一種用于閃爍探測(cè)的導(dǎo)模共振移波器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于核輻射探測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種閃爍探測(cè)系統(tǒng)的導(dǎo)模共振移波器件。
【背景技術(shù)】
[0002] 閃爍探測(cè)是核輻射探測(cè)器中應(yīng)用范圍最廣的一種探測(cè)方式。閃爍體的發(fā)光波長(zhǎng)決 定了對(duì)探測(cè)和熒光傳輸系統(tǒng)的光譜響應(yīng)要求?，F(xiàn)有一些閃爍體，如Ar、He、Kr、Xe等惰性氣 體，在福射激發(fā)下其閃爍發(fā)光峰值波長(zhǎng)主要位于真空紫外波段（105nm到190nm)。由于真空 紫外波段的熒光給探測(cè)器提出了特殊的要求，現(xiàn)有的多數(shù)光電器件如光電倍增管和半導(dǎo)體 光子器件對(duì)真空紫外波段的熒光都不響應(yīng)。總之，真空紫外波段熒光測(cè)量是一件困難的事 情。
[0003] 中國專利CN1318537C公開了一種稀土摻雜鉭酸鹽透明發(fā)光薄膜及其制備方法， 透明薄膜的化學(xué)表達(dá)式為仏111：!1? ：!)了&04，其中，00〈1，1^ = 6(1、1^，1? = ￡11、113;制備過程中 采用溶膠-凝膠方法，得到發(fā)光薄膜，在紫外光或X射線照射下，薄膜發(fā)出可見光，實(shí)現(xiàn)了移 波，但采用的是平面結(jié)構(gòu)的發(fā)光薄膜，沒有涉及也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)光的方向性的調(diào)控，而且發(fā) 光中心為Eu離子或Tb離子時(shí)，發(fā)光衰減時(shí)間約1毫秒。"AnovelM'-typeLuTa04:Ln3+(Ln =Eu,Tb)transparentscintillatorfilms"，XiaolinLiu,ShiweiChen,MuGu,Mengqiu ffu,ZhicheQiu,BoLiu,ChenNiandShimingHuang,OPTICALMATERIALSEXPRESS Vol. 4,No. 1，p. 172-178,中也公開了Eu3+發(fā)光的衰減時(shí)間為1. 078毫秒，Tb3+發(fā)光的衰減時(shí) 間為1. 096毫秒，由此可見，上述系統(tǒng)的時(shí)間分辨能力低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種既具有高的轉(zhuǎn) 換效率和時(shí)間分辨能力，又具有高度的光發(fā)射方向調(diào)控能力，能夠提高對(duì)紫外等閃爍熒光 的探測(cè)效率的具有導(dǎo)模共振結(jié)構(gòu)的移波器件。
[0005] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種用于閃爍探測(cè)的導(dǎo)模共振移波器件，包括基底層和基底層上面布置的發(fā)光薄 膜層，還包括布置在發(fā)光薄膜層上面的光子晶體層，所述的光子晶體層由排列呈周期陣列 的介質(zhì)柱構(gòu)成，介質(zhì)柱垂直布置于發(fā)光薄膜層上表面，介質(zhì)柱的材料對(duì)發(fā)光薄膜層發(fā)射的 光透明；
[0007] 所述的介質(zhì)柱排列呈三角構(gòu)型的周期陣列，該周期陣列的周期的取值范圍為 350-430nm，所述的介質(zhì)柱的直徑為周期陣列的周期的0. 45~0. 55倍，介質(zhì)柱的高度為發(fā) 光薄膜層主發(fā)光峰對(duì)應(yīng)的真空中的中心波長(zhǎng)的0. 4~0. 6倍，依據(jù)是波長(zhǎng)一半或稍多一些， 這個(gè)范圍耦合效率就足夠了，再高的話沒有必要同時(shí)增加制備難度。
[0008] 優(yōu)選地，所述的介質(zhì)柱的直徑為三角構(gòu)型的周期陣列的周期的0. 5倍，介質(zhì)柱的 高度為210~250nm。
[0009] 所述的介質(zhì)柱的材料包括SiN、GaN、Ti02、ZnO、Ta205或A1203。
[0010] 所述的發(fā)光薄膜層的折射率大于基底層的折射率。
[0011] 所述的發(fā)光薄膜層的厚度介5
之間；其中，A為發(fā)光 薄膜層的主發(fā)光峰對(duì)應(yīng)的真空中的中心波長(zhǎng)，ni為發(fā)光薄膜層的折射率，n2為基底層的折 射率。
[0012]所述的發(fā)光薄膜層為（Lua9Ceai)2Si05，主發(fā)光峰對(duì)應(yīng)的真空中的中心波長(zhǎng)為 420nm〇
[0013] 所述的基底層為對(duì)真空紫外光透明的材料，包括石英玻璃、LiF晶體、CaF2晶體、 MgF2晶體或BaF晶體。
[0014] 本發(fā)明首次采用導(dǎo)模共振移波器件實(shí)現(xiàn)移波材料的發(fā)光方向調(diào)控，并且提高了 系統(tǒng)的時(shí)間分辨能力。當(dāng)發(fā)光薄膜層吸收真空紫外光后發(fā)射出可見光，選擇發(fā)光薄膜層 需要高的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)具有快的發(fā)光衰減，以利于時(shí)間分辨的提高，Ce3+離子的發(fā)光峰 位于420nm，衰減時(shí)間約40ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1毫秒，衰減時(shí)間短，有利于提高系統(tǒng)的時(shí)間分 辨能力，硅酸镥其帶隙寬度為6. 8eV，對(duì)真空紫外光的吸收強(qiáng)烈，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有 良好的抗輻照性能，摻雜Ce3+離子的工藝條件成熟，因此（Lua9Ceai)2Si05是個(gè)合適的選 擇。發(fā)光薄膜層的折射率必須大于基底層的折射率，以便在發(fā)光層中可以形成導(dǎo)波模式， (Lu^Cea.LSiOs;的折射率為1. 82,大于所述基底層石英玻璃（n= 1. 46)、LiF晶體（n= 1. 38)、0&匕晶體（n= 1. 43)、1^2晶體（n= 1. 38)和8&?2晶體（n= 1. 48)的折射率；發(fā)光 薄膜層厚度的選擇依據(jù)是保證其為單模發(fā)光模式，只有當(dāng)發(fā)光薄膜層為單模發(fā)光模式時(shí)， 才能夠利用光子晶體調(diào)控使得其發(fā)光主要集中在一個(gè)方向上，滿足單模發(fā)射的臨界厚度是
，此時(shí)發(fā)光薄膜層中只有一種TE模式可以存在，當(dāng)厚度大于此值時(shí)將產(chǎn)生多模發(fā) 射不利于方向性的調(diào)控，為了同時(shí)兼顧發(fā)光效率，其厚度選擇為臨界厚度的〇. 9到0. 99倍； 發(fā)光薄膜層易于采用旋涂溶膠-凝膠方法制備成膜。覆蓋在發(fā)光薄膜層上的光子晶體層可 以使單模導(dǎo)波模式的光引導(dǎo)出來，這個(gè)過程稱之為導(dǎo)模共振，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射，滿足關(guān)系 _ _C| < + ?其中k//是導(dǎo)波模式的傳播波失，G= 2 /a是倒格矢，a是晶格常數(shù)，即周期 陣列介質(zhì)柱的周期，為最近鄰的兩個(gè)介質(zhì)柱之間的距離。介質(zhì)柱高度選擇的依據(jù)是導(dǎo)波模 式形成的衰逝場(chǎng)位于其表面上方大約半個(gè)真空中波長(zhǎng)的范圍，光子晶體布置在這個(gè)區(qū)域才 可以獲得足夠的相互作用，但也沒有必要過高，過高導(dǎo)致制備上的困難加大，導(dǎo)波模式的光 原先是被束縛在發(fā)光層內(nèi)部，無法出射，當(dāng)其上布置有光子晶體則會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)模共振效應(yīng)，產(chǎn) 生出射，同時(shí)出射方向滿足特定關(guān)系，即〃 這個(gè)公式，從因而實(shí)現(xiàn)對(duì)方向性 的控制。介質(zhì)柱的直徑的選擇通常是需要考慮衍射效率，一般情況下柱子的直徑是周期陣 列的周期的一半即可，顯著的過大或過小都會(huì)影響出射效率。三角構(gòu)型的對(duì)稱性更高，在方 位角上有更多的光可以滿足衍射方程，效率會(huì)得到提高，本專利采用三角構(gòu)型的的光子晶 體周期陣列，具有更好的調(diào)控效率。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0016] (1)導(dǎo)模共振結(jié)構(gòu)移波器件可以實(shí)現(xiàn)真空紫外閃爍體發(fā)光的有效移波，移波后的 發(fā)射位于可見區(qū)，與光電探測(cè)器的響應(yīng)匹配良好，具有單模模式的發(fā)光在光子晶體的作用 下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)模共振，產(chǎn)生方向性的發(fā)射，有利于聚焦，因此提高了收集效率，最終實(shí)現(xiàn)探測(cè)效 率的提升。
[0017] (2)所選發(fā)光薄膜層材料是具有快衰減特性的Ce3+摻雜材料，最大襯度實(shí)現(xiàn)了時(shí) 間分辨能力的提升。
[0018] (3)該結(jié)構(gòu)物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗輻照性能優(yōu)良，易于制備，有利于實(shí)際應(yīng)用。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明中光子晶體層的示意圖；
[0021] 圖3為實(shí)施例1中樣品的電鏡照片；
[0022] 圖4為實(shí)施例1中樣品在遠(yuǎn)紫外光激發(fā)下發(fā)光光譜的角度依賴；
[0023]圖5為實(shí)施例2中樣品在遠(yuǎn)紫外光激發(fā)下發(fā)光光譜的角度依賴；
[0024] 圖中，1為基底層，2為發(fā)光薄膜層，3為光子晶體層。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026] 實(shí)施例1
[0027]本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括基底層1，發(fā)光薄膜層2,光子晶體層3,發(fā)光 薄膜層2布置在基底層1上面，光子晶體層3布置在發(fā)光薄膜層上面，圖2為本發(fā)明中光子 晶體的結(jié)構(gòu)示意圖，其中a為光子晶體層中的三角構(gòu)型的周期陣列的周期，d為介質(zhì)柱的直 徑。
[0028] 該實(shí)施例選取的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：選擇CaF2晶體為基底層，發(fā)光薄膜層是 (Lua9Ceai)2Si05的厚度選擇〗
電子晶體周期為430nm，介質(zhì)柱的直徑為 215nm，高度為210nm，介質(zhì)材料選取SiN〇
[0029] 制備過程如下：⑴選取厚度為2mm，直徑為3cm的平整石英基片為基底層，利用超 聲清洗獲得干凈的基片，待鍍膜使用。（2)將化學(xué)配比劑量的硝酸镥、硝酸亞鈰溶解于二甲 基乙醇中，室溫超聲、攪拌至其完全溶解，呈透明狀，再依次加入一定摩爾比例的正硅酸四 乙酯、去離子水、PEG400,每進(jìn)行下一步時(shí)確保溶液完全穩(wěn)定透明。將混合溶液在室溫下攪 拌30分鐘至一個(gè)小時(shí)，攪拌完成后110-150°C油浴兩至三個(gè)小時(shí)，室溫下靜置3天即可得 到穩(wěn)定的溶膠。陳化三天后，將溶膠用滴管平鋪于擦洗干凈的石英基片上，先后用10-30秒 鐘800rpm和30-60秒鐘1800rpm旋轉(zhuǎn)基片，使溶膠在基片上形成濕膜，最后熱處理五到十 分鐘左右后放入馬弗爐進(jìn)行空氣氣氛下的