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各种辐射源与固体材料相互作用中出现的物理现象、引起的物理效应以及产生的相关物理问题是凝聚态物理中的一个新的发展方向，而且辐照也是科学研究的重要工具之一，辐照不仅可以对物质产生损伤，更重要的是辐照可以引起多种物理效应，如电离效应、力学、热学、光学和电磁性能变化等，这些效应在科技领域中具有重要的应用价值。
伽马射线(γ-rays)是一种非常普遍的辐照源，已经被广泛应用于医疗、农业等领域中，尤其是伽马射线辐照在材料的改性上具有重要的使用价值。飞秒激光是近年来出现的一种新型的辐照源，利用飞秒激光可以在材料研究中产生多种新现缘及相关应用，如多光子吸收上转换、多光子还原、多光子光存储和三维微制造等。本论文以伽马射线和飞秒激光为辐照源，重点以辐照效应在材料科学上的应用为重点，系统开展了伽马射线对晶体材料的色心和缺陷分析，以及飞秒激光在晶体材料中非线性多光子吸收上转换发光的研究。论文的主要研究内容和结论包括以下几个方面：
第一部分：伽马射线与晶体材料的相互作用效应研究
(1).晶体中伽马射线辐照引起的稀土及过渡金属离子价态变化效应的研究
论文研究了伽马射线辐照过程中稀土Ce3＋和Yb3＋离子，以及杂质过渡金属Fe3+离子在不同晶体中的价态变化效应。辐照后晶体的差吸收光谱、荧光发射光谱和Ce3＋离子浓度计算表明：在提拉法和温梯法生长的Ce3＋：YAG晶体中存在Ce4+离子，辐照过程中发生了Ce4++e→Ce3+价态变化过程。同时，研究了Yb3+离子在YAG和YAP晶体中的价态变化效应。辐照过程中，Yb3＋离子在这两种晶体中价态发生变化反应：Yb3++e→Yb2+。此外，经伽马射线辐照后，Fe3＋离子在YAG、Yb：YAG、YAP和Yb：YAp晶体中发生Fe3++e→Fe2+价态变化；在TGT-Ce：YAG晶体中观察到Fe4++e→Fe3+变价反应。
(2).伽马射线辐照对晶体的色心和缺陷的研究
利用伽马射线辐照结合吸收光谱、激发与发射光谱、热释光谱和退火实验研究了晶体的色心和缺陷。研究表明：TGT-Ce：YAG晶体中235和370 nm吸收带是由F+色心引起的，294 nm的色心吸收带可能与可变价态杂质离子有关；YAG晶体中202 nm色心带是由氧空位引起的，370 nm色心带是由于F-类色心所致；Cz-Yb：YAG晶体中位于280-340 nm的宽带吸收是由Fe2+离子和F-类色心重叠而成。YAP晶体中265nm吸收带应该是与Fe3+离子相关，313 nm吸收带是由Fe2+离子引起，400 nm吸收带由Vc-F+色心导致；Yb：YAP晶体中385 nm吸收带最有可能和阳离子空位以及F+、F色心有关。此外，本文作者对氟化钙和蓝宝石晶体中的色心和缺陷也进行了研究。
第二部分：飞秒激光与晶体材料的相互作用产生非线性多光子吸收上转换荧光研究
(1).稀土Ce3+离子掺杂Lu25i2O7和Gd2SiO5晶体飞秒激光辐射上转换发光研究
在800 nm飞秒激光激发下，Ce3+：Lu2Si2O7和Ce3+：Gd2SiO5晶体中均产生了强烈紫外波段上转换荧光，而且发射荧光具有与紫外267 nm(800/3)单色光激发相同的发射光谱。研究表明：在Ce3+：Lu2Si2O7和Ce3+：Gd2SiO5晶体中飞秒激光激发产生的395nm和440 nm发射带均是由晶体中Ce3+离子5d电子最低能级到自旋轨道耦合分裂的2F5/2和2F7/2态跃迁产生。激光入射功率和上转换荧光发射密度的对数关系测试表明上转换荧光发射包含三光子吸收过程。通过单光子吸收和激发光谱研究了上转换发光的机制，分析表明同步三光子吸收是这两种晶体中上转换发光的主导机制。利用密度相关透射测量计算出Ce3+：Lu2Si2O7晶体的三光子吸收截面为σ3=2.44×10-77cm6s2；
(2).过渡金属Cr3+离子掺杂Al2O3晶体中飞秒激光辐射上转换发光研究在800 nm飞秒激光激发下，Cr3+：Al2O3晶体中产生了位于694 nm的与400 nm单色光激发相同的红色上转换荧光。发射荧光是由Cr3+离子最低激发态2E到基态4A2跃迁所致。测试了激光入射功率和上转换荧光发射密度的对数关系，结果表明上转换荧光发射包含双光子吸收过程。单光子吸收和激发光谱分析表明：同步双光子吸收是这两种晶体中上转换发光的主导机制；
(3).自激活VO43-离子在YVO4晶体中的上转换发光研究在800 nm飞秒激光激发下，YVO4晶体中产生了与267 nm单色光激发相同的位于438 nm和464 nm的蓝色上转换荧光。发射的荧光是由VO43-离子从1T1(t15e1t20)和1T2(t15e1t20)激发态到1A1(t16e0t20)基态的电偶极允许跃迁产生。激光入射功率和上转换荧光发射密度的对数关系表明上转换荧光发射包含三光子吸收过程。分析表明同步三光子吸收是这种晶体上转换发光的主导机制。