした請求項４に記載のフォトカソード装置。
【請求項７】
前記プリズムの稜部を挟む２つの面の他方の面（１４）に反射コート（４）を被覆した請求項６に記載のフォトカソード装置。
【請求項８】
さらに、レーザユニット（５，５ａ）を具備し、該レーザユニットからレーザ光を前記透明基材への前記入射光とする請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項９】
さらに、前記レーザユニットと前記透明基材との間に波長板（６）を具備する請求項８に記載のフォトカソード装置。
【請求項１０】
前記透明基材が石英プリズム（１）であり、
前記金属被覆層（２）がアルミニウム（Al）よりなり、
前記入射光が紫外光である請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項１１】
前記入射光は10フェムト秒以上のパルス幅を有する請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項１２】
さらに、前記金属被覆層からの光電子放出を前記表面プラズモン共鳴光の第２高調波の光電効果により行う請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項１３】
前記透明基材が普通ガラスプリズム（１ａ）であり、
前記金属被覆層（２ａ）が銀（Ag）よりなり、
前記入射光が可視光である請求項１２に記載のフォトカソード装置。
【請求項１４】
さらに、前記金属被覆層の光電面に被覆されたアルカリ金属あるいはアルカリ金属化合物よりなる層（８）を具備する請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項１５】
さらに、前記金属被覆層の光電面に被覆されたアルカリ金属あるいはアルカリ金属化合物よりなる層（８）を具備し、該アルカリ金属あるいはアルカリ金属化合物よりなる層の厚さ（tCsI, tK, tNA）は、前記光吸収ディップ角度で入射した前記入射光の前記金属被覆層の光入射面での反射率が最小となるように選択された請求項２に記載のフォトカソード装置。
【請求項１６】
前記選択された金属被覆層の厚さを前記選択されたアルカリ金属もしくはアルカリ金属化合物よりなる層の厚さで補正した請求項１５に記載のフォトカソード装置。
【請求項１７】
前記金属被覆層に前記入射光の波長より小さい径を有する複数の孔部（２１）を設けた請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項１８】
前記複数の孔部が規則性を有する請求項１７に記載のフォトカソード装置。
【請求項１】
入射光を入射するための透明基材（１，１ａ）と、
該透明基材の表面に被覆された金属被覆層（２，２ａ）と
を具備し、
前記金属被覆層において前記入射光により表面プラズモン共鳴光を励起し、該表面プラズモン共鳴光の光電効果により前記金属被覆層の前記透明基材と反対側の光電面から光電子を放出させるようにしたフォトカソード装置。
【請求項２】
前記入射光の前記金属被覆層の光入射面での入射角は、全反射領域において前記入射光の前記金属被覆層の光入射面での反射率（R）が最小となる光吸収ディップ角度である請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項３】
前記金属被覆層の厚さ（t）は、前記光吸収ディップ角度で入射した前記入射光の前記金属被覆層の光入射面での反射率（R）が最小となるように選択された請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項４】
前記透明基材はプリズム（１，１ａ）である請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項５】
前記プリズムの稜部（１１）に対向する面（１２）に前記金属被覆層が被覆された請求項４に記載のフォトカソード装置。
【請求項６】
前記プリズムの稜部を挟む２つの面の一方の面（１３）に無反射コート（３）を被覆し、該無反射コートを介して前記入射光を入射せしめるようにした請求項４に記載のフォトカソード装置。
【請求項７】
前記プリズムの稜部を挟む２つの面の他方の面（１４）に反射コート（４）を被覆した請求項６に記載のフォトカソード装置。
【請求項８】
さらに、レーザユニット（５，５ａ）を具備し、該レーザユニットからレーザ光を前記透明基材への前記入射光とする請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項９】
さらに、前記レーザユニットと前記透明基材との間に波長板（６）を具備する請求項８に記載のフォトカソード装置。
【請求項１０】
前記透明基材が石英プリズム（１）であり、
前記金属被覆層（２）がアルミニウム（Al）よりなり、
前記入射光が紫外光である請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項１１】
前記入射光は10フェムト秒以上のパルス幅を有する請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項１２】
さらに、前記金属被覆層からの光電子放出を前記表面プラズモン共鳴光の第２高調波の光電効果により行う請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項１３】
前記透明基材が普通ガラスプリズム（１ａ）であり、
前記金属被覆層（２ａ）が銀（Ag）よりなり、
前記入射光が可視光である請求項１２に記載のフォトカソード装置。
【請求項１４】
さらに、前記金属被覆層の光電面に被覆されたアルカリ金属あるいはアルカリ金属化合物よりなる層（８）を具備する請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項１５】
さらに、前記金属被覆層の光電面に被覆されたアルカリ金属あるいはアルカリ金属化合物よりなる層（８）を具備し、該アルカリ金属あるいはアルカリ金属化合物よりなる層の厚さ（tCsI, tK, tNA）は、前記光吸収ディップ角度で入射した前記入射光の前記金属被覆層の光入射面での反射率が最小となるように選択された請求項２に記載のフォトカソード装置。
【請求項１６】
前記選択された金属被覆層の厚さを前記選択されたアルカリ金属もしくはアルカリ金属化合物よりなる層の厚さで補正した請求項１５に記載のフォトカソード装置。
【請求項１７】
前記金属被覆層に前記入射光の波長より小さい径を有する複数の孔部（２１）を設けた請求項１に記載のフォトカソード装置。
【請求項１８】
前記複数の孔部が規則性を有する請求項１７に記載のフォトカソード装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２７７５１５（Ｐ２００９−２７７５１５Ａ）
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２７９４３（Ｐ２００８−１２７９４３）
【出願日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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