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一种用于闪烁探测系统的光子晶体移波器件技术方案

技术编号:12627670 阅读:135 留言:0更新日期:2016-01-01 03:17
本发明专利技术涉及一种用于闪烁探测系统的光子晶体移波器件,包括基底层和基底层上面布置的发光薄膜层,还包括布置在发光薄膜层上面的光子晶体层,所述的光子晶体层由排列呈周期阵列的介质柱构成,介质柱垂直布置于发光薄膜层上表面,介质柱的材料对发光薄膜层发射的光透明。与现有技术相比,本发明专利技术具有高的转换效率和高度的光发射方向调控能力,而且能够提高对紫外等闪烁荧光的探测效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于核辐射探测领域,具体涉及一种用于闪烁探测系统的光子晶体移波器 件。
技术介绍
闪烁探测是核辐射探测器中应用范围最广的一种探测方式。闪烁体的发光波长决 定了对探测和荧光传输系统的光谱响应要求。现有一些闪烁体,如Ar、He、Kr、Xe等惰性气 体,在福射激发下其闪烁发光峰值波长主要位于真空紫外波段(105nm到190nm)。由于真空 紫外波段的荧光给探测器提出了特殊的要求,现有的多数光电器件如光电倍增管和半导体 光子器件对真空紫外波段的荧光都不响应。总之,真空紫外波段荧光测量是一件困难的事 情。 因此为了提高探测效率,可以采用移波的方式,将闪烁体发出的真空紫外波段荧 光转换为近紫外或可见光进行测量,这样更利于荧光传输和与光电器件灵敏响应区间匹 配。针对惰性气体,D.Yu.Akimov等人(NuclearInstrumentsandMethodsinPhysics ResearchA,vol. 695,p. 403,2012)提出了米用对三联苯(p-terphenyl)作为移波剂实现 此功能,虽然该材料的转化量子效率较高,但采用平面结构使用时,其发光的方向性没有特 定取向,即沿着4 31立体角均有分布,属于朗伯型分布,不利于光的聚焦和收集。 中国专利CN1318537C公开了一种稀土掺杂钽酸盐透明发光薄膜及其制备方法, 透明薄膜的化学表达式为(LnixREx)Ta04,其中,0〈x〈l,Ln=Gd、Lu,RE=Eu、Tb;采用溶 胶-凝胶方法,制得发光薄膜,在紫外光或X射线照射下,薄膜发出可见光,实现了移波,但 采用的是平面结构的发光薄膜,没有涉及也无法实现对发光的方向性的调控。目前公开资 料涉及移波材料发光方向性的调控方法还是空白。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种既具有高的转 换效率,又具有尚度的光发射方向调控能力,而且能够提尚对紫外等闪烁焚光的探测效率 的用于闪烁探测系统的光子晶体移波器件。 本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现: -种用于闪烁探测系统的光子晶体移波器件,包括基底层和基底层上面布置的发 光薄膜层,还包括布置在发光薄膜层上面的光子晶体层,所述的光子晶体层由排列呈周期 阵列的介质柱构成,介质柱垂直布置于发光薄膜层上面,介质柱的材料对发光薄膜层发射 的光透明。 所述的介质柱排列呈正方周期阵列,该正方周期阵列的周期的取值范围为450~ 600nm,所述的介质柱的直径为正方周期阵列的周期的0. 45~0. 55倍,介质柱的高度为发 光薄膜层的主发光峰对应的真空中的中心波长的〇. 45~0. 55倍。 优选地,介质柱的直径为正方周期阵列的周期的0. 5倍,高度为310nm。 所述的介质柱的材料包括SiN、GaN或Ti02。 所述的发光薄膜层的折射率大于基底层的折射率。 所述的发光薄膜层的厚度介于?之间,其中,A为发光薄 膜层的主发光峰对应的真空中的中心波长,h为发光薄膜层的折射率,1!2为基底层的折射 率。 所述的发光薄膜层为LuQ.9EuaiTa04,主发光峰对应的真空中的中心波长为613nm。 所述的基底层为对真空紫外光透明的材料,包括石英玻璃、LiF晶体、CaF2晶体、 MgF2晶体或BaF晶体。 本专利技术首次提出采用光子晶体实现移波材料的发光方向性的调控。基底层选择 对真空紫外光透明的材料,以便于待移的真空紫外荧光能够进一步激发发光薄膜层发光。 发光薄膜层选择易于吸收真空紫外光并能发出窄带可见光的晶体,发光薄膜层发射的光谱 分布范围越窄(即窄带发射),后续光子晶体调控越容易,本专利技术选择Lua9EuaiTa04作为 发光薄膜层,主发光峰对应的真空中的中心波长为613nm,其带隙宽度为6. 5eV,小于紫外 光子的能量,因此对紫外光强烈吸收,而Eu3+发光的主要光谱为位于613nm的窄带,并且 1^。.疋1!。.11&0 4具有很高的量子效率;发光薄膜层的折射率必须大于基底层的折射率,以便 在发光层中可以形成导波模式,Lua9EuaiTa04的折射率为1.96,大于所述基底层石英玻璃 (n= 1. 46)、LiF晶体(n= 1. 38)、CaF2晶体(n= 1. 43)、MgF2晶体(n= 1. 38)和BaF2晶体 (n= 1.48)的折射率;发光薄膜层厚度的选择依据是保证其为单模发光模式,只有当发光 薄膜层为单模发光模式时,才能够利用光子晶体调控使得其发光主要集中在一个方向上, 满足单模发射的临界厚度是『,此时发光薄膜层中只有一种TE模式可以存在,当厚 度大于此值时将产生多模发射不利于方向性的调控,为了同时兼顾发光效率,其厚度选择 为临界厚度的〇. 9到0. 99倍;发光薄膜层易于制备成膜并且性质稳定,覆盖在发光薄膜层 h 上的光子晶体可以使单模导波模式的光引导出来,实现远场发射,满足关系> ,其 中k//是导波模式的传播波矢,G= 2 /a是倒格矢,a是晶格常数,即周期阵列介质柱的周 期,为最近邻的两个介质柱之间的距离,介质柱的高度选择的依据是导波模式形成的衰逝 场位于其表面上方大约半个真空中波长的范围,光子晶体布置在这个区域才可以获得足够 的相互作用,但也没有必要过高,过高导致制备上的困难加大,导波模式的光原先是被束缚 在发光层内部,无法出射,当其上布置有光子晶体则会产生导模共振效应,产生出射,同时 出射方向满足特定关系,即发射角满足如下关系,-邱,从因而实现对方向 性的控制。介质柱的直径的选择通常是需要考虑衍射效率,一般情况下柱子的直径是周期 的一半即可,显著的过大或过小都会影响出射效率。 与现有技术相比,本专利技术具有以下优点: (1)该结构可以实现真空紫外光到可见光的高效转换,同时由于发光薄膜层和光 子晶体构成的导模共振结构,可以实现对发光方向性的调控,这为后续的光学聚焦提供了 便利,因此可以大幅度提高核辐射探测中的移波效率和探测效率。 (2)该结构易于制备,性质稳定可靠,不含有机物等易产生辐照损伤的物质,满足 较强辐照条件下的应用。【附图说明】 图1为本专利技术的侧视结构示意图; 图2为本专利技术中光子晶体结构的示意图; 图3为实施例1中样品的电镜照片; 图4为实施例1中样品在远紫外光激发下的发光光谱; 图5为实施例1中样品在远紫外光激发下发光光谱的角度依赖; 图6为实施例2中样品在远紫外光激发下发光光谱的角度依赖; 图中,1为基底层,2为发光薄膜层,3为光子晶体层。【具体实施方式】 下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。 实施例1 本专利技术的结构示意图如图1所示,包括基底层1,发光薄膜层2,光子晶体层3,发光 薄膜层2布置在基底层1上面,光子晶体层3布置在发光薄膜层上面,图2为本专利技术中光子 晶体的结构示意图,其中a为光子晶体层中的正方周期阵列的周期,d为介质柱的直径。 该实施例选取的材料和结构参数如下:选择石英玻璃为基底层,发光薄膜层是 Lua9EuaiTa04的厚度选择)光子晶体周期为600nm,介质柱的直径为 300nm,高度为310nm,介质材料选取SiN〇 制备过程如下:⑴选取厚度为2mm,直径为3cm的平整石英基片为基底层,利用 超声清洗获得干净的基片,待镀膜使用。(2)Lua9E本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种用于闪烁探测系统的光子晶体移波器件,包括基底层和基底层上面布置的发光薄膜层,其特征在于,还包括布置在发光薄膜层上面的光子晶体层,所述的光子晶体层由排列呈周期阵列的介质柱构成,介质柱垂直布置于发光薄膜层上表面,介质柱的材料对发光薄膜层发射的光透明;所述的介质柱排列呈正方周期阵列,该正方周期阵列的周期的取值范围为450~600nm,所述的介质柱的直径为正方周期阵列的周期的0.45~0.55倍,介质柱的高度为发光薄膜层的主发光峰对应的真空中的中心波长的0.45~0.55倍。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:刘波朱智超程传伟顾牡陈鸿陈亮刘金良欧阳晓平
申请(专利权)人:同济大学
类型:发明
国别省市:上海;31

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