时间分辨特性是GaAs光电阴极应用于泵浦探测等领域的一种极为重要的性能参量。采用矩阵差分求解光电子扩散模型的方式计算了光电子连续性方程和出射光电子流密度方程，发现影响GaAs光电阴极时间分辨特性的因素包括GaAs/GaAlAs后界面复合速率、GaAs电子扩散系数和GaAs激活层厚度，之后较为系统地研究了这三种物理因素对GaAs光电阴极时间分辨特性的影响。研究结果表明，GaAs电子扩散系数和GaAs/GaAlAs后界面复合速率与光电阴极的响应速率存在非线性正比关系，且随着两者的增大，GaAs光电阴极将出现饱和响应速率。激活层厚度对GaAs光电阴极响应时间的影响最大，通过激活层厚度的适当减薄可以将GaAs光电阴极的响应时间缩短至20 ps，可满足绝大多数光子、粒子探测的快响应需求。该研究为快响应GaAs光电阴极的实验和应用提供了必要的理论支撑。

GaAs光电阴极以其量子效率高、光谱可调等优点广泛应用于微光夜视领域，尤其以高积分灵敏度的特性区别于多碱光电阴极，而 GaAs光电阴极负电子亲合势的特性是通过 Cs，O激活实现的，但是激活结束后，负电子亲合势的维持受诸多因素影响，如激活源、激活方式、气体氛围等。为了探究超高真空系统中影响 GaAs光电阴极稳定性的因素，开展了 GaAs光电阴极的激活实验和稳定性实验，对激活光电流曲线与腔室气体成分进行了监测，实验结果表明，在真空度优于 1×10－6 Pa的高真空系统中，影响其稳定性的是腔室中的气体成分，其中对稳定性影响最大的是 H2O，真空系统中 H2O分压的增加会导致 GaAs光电阴极的 Cs，O激活层迅速破坏，光电发射能力急剧下降。

基于超高真空光电阴极制备与表面分析互联装置开展了反射式GaAs光电阴极激活实验, 并利用扫描聚焦X射线光电子能谱对化学清洗后及Cs/O激活后的阴极表面进行了微区分析.通过X射线激发样品产生二次电子图像定位需要分析的微小区域, 更加准确地检测了阴极表面存在的杂质.检测发现化学清洗后的GaAs阴极样品会受到金属压片的二次污染, 出现钠、铯污染.表面分析和激活实验表明, 高温加热和激活并不能去除钠污染, 且此污染会影响表面砷的脱附, 阻碍激活过程中Cs、O的吸附, 降低阴极的光电发射性能.采用扫描聚焦X射线成像技术对阴极表面进行微区选点分析, 有助于更加准确地分析阴极激活前后的表面成分变化.

基于量子效率仿真研究, 设计并通过分子束外延生长了透射式GaAs光电阴极材料, 制作了透射式GaAs光电阴极组件, 并对其反射率和透射率进行了测试分析。在超高真空装置中制备了透射式GaAs光电阴极, 并实现了整管封接, 得到了GaAs光电阴极量子效率曲线。结果表明, 通过提高窗口层Al组分并降低发射层厚度可有效增强透射式GaAs光电阴极的短波响应, 与标准三代GaAs光电阴极相比, 其蓝绿光波段的探测能力得到了有效提升。

设计了具有e指数内建电场的透射式GaAs负电子亲和势阴极, 利用数值计算方法研究了它的时间响应特性和量子效率特性。结果表明, 当吸收区厚度L~0.2~1.5 μm时, 阴极的响应时间和量子效率均随L的增大而增大; 尤其当L~1.1 μm时响应时间达到10 ps, 量子效率达到12.5%~20%, 迄今为止, 与其他GaAs光电阴极相比, 在相同光谱响应条件下, 该响应速度是最高的。另外,在不同L下, 获得了平均时间衰减常数τ′的函数分布和能够获得最短响应时间的最优系数因子β分布, 为新型高速响应GaAs光电阴极的时间响应和量子效率优化提供了必要的理论基础和数据支持。

针对GaN 基光电阴极激活过程中Cs-O 交替存在的光电流的增幅问题，本文主要比较了GaN和GaAs 材料性质、表面结构以及激活过程中光电阴极的光电流。发现GaN 的熔点高于GaAs，在制备GaN基光电阴极时则需要更高的热清洗温度；如果用双偶极子模型描述GaN(1000)和GaAs(100)表面的光电发射机理，GaN(1000)表面Cs 原子与O 原子形成第二偶极矩O-Cs，几乎“平躺”在表面，对光电发射贡献不大；GaAs(100)表面Cs 原子与O 原子形成第二偶极矩O-Cs 几乎“垂直”于表面，降低了表面功函数，对光电发射贡献很大；Cs-O 激活过程中，对于GaAs 光电阴极，Cs、O交替过程形成的光电流与单纯Cs 激活时的光电流相比，有几倍甚至上百倍的增长；GaN 只提高了20%左右。通过第一性原理计算，与现在的GaN 基（1000）面相比，GaN 基的(1120)和(1010)面是极具潜力的光电发射面；预计闪锌矿GaN 基（100）面会取得更好的结果。

采用分子束外延技术制备了具有相同的均匀掺杂或指数掺杂的反射式(r-mode)和透射式(t-mode)GaAs光电阴极样品。利用在线光谱响应测试系统测试了它们的光谱响应，并对实验曲线进行拟合，得到了电子扩散长度和积分灵敏度。结果表明，经工艺处理后的t-mode样品，在均匀掺杂情况下其电子扩散长度的减小量是指数掺杂情况的两倍，积分灵敏度的降低量后者比前者少3%，因此指数掺杂方式有利于降低组件制备工艺对阴极材料发射层的影响。

确定阴极材料的光子吸收系数, 是开展变掺杂 GaAs光电阴极光电发射性能理论研究的重要条件之一。分析了变掺杂阴极的结构特点, 提出了材料等效光子吸收系数的概念, 并给出了等效光子吸收系数的计算方法。设计了变掺杂阴极样品并进行了阴极 Cs、O激活实验, 理论计算了材料的等效光子吸收系数并对激活后的阴极量子效率进行了拟合仿真, 拟合曲线同实验曲线非常一致, 证明了该计算方法的有效性。

测量了透射式 GaAs光电阴极四层、二层结构组件和三代像增强器光电阴极的荧光谱。激发光的波长分别为 514.5 nm和 785 nm。测量结果表明， GaAs外延层荧光谱的峰值波长较 GaAs衬底荧光峰值波长长。当 GaAs阴极四层结构组件变为二层结构组件时，GaAs发射层的荧光谱峰值波长向长波方向移动。将 GaAs阴极二层结构组件减薄激活之后，GaAs阴极发射层的荧光谱峰值波长向短波方向移动。三代像增强器 GaAs阴极组件在制作过程中荧光谱峰值波长变化的原因主要是 GaAs发射层内部晶格存在应变，因此当四层 GaAs阴极组件变为二层 GaAs阴极组件之后，由于 GaAs发射层内部晶格应变状态的变化，致使荧光谱的峰值波长向长波方向移动。当二层 GaAs阴极组件经过减薄、热清洗和激活之后，由于 GaAs发射层内部应力的释放，应变在一定程度上得到消除，因此 GaAs发射层的荧光谱峰值波长又向短波方向移动。通常情况下，GaAs材料的荧光谱是一条高斯型的曲线，但对三代管 GaAs阴极组件而言，当 GaAs发射层中存在不均匀的晶格应变时，其荧光谱曲线在峰值附近会出现不规则的形状，而当不均匀的晶格应变消除后，荧光谱曲线会恢复到正常的形状。所以 GaAs发射层中存在的应变会通过荧光谱反映出来，这样在 GaAs光电阴极的制作过程中，除了通过测量积分光荧光来评价 GaAs光电阴极的制作过程之外，还可以通过测量 GaAs光电阴极荧光谱的峰值波长变化来监控 GaAs光电阴极的制作过程。