各位好，本期是我们 材料与器件辐照损伤研究的意义与光谱学方法的应用系列文章的第八辑：玻璃的辐照损伤机理及光谱学研究。

在本期中，我们将会在基于目前发表的公开文献为基础，介绍玻璃的辐照损失机理和原位光谱测试。

摘要

玻璃材料因其优异的光学性能和化学稳定性而被广泛应用于光学涂层、光纤通信和核工业等领域。然而，在高能粒子辐照环境下，玻璃材料的结构和光学性能会受到显著影响。本文综述了玻璃材料在辐照损伤下的微观结构变化及其对光学性能的影响，特别关注拉曼光谱、光致发光光谱（PL）和分光光度法等光谱学方法在研究中的应用。通过这些光谱学手段，可以有效揭示辐照引入的缺陷类型、色心形成机制以及光学性质的变化，为理解和改善玻璃材料的抗辐照性能提供了重要依据。

引言

玻璃材料是一种重要的光学材料，因其优异的光学性能和化学稳定性而被广泛应用于光学涂层、光纤通信和核工业等领域。近年来，随着对极端环境下材料性能需求的增加，玻璃材料在高能粒子辐照下的稳定性受到广泛关注。高能粒子辐照会导致玻璃材料中缺陷态密度的增加，影响其光学性能。因此，深入研究玻璃材料的辐照损伤机理对于提高其在极端环境下的应用性能具有重要意义。

近年来，光谱学方法在材料辐照损伤研究中得到了广泛应用。拉曼光谱、光致发光光谱（PL）和分光光度法等技术能够提供关于材料微观结构、缺陷态密度和光学性质的丰富信息。本文将重点探讨这些光谱学方法在研究玻璃材料辐照损伤中的应用，并总结相关研究进展。

玻璃材料的辐照损伤机制

1.1 网络结构的破坏

高能粒子辐照会导致玻璃材料中网络结构的破坏，包括硅氧键（Si-O-Si）的断裂和重组。这些变化会改变玻璃的网络拓扑结构，导致其密度和折射率发生变化。研究表明，高能粒子辐照后，玻璃材料的拉曼光谱显示振动峰位向低波数方向移动，峰宽增加，表明网络结构的破坏和缺陷态的引入。

1.2 色心的形成

高能粒子辐照会导致玻璃材料中色心的形成，这些色心会吸收特定波长的光，导致材料变色。常见的色心包括氧空穴中心（NBOHC）和非桥氧空穴中心（NBOHC）。这些色心的形成机制与辐照诱导的氧空位和硅空位有关。研究表明，高能粒子辐照后，玻璃材料的光致发光光谱（PL）显示出发光强度的显著降低和发光峰位的蓝移，反映了色心的形成和缺陷态密度的增加。

1.3 光学性能变化

辐照引入的色心和网络结构的破坏会导致玻璃材料的光学性能发生显著变化。例如，色心的形成会导致材料的吸收带蓝移或红移，降低其光学透明度。此外，网络结构的破坏会影响玻璃材料的折射率和散射特性，进一步影响其光学性能。研究表明，高能粒子辐照后，玻璃材料的分光光度法测量显示吸收带位置发生蓝移或红移，吸收强度增加，反映了色心的形成和网络结构的破坏。

图1. 玻璃辐照缺陷及光学性能多尺度模拟及实验耦合

玻璃的辐照损伤研究方式方法有很多，可以见如下表格。

在本篇中，出于我司自身专业性的考虑，我们重点介绍Raman与PL光谱。

表1. 辐照损伤的宏微观研究方法（自己尝试做个表格吧）

2.1 拉曼光谱

拉曼光谱是一种非破坏性的光谱技术，能够提供关于材料晶格振动模式的信息。对于玻璃材料，其拉曼光谱中主要的振动模式包括Si-O-Si键的对称和反对称振动模式。这些模式的峰位和强度变化可以反映网络结构的损伤程度。研究表明，高能粒子辐照后，玻璃材料的拉曼光谱显示振动峰位向低波数方向移动，峰宽增加，表明网络结构的破坏和缺陷态的引入。

2.2 光致发光光谱（PL）

PL光谱是一种常用的光谱技术，用于研究材料的光学性质和缺陷态。对于玻璃材料，PL光谱可以提供关于发光效率、缺陷态密度和载流子复合过程的信息。研究表明，高能粒子辐照后，玻璃材料的PL光谱显示出发光强度的显著降低和发光峰位的蓝移。这些变化反映了缺陷态密度的增加和载流子复合过程的改变。通过拟合PL光谱，可以进一步确定缺陷态的类型和浓度。

2.3 分光光度法

分光光度法是一种常用的光谱技术，用于测量材料的光吸收特性。对于玻璃材料，分光光度法可以提供关于材料吸收带位置和强度的信息。研究表明，高能粒子辐照后，玻璃材料的吸收带位置发生蓝移或红移，吸收强度增加。这些变化反映了色心的形成和网络结构的破坏。

结论与展望

本文综述了玻璃材料在高能粒子辐照下的损伤机制，特别关注了拉曼光谱、光致发光光谱（PL）和分光光度法等光谱学方法在研究中的应用。通过这些光谱学手段，可以有效揭示辐照引入的缺陷类型、色心形成机制以及光学性质的变化。研究表明，高能粒子辐照会导致玻璃材料的网络结构破坏、色心形成和光学性能下降。这些发现为理解和改善玻璃材料的抗辐照性能提供了重要依据。

未来的研究方向包括：

1. 材料改性：通过掺杂或合金化等方法，提高玻璃材料的抗辐照性能。

2. 结构优化：设计新型的玻璃结构，如纳米多孔结构，以增强其抗辐照能力。

3. 多物理场耦合研究：结合热、电、光等多物理场耦合效应，深入研究玻璃材料在极端环境下的性能变化。

通过这些研究，有望开发出具有更高抗辐照性能的玻璃材料，满足光学涂层、光纤通信和核工业等领域的需求。