图1、LYSO 闪烁体和多孔氧化铝光子晶体结构的 SEM 图及结构示意图

作者利用了微纳光子学研究中常见的多孔氧化铝（AAO）光子晶体结构来实现光提取效率的增强，并对这种光子晶体结构进行了改良设计，增加了高折射率的二氧化钛保形沉积层（conformal deposition layer），使得波长和角度相关的辐射强度获得了 60% 的显著增强（图1）。该方法过程简单、成本低廉，适用于辐射检测领域的大面积应用。

【样品 & 测试】光提取效率是指闪烁体内部产生的光子能够离开闪烁体的比率。通常无机闪烁体具有较高的折射率（n=1.8~2.2），晶体界面处的全内反射是导致光提取效率降低的主要起因。在光提取过程中，当入射光遇到光子结构时，波矢量可以被分解成不同分量的谐波，满足一定条件的谐波可以被辐射到空气中。多孔 AAO 结构可以被看作是一个复杂的周期阵列，实现闪烁晶体光提取效率的增强。

图2、样品光致发光角度依赖光谱

基于之前的研究，作者采用最优的 AAO 结构参数进行实验，孔间距 A=450nm，孔直径 D=350nm，层高 H=750nm。然后在 LYSO 闪烁体和 AAO 多孔性表面设计了高折射率的 TiO2(≈2.8) 和 Al2O3(≈1.6) 保形沉积层。作者设计了五个样品，分别为：R1（LYSO）、A1（LYSO+AAO）、A2（LYSO+AAO+10nm Al2O3）、A3（LYSO+AAO+20nm Al2O3）、A4（LYSO+AAO+20nm TiO2）。文中对于样品表面形貌及光致发光角度依赖光谱的表征是采用 SEM 技术及复享光学 角分辨光谱测量系统 来完成的。如 图2 所示，角度相关辐射光谱曲线显示了一个近似遵循余弦发射定律的 Lambertian 剖面。

图3、样品发射光谱增强比率分析

图3a 为样品正常角度的发射光谱，插图中显示的为其他样品相对于 R1 样品的光谱增强，A(2~5) 样品的增强率分别为 30%、34%、49% 和 60%。在正常方向上，A1 样品在峰值波长下的光提取效率增强约为 22%。在 Al2O3 保形沉积层的作用下，光提取效率增强达 27%（A2，10nm）和 38%（A3，20nm）。在 20nm 的 TiO2 保形沉积层的作用下，在峰值波长上的光提取效率增强可达 62%。图3c 表示波长积分的发射光谱强度是发射角的函数。对于波长和角度积分的辐射强度来说，A(2~5) 样品的增强率分别为 30%、34%、49% 和 60%。图3b 描述了闪烁体发光特性，即所有样品正常方向的X射线激发发射光谱图。

图4、文章对复享光学角分辨光谱测量系统相关产品的标注

【总结】结果表明，多孔 AAO 表面上的高折射率 TiO2 保形沉积层在闪烁体的光提取效率增强方面具有至关重要的作用。晶格常数或平均孔间距决定了衍射耦合是否会发生，而折射率差异对耦合效率产生强烈的影响。由于 TiO2 保形沉积层相对于 AAO 层的折射率较高，较大的折射率差异能增加允许与入射光耦合的光学模态，从而提高了衍射效率，进而使得波长和角度相关的辐射强度获得了 60% 的显著增强。由复享光学提供的 R1角分辨光谱测试系统，在测量 LYSO 闪烁晶体的光致发光角度依赖光谱方面起到了重要的作用，为研究微结构辐射探测材料的科研人员提供了有效的解决方案。