摻質YAP晶體結構及釋光性能

摘 ?要：YAP晶體以其斜方晶系結構導致的各向異性和高低增益的單晶取向的結構優(yōu)勢，使其具有熔點低、晶體生長提拉速度快的優(yōu)勢、稀土離子在YAP晶體分凝系數大，輸出線偏振激光等優(yōu)勢，成為一種廣泛應用的激光晶體和閃爍晶體基質材料計量材料，廣泛于電離輻照計量領域。本文首先介紹了摻質YAP晶體相比YAG晶體作為釋光材料具備的結構優(yōu)勢;然后，詳細分析了幾種摻質（鈰、錳、銅）鋁酸釔晶體的的釋光性能。

關鍵詞：YAP晶體;摻質;熱釋光;發(fā)光譜線;發(fā)光譜線

引言：美國的Weber與蘇聯(lián)的科學家于上世紀60年代末發(fā)現(xiàn)了YAP優(yōu)異的激光性能，從而在使摻質鋁酸釔晶體的研究成了一個新的熱點。首先，其斜方晶系結構導致的各向異性，使其不僅具有與YAG相似的物化性能，還能抑制由于激光熱效應所產生的雙折射現(xiàn)象，輸出偏振光等等優(yōu)勢。其次其高低增益的單晶取向，使其分別應用于連續(xù)、脈沖激光器件，還可用于Q開關[1-2]。再次，YAP晶體中摻質離子的分凝系數比YAG晶體高幾倍，從而使得其單晶生長過程中的利用率高，速度快。由于其釋光性能還被以計量材料廣泛于電離輻照計量領域如環(huán)境劑量檢測、醫(yī)療器械診斷、深空計量探測等。本文將講述近幾年來對YAP摻質后晶體的結構特征及釋光性能研究的發(fā)展，并對存在未解決問題進行技術研究與探討，希望給從事此方面研究的相關人員提供一些參考。

一、材料的熱釋光與光釋光

（一）熱釋光。材料的熱釋光（Theroluminescence， TL）是物質預先吸收了輻射能量之后受熱激發(fā)所發(fā)出的光，不能與物質加熱到白熾化時自發(fā)發(fā)射的光混淆。物質能吸收并能儲存輻射能量是在輻射劑量方面的應用基礎。TL性能的產生來源于材料中負離子空位形成的電子陷阱束縛的電子受外界能量激發(fā)時和復合中心的復合發(fā)光。熱釋光的一個非常重要的特點是一次發(fā)光，為了使已產生熱釋光的材料再次發(fā)光，必須采取再次輻照該材料的方法，僅僅通過簡單的冷卻樣品后再加熱的想法是不可能使其再次發(fā)光的。在其正常熱釋光發(fā)光過程中，其發(fā)光強度與溫度之間的變化曲線可用來描述該材料的相關變化特性。

（二）光釋光。光釋光（ Optically Stimulated Luminescence ，OSL），固體的一種特征發(fā)光現(xiàn)象，即通過采用光激勵的方法使其發(fā)光，其機理是因某些介質長期受U、Th等放射性物質的輻射作用等，介質內（如樣品中的石英及長石）所接收到的輻射劑量不斷積累，即受輻照的樣品在還未達到飽和之前，總劑量是時間的函數。對于固體的光釋光現(xiàn)象，其光強強度取決于激發(fā)光源發(fā)射功率和發(fā)出光的頻率， 在滿足激發(fā)的條件下（頻率達到一定的條件），維持光源固定及激發(fā)功率不變的條件下， 固體釋光的光的總量則取決于固體中的儲能電子的數目，并且與其成正比關系。

（三）激光材料的特性。作為激光基質材料具備的基本要求：（1）可以摻入較高濃度的激活離子，濃度淬滅效應小，熒光壽命長。（2）制備工藝簡單，加工容易，成本低并可以獲得大尺寸的晶體。（3）具有良好的物理、化學和機械性能，熱導率高，化學穩(wěn)定性好，高功率密度等優(yōu)點。（4）摻入的激活離子具有有效的激勵光譜和大的受激發(fā)射截面，吸收光譜與泵浦光的輻射光譜存在較多重疊。（5）具有較高的熒光量子效率 。（6）工作頻率范圍透明，當激光產生色心時不會引起吸收的顯著增加。（7）光學質量高，缺陷少，內應力小，不產生入射光的波面畸變偏振態(tài)的變化。

二、YAP晶體結構及摻質后的特性

（一）YAP晶體的性能優(yōu)勢。由于YAP屬結構復雜，內部存在缺陷。這些缺陷導致在晶體的禁帶從而形成局部能級，扮演施主或受主的角色，所以YAP晶體可以作為一種釋光基質材料之一。而YAP晶體本身具有各向異性等特點，可通過選擇激光棒的不同取向.使激光發(fā)射波長可調整。同YAP晶體的雙折射特性可以克服熱應力感應雙折射和雙聚焦在高平均功率下對偏振和基模運轉的限制，所以YAP晶體在高技術領域應用中的許多特點是YAG 晶體所無法比擬的。該晶體的固有雙折射特性可以極其地降低熱致退偏振現(xiàn)象還可以減小熱透鏡效應對光束質量造成的危害。從具體的物理性能數據可以看出，YAP晶體相對YPG晶體存在以下幾點優(yōu)勢：一、熔點低;二、晶體生長提拉速度更快;三、某些稀土離子分凝系數大;四、可以正交輸出線偏振激光。目前在研究中YAG晶體被廣泛應用，然而YAP晶體使用相對較少，所以YAP晶體可以成為一種應用的激光晶體和閃爍晶體基質材料。

（二）摻質YAP晶體的特性。YAP晶體中色心是晶體中的一種點缺陷， 目前用于工作的多是立方晶體中的類型色心。色心激光晶體能在紅光到紅外很寬的波段上調諧， 而且激光質量好， 還能用作被動的激光開關。但需要在低溫下工作。年以來， 通過摻入雜質方法來穩(wěn)定色心， 研制出許多在室溫工作的色心調諧激光器。用計算機控制的高分辨調諧色心激光器已投入運轉。大尺寸又的色心激光器卜的輸出能量可達叮。目前仍致力于穩(wěn)定色心的探索。依據目前人們對YAP晶體摻雜后產生的特點不斷的更新和變化。

由于Tm3+， Ho3+摻雜的YAP晶體的激光發(fā)射波長一般是2um，然而該波段激光在水中的吸收系數較高、傳輸性好以及對視覺有較安全等優(yōu)點[2-4]，固態(tài)激光器采用2um波段被廣泛的軍事領域。另外YAP：Yb也是一種紅外激光晶體，但是由于其高的泵浦閾值導致其在激光應用方面的研究處于停滯狀態(tài)[10，11]。YAP：Nd可以產生1.097，1.34和1.44um 的激光，而YAP：Er晶體中不同摻雜定量的Er濃度可以產生1.6～3um范圍的激光。

三、YAP晶體摻質后的釋光性能

（一）摻鈰鋁酸釔晶體的釋光特性[1，2]。通過對晶體進過處理后的是YAP：Ce樣品，并進行多次實驗，可得出以下實驗結論：第一YAP：Ce晶體的釋光譜有三個獨立的發(fā)光峰分別處在390K，479K和701K處，其中主發(fā)光峰在701K處。第二點未經濃度優(yōu)化的YAP：Ce和LiF：Mg，Cu，P靈敏度相當， YAP：Ce具有更好的的釋光靈敏度。當調整Ce離子濃度時，其靈敏度對應的提高。因此YAP：Ce有可能發(fā)展成為具有特殊應用的輻射劑量計材料。

（二）摻錳鋁酸釔晶體的釋光特性。目前摻錳YAP晶體（YAP：Mn）是國家設定的重點研究項目，以YAP晶體做為基質的熱釋光晶體[5]。在摻錳YAP晶體中的Mn離子通常以Mn2+和Mn4+兩種形式。經過多次試驗證明Mn4+的發(fā)光峰位于712-717范圍內nm處，對應的發(fā)光來自2E →4A2的躍遷，Mn4+的吸收478-482 nm對應的躍遷是的4A2→4T2。Mn2+的發(fā)光峰位于528-532nm處的黃綠光發(fā)光帶，對應的發(fā)光來自4T1→6A1的躍遷。第一當YAP：Mn晶體采用藍綠激光輻照后，表現(xiàn)出來的特點是藍灰色著色比較顯著，產生Mn5+ 的過程是

Mn4+→Mn5++e，所以Mn4+具有可見光的敏感性表現(xiàn)較強。第二利用X射線，gama射線和UV輻照對Mn2+也存在敏感性。當加熱到650K輻照時，晶體陷阱中的電子將被釋放出來與Mn離子從而出生復合導致發(fā)光的現(xiàn)象。

通過對YAP：Mn晶體在137Cs gama輻照和UV輻照的劑量的條件下采用實驗數據對比分析中，可以得出：第一條通過低劑量γ輻照后響應通常在0.3mGy處出現(xiàn)的線性劑量偏移，從而導致UV成份是日光中的影響因素;第二條，通過實驗證明，當紫外光（254nm）輻照劑量時，大約103s輻照時間的地方，TL信號表現(xiàn)出來是飽和狀態(tài)，產生過程具體原因是在γ輻照和UV輻照對應Mn2+不同的的越級現(xiàn)象，產生不同陷阱，同時為了彌補電荷的平衡，可以看到發(fā)光現(xiàn)象。第三點 YAP：Mn晶體在采用60Co gama輻照條件下，通常在1～103Gy劑量范圍內有比較好的線性特征。

（三）摻銅鋁酸釔晶體的釋光特性。對YAP晶格摻Cu后進入YAP晶格主要以CU+1價和CU+2價兩種離子的形式存在，為保持晶體中金屬離子電荷的平衡，需要VO2+或F+ 色心中進行電荷補償，從而導致電子陷阱的濃度。最終使其強度與純YAP晶體強度大很多。在90Sr beta射線，劑量為1Gy 的釋光譜，以2K/s速率升溫的條件下。YAP：Cu（0.5at%）樣品中可以得出YAP：Cu晶體存在兩個熱釋光峰，分別在431K和482K處，其中該482K處是主發(fā)光峰。在90Sr beta射線輻照，以2K/s速率升溫的條件下，使用不同劑量后YAP：CU的熱釋光實驗中，可以看出，隨著增加輻射劑量，該晶體的熱釋光強度也呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢，但該晶體的熱釋光的主發(fā)光峰位置基本保持不變。

當輻射源為60Co gama射線，在調整到10-5-102Gy的輻射劑量范圍內， YAP：Cu晶體輻照后的釋光劑量響應曲線。YAP：Cu晶體存在兩個熱釋光峰，分別在431K和482K處，其中該482K處是主發(fā)光峰，在一級動力學峰的模型中，峰溫是不隨輻照劑量變化而產生變化的，在10-5～102范圍晶體的TL輻射劑量響應內表現(xiàn)出的線性關系。所以YAP：Cu晶體是一種具有潛在應用價值的劑量計材料，但目前對Cu離子及YAP內部復雜點缺陷在發(fā)光過程中的作用還需要進一步研究和分析。

四、結語

摻質鋁酸釔作為激光晶體基質材料，它與應用最廣的激光基質YAG晶體在光學、熱力學及機械性能等方面十分相似。首先，其斜方晶系結構導致的各向異性，使其不僅具有與YAG相似的物化性能，還能抑制由于激光熱效應所產生的雙折射現(xiàn)象，輸出偏振光等等優(yōu)勢。其次其高低增益的單晶取向，使其分別應用于連續(xù)、脈沖激光器件，還可用于Q開關。再次，YAP晶體中摻質離子的分凝系數比YAG晶體高幾倍，從而使得其單晶生長過程中的利用率高，速度快。本文首先介紹了材料的釋光性能及摻質YAP晶體作為釋光材料具備的結構特征;對幾種摻質（鈰、錳、銅）鋁酸釔晶體的的釋光性能的實驗研究進行了詳細分析及概括。

參考文獻：

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