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

關(guān)鍵詞：YAP晶體;摻質(zhì);熱釋光;發(fā)光譜線;發(fā)光譜線

引言：美國(guó)的Weber與蘇聯(lián)的科學(xué)家于上世紀(jì)60年代末發(fā)現(xiàn)了YAP優(yōu)異的激光性能，從而在使摻質(zhì)鋁酸釔晶體的研究成了一個(gè)新的熱點(diǎn)。首先，其斜方晶系結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(yīng)所產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象，輸出偏振光等等優(yōu)勢(shì)。其次其高低增益的單晶取向，使其分別應(yīng)用于連續(xù)、脈沖激光器件，還可用于Q開關(guān)[1-2]。再次，YAP晶體中摻質(zhì)離子的分凝系數(shù)比YAG晶體高幾倍，從而使得其單晶生長(zhǎng)過程中的利用率高，速度快。由于其釋光性能還被以計(jì)量材料廣泛于電離輻照計(jì)量領(lǐng)域如環(huán)境劑量檢測(cè)、醫(yī)療器械診斷、深空計(jì)量探測(cè)等。本文將講述近幾年來對(duì)YAP摻質(zhì)后晶體的結(jié)構(gòu)特征及釋光性能研究的發(fā)展，并對(duì)存在未解決問題進(jìn)行技術(shù)研究與探討，希望給從事此方面研究的相關(guān)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(zhì)預(yù)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(zhì)加熱到白熾化時(shí)自發(fā)發(fā)射的光混淆。物質(zhì)能吸收并能儲(chǔ)存輻射能量是在輻射劑量方面的應(yīng)用基礎(chǔ)。TL性能的產(chǎn)生來源于材料中負(fù)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(shí)和復(fù)合中心的復(fù)合發(fā)光。熱釋光的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)是一次發(fā)光，為了使已產(chǎn)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(jiǎn)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(qiáng)度與溫度之間的變化曲線可用來描述該材料的相關(guān)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(lì)的方法使其發(fā)光，其機(jī)理是因某些介質(zhì)長(zhǎng)期受U、Th等放射性物質(zhì)的輻射作用等，介質(zhì)內(nèi)（如樣品中的石英及長(zhǎng)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(dá)到飽和之前，總劑量是時(shí)間的函數(shù)。對(duì)于固體的光釋光現(xiàn)象，其光強(qiáng)強(qiáng)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(dá)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(chǔ)能電子的數(shù)目，并且與其成正比關(guān)系。

（三）激光材料的特性。作為激光基質(zhì)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(yīng)小，熒光壽命長(zhǎng)。（2）制備工藝簡(jiǎn)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(xué)和機(jī)械性能，熱導(dǎo)率高，化學(xué)穩(wěn)定性好，高功率密度等優(yōu)點(diǎn)。（4）摻入的激活離子具有有效的激勵(lì)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(dāng)激光產(chǎn)生色心時(shí)不會(huì)引起吸收的顯著增加。（7）光學(xué)質(zhì)量高，缺陷少，內(nèi)應(yīng)力小，不產(chǎn)生入射光的波面畸變偏振態(tài)的變化。

二、YAP晶體結(jié)構(gòu)及摻質(zhì)后的特性

（一）YAP晶體的性能優(yōu)勢(shì)。由于YAP屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部存在缺陷。這些缺陷導(dǎo)致在晶體的禁帶從而形成局部能級(jí)，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(zhì)材料之一。而YAP晶體本身具有各向異性等特點(diǎn)，可通過選擇激光棒的不同取向.使激光發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)整。同YAP晶體的雙折射特性可以克服熱應(yīng)力感應(yīng)雙折射和雙聚焦在高平均功率下對(duì)偏振和基模運(yùn)轉(zhuǎn)的限制，所以YAP晶體在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用中的許多特點(diǎn)是YAG 晶體所無(wú)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(yīng)對(duì)光束質(zhì)量造成的危害。從具體的物理性能數(shù)據(jù)可以看出，YAP晶體相對(duì)YPG晶體存在以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：一、熔點(diǎn)低;二、晶體生長(zhǎng)提拉速度更快;三、某些稀土離子分凝系數(shù)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(yīng)用，然而YAP晶體使用相對(duì)較少，所以YAP晶體可以成為一種應(yīng)用的激光晶體和閃爍晶體基質(zhì)材料。

（二）摻質(zhì)YAP晶體的特性。YAP晶體中色心是晶體中的一種點(diǎn)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(diào)諧， 而且激光質(zhì)量好， 還能用作被動(dòng)的激光開關(guān)。但需要在低溫下工作。年以來， 通過摻入雜質(zhì)方法來穩(wěn)定色心， 研制出許多在室溫工作的色心調(diào)諧激光器。用計(jì)算機(jī)控制的高分辨調(diào)諧色心激光器已投入運(yùn)轉(zhuǎn)。大尺寸又的色心激光器卜的輸出能量可達(dá)叮。目前仍致力于穩(wěn)定色心的探索。依據(jù)目前人們對(duì)YAP晶體摻雜后產(chǎn)生的特點(diǎn)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(zhǎng)一般是2um，然而該波段激光在水中的吸收系數(shù)較高、傳輸性好以及對(duì)視覺有較安全等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，固態(tài)激光器采用2um波段被廣泛的軍事領(lǐng)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(dǎo)致其在激光應(yīng)用方面的研究處于停滯狀態(tài)[10，11]。YAP：Nd可以產(chǎn)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(chǎn)生1.6～3um范圍的激光。

三、YAP晶體摻質(zhì)后的釋光性能

（一）摻鈰鋁酸釔晶體的釋光特性[1，2]。通過對(duì)晶體進(jìn)過處理后的是YAP：Ce樣品，并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，可得出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：第一YAP：Ce晶體的釋光譜有三個(gè)獨(dú)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(diǎn)未經(jīng)濃度優(yōu)化的YAP：Ce和LiF：Mg，Cu，P靈敏度相當(dāng)， YAP：Ce具有更好的的釋光靈敏度。當(dāng)調(diào)整Ce離子濃度時(shí)，其靈敏度對(duì)應(yīng)的提高。因此YAP：Ce有可能發(fā)展成為具有特殊應(yīng)用的輻射劑量計(jì)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(guó)家設(shè)定的重點(diǎn)研究項(xiàng)目，以YAP晶體做為基質(zhì)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(jīng)過多次試驗(yàn)證明Mn4+的發(fā)光峰位于712-717范圍內(nèi)nm處，對(duì)應(yīng)的發(fā)光來自2E →4A2的躍遷，Mn4+的吸收478-482 nm對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的發(fā)光來自4T1→6A1的躍遷。第一當(dāng)YAP：Mn晶體采用藍(lán)綠激光輻照后，表現(xiàn)出來的特點(diǎn)是藍(lán)灰色著色比較顯著，產(chǎn)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(qiáng)。第二利用X射線，gama射線和UV輻照對(duì)Mn2+也存在敏感性。當(dāng)加熱到650K輻照時(shí)，晶體陷阱中的電子將被釋放出來與Mn離子從而出生復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光的現(xiàn)象。

通過對(duì)YAP：Mn晶體在137Cs gama輻照和UV輻照的劑量的條件下采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析中，可以得出：第一條通過低劑量γ輻照后響應(yīng)通常在0.3mGy處出現(xiàn)的線性劑量偏移，從而導(dǎo)致UV成份是日光中的影響因素;第二條，通過實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)紫外光（254nm）輻照劑量時(shí)，大約103s輻照時(shí)間的地方，TL信號(hào)表現(xiàn)出來是飽和狀態(tài)，產(chǎn)生過程具體原因是在γ輻照和UV輻照對(duì)應(yīng)Mn2+不同的的越級(jí)現(xiàn)象，產(chǎn)生不同陷阱，同時(shí)為了彌補(bǔ)電荷的平衡，可以看到發(fā)光現(xiàn)象。第三點(diǎn) YAP：Mn晶體在采用60Co gama輻照條件下，通常在1～103Gy劑量范圍內(nèi)有比較好的線性特征。

（三）摻銅鋁酸釔晶體的釋光特性。對(duì)YAP晶格摻Cu后進(jìn)入YAP晶格主要以CU+1價(jià)和CU+2價(jià)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(jìn)行電荷補(bǔ)償，從而導(dǎo)致電子陷阱的濃度。最終使其強(qiáng)度與純YAP晶體強(qiáng)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(gè)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(shí)驗(yàn)中，可以看出，隨著增加輻射劑量，該晶體的熱釋光強(qiáng)度也呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)，但該晶體的熱釋光的主發(fā)光峰位置基本保持不變。

當(dāng)輻射源為60Co gama射線，在調(diào)整到10-5-102Gy的輻射劑量范圍內(nèi)， YAP：Cu晶體輻照后的釋光劑量響應(yīng)曲線。YAP：Cu晶體存在兩個(gè)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(jí)動(dòng)力學(xué)峰的模型中，峰溫是不隨輻照劑量變化而產(chǎn)生變化的，在10-5～102范圍晶體的TL輻射劑量響應(yīng)內(nèi)表現(xiàn)出的線性關(guān)系。所以YAP：Cu晶體是一種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的劑量計(jì)材料，但目前對(duì)Cu離子及YAP內(nèi)部復(fù)雜點(diǎn)缺陷在發(fā)光過程中的作用還需要進(jìn)一步研究和分析。

四、結(jié)語(yǔ)

摻質(zhì)鋁酸釔作為激光晶體基質(zhì)材料，它與應(yīng)用最廣的激光基質(zhì)YAG晶體在光學(xué)、熱力學(xué)及機(jī)械性能等方面十分相似。首先，其斜方晶系結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(yīng)所產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象，輸出偏振光等等優(yōu)勢(shì)。其次其高低增益的單晶取向，使其分別應(yīng)用于連續(xù)、脈沖激光器件，還可用于Q開關(guān)。再次，YAP晶體中摻質(zhì)離子的分凝系數(shù)比YAG晶體高幾倍，從而使得其單晶生長(zhǎng)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(zhì)YAP晶體作為釋光材料具備的結(jié)構(gòu)特征;對(duì)幾種摻質(zhì)（鈰、錳、銅）鋁酸釔晶體的的釋光性能的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了詳細(xì)分析及概括。

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