Yb∶YAG超快閃爍晶體研究進展與展望

侯 晴, 陳建玉， 齊紅基， 韓和同， 宋朝輝, 張 侃， 張 輝

(1. 中國科學院大學， 北京 100049；2. 中國科學院上海光學精密機械研究所 強激光材料重點實驗室， 上海 201800；3. 西北核技術研究所， 陜西 西安 710024； 4. 清華大學， 北京 100084)

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Yb∶YAG超快閃爍晶體研究進展與展望

侯 晴1，2, 陳建玉2*， 齊紅基2*， 韓和同3， 宋朝輝3, 張 侃3， 張 輝4

(1. 中國科學院大學， 北京 100049；2. 中國科學院上海光學精密機械研究所 強激光材料重點實驗室， 上海 201800；3. 西北核技術研究所， 陜西 西安 710024； 4. 清華大學， 北京 100084)

Yb3+離子摻雜YAG晶體(Yb∶YAG)作為一種性能優良的激光晶體已廣泛應用于高效、高功率激光領域。最新研究表明，Yb∶YAG晶體響應時間可達0.411 ns，其優良的超快閃爍特性在超快脈沖輻射探測、慣性約束核聚變、空間輻射探測、核反應動力學等領域的應用引起了廣泛關注，使得Yb∶YAG晶體成為超快閃爍材料研究的熱點。關于Yb∶YAG的閃爍特性，文章在系統介紹Yb∶YAG作為超快閃爍晶體研究進展和發光機理的基礎上，歸納總結了摻雜種類、濃度、后處理工藝、輻照、格位尺寸大小、溫度等對Yb∶YAG晶體閃爍性能的影響。 然后，針對Yb∶YAG目前存在的問題，給出相應的解釋并提出通過離子共摻調控來改善其閃爍性能的方法。最后，對Yb∶YAG超快閃爍晶體未來的發展方向進行了展望。

Yb∶YAG； 超快閃爍； 閃爍機理； 離子共摻

1 引 言

超快脈沖輻射探測技術是探知物質內部核反應過程信息和先進輻射裝置性能的重要技術手段[1]，也是研究和獲取核聚變[2]以及空間輻射探測[3]反應機理、性質和特征的核心技術，其診斷數據是核武器理論設計和參數選取的基礎和依據。閃爍探測器是目前已知時間響應最快的脈沖輻射探測器之一，并被廣泛應用于強流脈沖輻射探測領域中。閃爍探測器通常由閃爍體和光電器件兩部分組成。其探測原理是：射線入射到閃爍體中，閃爍體受激發光，光電器件收集閃爍體發出的光信號并轉化為電信號，經傳輸系統送至示波器得到可以判讀的時間-幅度波形，通過分析波形的特性參數，研究脈沖輻射場時間、空間、能量分布特征，達到探知核反應過程機理、核裝置工作狀態和核內部結構信息的目的。目前的有機閃爍探測器時間響應較快，但粒子分辨能力差。無機閃爍探測器雖然具有較高的探測效率和分辨能力，但時間響應普遍較慢。

閃爍體是決定探測器性能的關鍵因素之一。目前常用的超快閃爍材料包括有機閃爍體和無機閃爍體[4]。有機閃爍體(如BC422Q)時間響應最快可以達到亞納秒，但是其密度和原子序數較低，因而伽馬/中子分辨能力(往往小于1倍)明顯弱于無機閃爍體[5](一般在 5～20 倍)，不利于伽馬、中子混合輻射場中的伽馬射線測量[6]。無機閃爍體時間響應一般在十幾納秒以上，滿足亞納秒脈沖輻射探測技術要求的晶體很少。BaF2晶體能達到亞納秒時間響應[7]，但BaF2晶體在具有0.6 ns快成分的同時還具有620 ns的慢發光成分，且該慢成分份額較高，限制了該晶體在超快脈沖輻射探測中的應用[8]。Yb∶YAP衰減時間小于1 ns，并且光輸出相對較高，但YAP晶體由于具有復雜的正交鈣鈦礦結構，晶體生長過程容易開裂，難以制備大尺寸晶體[9]；另一個重要缺陷是YAP晶體畸變的鈣鈦礦結構使晶體內部極易形成大量的點缺陷，在高能射線輻照下晶體變成褐色，光輸出急劇下降[10]。

為滿足超快脈沖輻射探測應用的需求，獲得容易制備、物化性能穩定的新型無機閃爍體材料成為目前超快閃爍體發展的主要趨勢。1997年，Raghavan提出可用Yb∶YAG晶體來捕獲探測低能太陽中微子[11]。之后，研究人員注意到了Yb∶YAG晶體具有超快閃爍特性，其在紫外和可見光附近有發光峰。在330 nm附近的發光峰與在520 nm附近的發光峰相比，不但衰減時間短，而且光產額也相對較高。近幾年的國內外研究表明，室溫條件下 Yb∶YAG 晶體在輻射激發下具備納秒甚至亞納秒的超快時間響應特性[12]，是已知時間響應最快的無機閃爍材料之一，在超快脈沖輻射探測領域具有巨大的應用前景。

2 研究進展

1978年，Nakazawa發現了Yb3+離子在磷酸鹽中的電荷轉移發光[13]。2001年，Guerassimova、van Pietersonm等揭開了Yb∶YAG作為新型閃爍晶體研究的序幕[14-19]。針對Yb∶YAG超快性能的研究已經有十幾年的歷史，但是Yb∶YAG晶體較低的光產額嚴重限制了其作為優良無機閃爍體在超快輻射探測領域的應用。 為了進一步研究其超快閃爍機理，提高Yb∶YAG晶體光產額，有必要對近十幾年來的研究進展進行歸納和總結。

2.1 電荷轉移發光機理

在晶體中，發光離子電子的運動與聲子相互影響和作用，我們可用位形坐標圖來描述有聲子參與的電子躍遷過程。固體系統在給定原子實構型下的總勢能U(包括電子的絕熱勢能和原子實間的庫倫能)是所有原子實位置或原子實位形的函數。由于原子實數量巨大，我們粗略地用參數R來描述所有原子實的“位形”。橫坐標R代表原子實的位形，縱坐標表示體系的能量E。對每個電子態，總勢能U隨位形而變，相應地呈現位形坐標曲線。由于電子-聲子的相互作用，不同的電子態有不同的位形依賴關系，而且不同的電子態對應不同的平衡位置。這種坐標模型涉及到電子和聲子的相互作用這個最根本的問題，它可以解釋相當多的實驗現象。例如，用這樣的模型可以說明斯托克斯定則，說明吸收光譜和發射光譜為何有一定寬度及其隨溫度變化的規律等，不但能作定性的解釋，而且在某些情況下能得到和實驗相符合的定量結果。

在更精確的配位場理論中，我們要考慮發光離子與近鄰配位體離子間的電子轉移，這種轉移并不是一個電子的轉移而是電子云的重新分布。過渡金屬離子和鑭系元素摻雜晶體的紫外寬帶吸收是由配位體陰離子到陽離子的未滿殼層(通常為d或f殼層)的電荷轉移引起的，而其電荷轉移發光是電荷轉移吸收的反過程[13]。在Yb∶YAG晶體中，與Yb3+相連的配位體(氧離子)上的2p電子形成晶體能帶中價帶的頂部，在高能射線的作用下形成一種復合體激發態即電荷轉移態(Charge transfer state，簡稱CT態)。這種CT態不再有確定的宇稱，它與稀土離子4fn組態間的躍遷是電偶極允許的躍遷。Yb∶YAG在紫外以330 nm為發光峰的發光帶是CT態到Yb的基態2F7/2的躍遷發光，在可見光以520 nm為發光峰的發光帶是CT態到Yb的激發態2F5/2的躍遷發光。兩個發光峰值的能量差與Yb3+離子激發態2F5/2躍遷到基態2F7/2的紅外發光能量差10 000 cm-1相符，如圖1所示[20]。

Fig.1 CT emission by two broad bands to the two levels of 4f13configuration split by ～10 000 cm-1

2.2 Yb∶YAG超快閃爍晶體目前存在的主要問題

2.2.1 光產額

Yb∶YAG晶體的衰減時間非?？欤跓o機閃爍晶體中具有絕對優勢。李忠寶采用266 nm皮秒脈沖激光作為激光源，利用透紫GD40光電管測量Yb∶YAG晶體(Yb3+離子摻雜摩爾分數為10%)的閃爍時間響應波形[12]，如圖2所示。通過對波形的數據處理，得到Yb∶YAG晶體的衰減時間常數τ為0.411 ns(普通光電管)。雖然Yb∶YAG晶體具有超快的衰減時間，但是其發光產額較低，只有1 250 ph/MeV，這嚴重限制了Yb∶YAG作為性能優越的無機超快閃爍晶體的應用。在不降低晶體衰減時間的前提下，探索提高Yb∶YAG晶體光產額的機理和實現手段是目前研究Yb∶YAG超快閃爍晶體的核心和關鍵。

圖2 Yb∶YAG晶體利用透紫GD40測量得到的時間響應波形

Fig.2 Waveform of Yb∶YAG with UV GD40 tube

2.2.2 晶體的變色現象與機理

Yb∶YAG晶體最常用的生長方法是提拉法。由于晶體在惰性氣氛下生長，初始生長的Yb∶YAG晶體呈淡藍色，在空氣中高溫退火后，晶體變為無色透明。Yb∶YAG晶體這種變色現象一般認為是由Yb離子價態不穩定造成的，在缺氧的生長環境下摻雜的Yb元素容易形成Yb2+離子，Yb2+離子在YAG基質中顯藍色，經過高溫氧氣氛退火處理后變為透明，這是因為Yb2+氧化為無色的Yb3+。

Yb∶YAG經高溫退火變色的另一種解釋是：Yb∶YAG晶體在氧不足環境下的生長會形成一定數量的氧空位缺陷，氧空位為了保持電中性會捕獲電子，形成不同類型的F型色心(如F心、F+心、F2心等)。F型色心存在一系列分立能級，這些能級可能吸收特定波長的可見光，從而使Yb∶YAG晶體著色。 經過高溫氧氣氛退火處理后晶體變為透明，氧分壓使氧進入晶格填補氧空位從而消除了F色心。

Yb∶YAG作為超快閃爍晶體在高能射線輻照下同樣存在變色現象，對于這種變色現象有以下解釋：高能射線輻照使晶體產生缺陷，晶體中存在的F型色心捕獲的電子在高能射線輻照下(如γ、X射線、中子射線，電子束等)獲得能量，會從F型色心的電子陷阱中逃逸，與Yb3+離子結合形成Yb2+離子。在持續的高能射線輻照下，Yb2+不能及時恢復成Yb3+，從而產生著色現象。很多其他晶體中在高能射線輻照下也存在變色現象[21-25]，例如電子轟擊金剛石會變藍，中子輻照石英會變棕色。這是由于輻照產生的點缺陷引起的，多余的電子或空穴就會出現在缺陷位置上來保持電中性。

2.2.3 Yb3+離子摻雜濃度的影響

通過對不同Yb摻雜濃度的YAG樣品進行研究(圖3[26])，發現當Yb摩爾分數為10%時，光產額最大。在室溫下，100%摻雜的YbAG的光產額只有15%Yb∶YAG的1/3。同時隨著Yb摻雜濃度的提高，其在210 nm激發下的發光衰減時間明顯下降。如在12 K的溫度下，2%Yb∶YAG的發光衰減是遵守指數規律的，其衰減時間為85 ns；而YbAG的發光衰減則是非指數的，其衰減時間為幾個ns。這些發光行為表明，當Yb離子的濃度增加時，Yb3+之間的無輻射能量傳遞過程也相應加強[16]。

圖3 不同摻雜濃度Yb∶YAG的光產額與溫度的關系曲線

Fig.3 Dependence of scintillation light output on temperature under alpha excitation

2.3 溫度依賴關系

Yb∶YAG晶體的光產額和衰減時間與溫度都有強烈的依賴關系，并存在明顯的溫度猝滅效應，但其在X射線和UV輻照下對溫度的依賴關系卻不相同。在X射線激發下，從低溫0 K開始，330 nm發光峰的發光強度逐漸增加，在100～120 K時達到峰值，然后發光產額隨著溫度的增加開始下降，300 K時的發光產額和10 K時相差不多。而在210 nm紫外光的激發下，發光強度從0 K開始是逐漸下降的，室溫下光產額降至最低，如圖4所示。這種現象可以用位形坐標圖模型進行定性解釋。隨著溫度的升高，聲子參與的能量傳遞增多，由電荷轉移激發態至4f能級的無輻射躍遷幾率大大提高，從而降低了發射強度。

圖4 上圖為15%Yb∶YAG發光強度與溫度的關系(a)和熱致熒光曲線(b)，下圖為50%Yb∶YAG發光強度與溫度的關系(a)和熱致熒光曲線(b)。

Fig.4 Up： Temperature dependence of the 333 nm integrated emission intensity under UV(210 nm)and X-ray excitation (a), and thermoluminescence under X-ray excitation (b) of 15%Yb∶YAG. Down： Temperature dependence of the 333 nm integrated emission band intensity (a), and thermoluminescence (b) of 50%YAG∶Yb.

在X射線輻照下，Yb∶YAG晶體在100 K附近出現很強的熱致熒光峰，同樣在該溫度下，X射線輻照下的發光強度也表現出最大值。Guerassimova等認為T<100 K下，X射線輻照下的發光猝滅現象是由晶體中存在的勢能陷阱捕獲載流子形成的。在X射線輻照下，晶體中將會產生電子-空穴對，在低溫下，晶體中的陷阱能夠捕獲這些電子和空穴，從而導致Yb3+捕獲電子和空穴的幾率降低，電荷轉移發光強度也因此下降，導致在極低的溫度下比如10 K，發光完全猝滅。而當溫度達到100 K時，這些被束縛的電子和空穴將能夠逃脫陷阱，被Yb3+離子捕獲后產生電荷轉移發光，從而發光得到增強。這種陷阱效應通過測量晶體在不同溫度下的衰減時間得到進一步證實(在10 K下為10 ns，在100 K時達到50 ns，在300 K時為幾個ns)。通過在Yb∶YG晶體中摻入痕量Si可以在一定程度上減少陷阱數目，但是這些缺陷的本質目前仍不明確[17]。

2.4 陽離子格位大小的影響

CT發光可以理解為電子在陽離子-配位體間的轉移，也可以理解為電荷密度在陽離子和配位體周圍的重新分布。電荷密度的重新排布與陽離子和配位體離子的大小及電負性相關。Jorgensen Model根據各個離子周圍電荷密度函數的交疊得到關于吸收峰位置的關系式：

(1)

其中，σ為電荷轉移吸收帶的位置， χ(X)為配位體陰離子的電負性，χ(M)為中心陽離子的電負性。由JorgensenModel得到的吸收峰位置與實驗測得的發光峰的位置相符，由JorgensenModel可得σ(Yb3+-O2)≌45 000cm-1，計算所得的吸收峰的位置約為222nm(343nm的激發譜中激發峰為210nm)。即使在其他摻雜基質中，JorgensenModel也同樣成立(例如σ(Yb3+-S2)≌33 000cm-1、σ(Yb3+-F2)≌66 000cm-1)。陽離子格位大小對CT發光吸收帶和發射帶均產生重要影響。CT發光的兩個重要特征是具有寬的發射帶和大的斯托克斯位移，可以從位形坐標模型進行解釋：在同構基質晶格中，當發光稀土離子Yb占據較大的陽離子格位時，CT發光的吸收峰向長波長移動。例如Yb摻雜的ScPO4(Sc離子半徑0.075nm)吸收峰位于195nm,Yb摻雜的LaPO4(La離子半徑0.106nm) 吸收峰位于228nm；同樣，Yb占據較大的格位時，CT發光峰也向長波長移動。同時，激發的CT態的弛豫變大，因而斯托克斯位移也會變大。陽離子格位大小對發光猝滅溫度也產生影響：由簡單的位形坐標模型可知Yb占據較大的陽離子格位時，激發態的弛豫比較大，溫度較高時容易快速交叉到基態形成溫度猝滅。另一種解釋是CT態位于禁帶中的位置決定了其猝滅溫度的大小，如CT態位于價帶附近，CT態很容易弛豫到價帶產生較低的猝滅溫度[15]。

2.5 影響CT發光的其他因素

除共摻雜種類、濃度、溫度、后退火工藝、高能射線輻照、缺陷能級深淺等對Yb∶YAG晶體的電荷轉移發光均有較大的影響外，其他因素如晶體生長原料、生長工藝、輻照源種類等都對Yb離子的CT發光和猝滅機制產生影響。

晶體生長原料是指生長Yb∶YAG晶體用的Yb2O3、Y2O3、Al2O3以及其他需要摻入共摻調控的痕量元素。這些原材料中不可避免地存在一些有害雜質元素，如Fe2+、Fe3+、Ni4+、Zr4+等，這些雜質的存在導致晶體中形成微觀點缺陷，點缺陷形成的勢能陷阱將捕獲電離輻照時激發的部分電子-空穴對，或形成無輻射躍遷通道對發光產生損耗，從而降低晶體光產額。另外，在晶體生長過程，如原材料準備、裝爐過程和保溫材料等都會不可避免地對原材料帶來一定程度的污染，這些因素都有可能對最終制備的Yb∶YAG晶體的閃爍性能產生影響。

生長工藝是制備Yb∶YAG晶體的核心過程，由于Yb離子在YAG晶體中的分凝系數較大(1.080±0.01)，制備大尺寸Yb∶YAG晶體相對比較容易，但合適的溫場環境是生長高品質晶體的關鍵。盡管如此，晶體中仍不可避免地存在一定缺陷，如散射、應力、位錯等，晶體在氬氣的氛圍下生長，不可避免地會有氧空位產生，即使之后進行空氣退火，氧空位也不能完全去除。籽晶桿的均勻轉速對流場的影響，導致摻雜元素的分布不均勻。晶體的完美程度直接影響Yb∶YAG的閃爍性能。

Yb離子的價態變化在閃爍和光暗化過程中都扮演著重要的角色。一般來說電子態不同，電子云的空間分布不同，因而與晶格離子的相互作用不同，相應地就會有不同的晶格平衡位形，對電子態間的光躍遷的影響也不同。在Yb摻雜的石英光纖中，存在引起激光衰減的光暗化現象(Photodarkening)[27]。雖然針對Yb石英的光纖的光暗化現象做了大量研究，也得到了一些手段來減少增益材料的光衰減，但是同Yb∶YAG在高能射線輻照下的非線性衰減一樣，兩者有許多相似的現象，其物理機制仍不十分清楚。稀土元素通常以能量較低的氧化態存在，通常為+3價，也有+2和+4價。17個稀土元素最外兩層電子結構相似，與其他元素化合時先失去最外層s2d1層電子，無5d電子時失去一個f電子，因而通常為+3價。鑭系元素全部能形成穩定的+3價氧化態，某些元素有+2(Sm、Eu、Yb)價，也有些+4價(Ce、Pr、Tb),但都遵守洪特定則，變價的原因有動力學、熱力學等原因。Yb3+(4f13)接受一個電子即達到穩定結構因而易呈現+2價氧化態，Yb3+離子由于缺陷、輻照、晶格場、熱力學等原因會造成電荷遷移進而影響Yb元素價態變化。如高能射線可將Yb離子激發到CT態時會引起Yb3+離子濃度的變化，進而影響發光產額。

3 提升Yb∶YAG晶體超快閃爍性能的思考與實施方案

3.1 超快閃爍機理的深入思考

Yb∶YAG作為一種衰減時間(0.411 ns)具有較大優勢的新型無機閃爍體，在保持其衰減時間不變的情況下，進一步提高Yb∶YAG晶體的光產額，是目前研究的核心和熱點。如其光產額達到穩定的5 000 ph/MeV，將在超快脈沖輻射探測領域、慣性約束核聚變、核反應動力學等領域具有巨大的應用前景。但是由于Yb離子價態的不穩定和影響其超快閃爍性能的因素眾多，Yb∶YAG晶體內部超快閃爍機理尚不完全明確，目前沒有統一的結論，需要采取更先進的手段深入研究。未來研究提高Yb∶YAG晶體超快閃爍性能應主要通過共摻改性來實現，同時通過高性能模擬計算和先進微觀實驗手段優化共摻改性方案。

3.2 離子共摻調控

單摻雜Yb離子的YAG已進行過廣泛深入的科學研究，是成熟晶體材料，并已廣泛應用于1 030 nm波長激光領域，單純從Yb∶YAG晶體的制備和后期處理工藝上已不太可能大幅度提高其光產額。

目前Yb∶YAG晶體超快閃爍機理仍不明確，在深入理解Yb∶YAG晶體存在問題的基礎上，我們認為未來提高Yb∶YAG晶體超快閃爍性能應采用Yb離子和其他離子(如Ca、Mg、Na、Si、Lu等離子)共摻或多摻的手段來影響光躍遷過程，進而提高光產額。

由于YAG晶胞的原子數比較多，關于缺陷能級的深淺、CT態的位置以及與發光性能間的相互作用模擬相對較困難，但是卻對我們的研究很重要。共摻雜Yb∶YAG晶體研究應從以下兩個方面進行：(1)高性能模擬計算。材料學中第一性原理的計算結果在國際上獲得越來越廣泛的認同，根據第一性原理密度泛函理論模擬計算固體的物理性質已成為材料學行之有效的重要研究手段。通過高性能模擬計算可以獲得共摻離子和Yb離子達到優化的電荷補償和平衡，以及共摻離子電子態密度的微觀調控設計共摻雜方案。(2)通過理論模擬設計和晶體生長過程獲得共摻Yb∶YAG單晶后，對光產額有顯著提高的共摻晶體，采用同步輻射EXAFS、Raman等先進實驗手段進行微觀結構和性能分析，獲得有益于提高光產額的趨勢化理論，優化共摻設計方案，進一步提高Yb∶YAG晶體的光產額。

Drozdowski等研究人員通過摻雜Y(釔)取代部分Lu離子位置降低導帶底的位置，但不影響陷阱的分布，深電子缺陷變為淺電子缺陷，淺電子缺陷影響能量轉移過程進而改變LuAG∶Pr晶體的發光猝滅溫度，最終將室溫下的光產額從19 000 ph/Mev提高到33 000 ph/Mev。如圖5[28]所示，LuAG∶Pr晶體的猝滅溫度點位于450 K左右，在室溫下的光產額比較低；而LuYAG∶Pr晶體的猝滅溫度點位于320 K左右，因而室溫下的光產額會增大。受此啟發，通過van Pieterson等的關于發光猝滅溫度與陽離子尺寸大小的關系，再結合Yb∶YAG晶體的發光強度與溫度的依賴關系，我們可以通過改變陽離子格位尺寸的大小來提高Yb∶YAG晶體的發光猝滅溫度，進而來增加Yb∶YAG晶體在室溫下的發光產額。

圖5 LuYAG∶Pr和LuAG∶Pr的光產額(歸一化) 與溫度的變化關系

Fig.5 Scintillation yields of(Lu0.75Y0.25)3Al5O12∶Pr and Lu3Al5O12∶Pr(normalized to unity at their maxima) as function of temperature

3.3 提高共摻晶體光學質量

共摻晶體Re,Yb∶YAG晶體在YAG基質中的摻雜離子種類增多，由于離子大小差別等引起的晶格畸變或晶體失配產生較多的微觀缺陷。高品質共摻晶體和單摻Yb∶YAG晶體相比生長難度增大，對晶體生長工藝技術提出了更高要求。高光學質量晶體生長應從原材料、溫場、生長工藝參數、晶體后處理工藝和盡量減少污染等方面優化和改進，從而盡可能減少晶體內部微觀缺陷，提升晶體的光學質量。

4 結 論

Yb∶YAG晶體不僅是一種廣泛應用的激光晶體，還是一種有很大潛力的超快閃爍體材料，在超快閃爍探測、低溫醫學成像、中微子探測、核反應動力學、核聚變等方面都將有廣泛的應用。Yb離子可以捕獲中微子，產生一個電子和一個延遲的伽馬粒子，閃爍體的響應時間需在納秒甚至亞納秒級別。2002年，科學家通過核反應堆中微子消失的現象在國際上首先用人工中微子源證實太陽中微子確實發生了震蕩，從而揭開了“太陽中微子丟失”之謎。核醫學成像技術(X-CT-X射線計算機斷層掃描、PET-正電子發射掃描術、SPECT-單光子發射的計算機斷層掃描技術)的高速發展和大量需求，對閃爍體(高產額，快響應，發射譜與探測器的光譜靈敏度匹配)的要求，都促進了Yb∶YAG閃爍體的醫學應用。 因此，提高Yb∶YAG的閃爍性能必定會成為研究熱點，離子共摻也將成為調控閃爍性能的有效手段。

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侯晴(1990-)，女，山東棗莊人，碩士研究生，2013年于濟南大學獲得學士學位，主要從事Yb∶YAG超快閃爍性能的研究

E-mail: houqing@siom.ac.cn齊紅基(1979-)，男，河南鎮平人，研究員，博士生導師，2005年于中科院上海光機所獲得博士學位，主要從事光學薄膜方面的研究。

E-mail: qhj@siom.ac.cn陳建玉(1978-)，男，山東臨沂人，博士，高級工程師，2010年于中科院上海光機所獲得博士學位，主要從事超快閃爍晶體方面的研究。

E-mail: jianyuchen@siom.ac.cn

Research Progress and Prospect of Yb-doped YAG Ultrafast Scintillation Crystal

HOU Qing1,2, CHEN Jian-yu2*, QI Hong-ji2*, HAN He-tong3, SONG Chao-hui3, ZHANG Kan3, ZHANG Hui4

(1.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;2.KeyLaboratoryofMaterialsforHighPowerLaser,ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201800,China;3.NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,China; 4.TsinghuaUniversity，Beijing100084,China)

As an superior performance of laser crystal, Yb-doped YAG crystal has been widely used in high efficiency and power laser field. New research has shown that the response time of Yb∶YAG can attain up to 0.411 ns. The super ultrafast scintillation property of Yb∶YAG ultrafast scintillator has attracted broad attention in many researches such as pulsed radiation detection, inertial confinement fusion, space radiation detection and nuclear reaction kinetics. First of all, we described the research progress and ultrafast scintillation mechanism of Yb∶YAG crystal in this paper. Then, based the ultrafast scintillation mechanism above, the influences of temperature, Yb3+concentration, size of cation site, high energy ray irradiation and post-treatment on ultrafast scintillation were also discussed in detail. Aiming at the existing problems of Yb∶YAG ultrafast scintillation crystal, this paper presented corresponding explanation and the method of co-doped cation to influence the charge density distribution around so that to improve the scintillation properties. At last, we prospected the development direction of Yb∶YAG ultrafast scintillator in the future.

Yb∶YAG; ultrafast scintillation; scintillation mechanism; co-doped cation

2016-05-26；

2016-07-21

國家自然科學重點基金(11535010)； 上海光學精密機械研究所和清華大學及西北核技術研究所創新交叉團隊； 國家青年自然科學基金(61308097)資助項目

1000-7032(2016)11-1323-09

O482.31

A

10.3788/fgxb20163711.1323

*CorrespondingAuthors,E-mail:jianyuchen@siom.ac.cn;qhj@siom.ac.cn