Явление Люминесценции

Термин ”люминесценция” был впервые введен Видеманом в 1888 г. Он предложил называть люминесценцией свечение, которое возникает под действием внешних причин без повышения температуры светящегося тела. Сейчас люминесценцией называют избыток излучения над тепловым излучением тела, соответствующим его температуре. Затем Вавилов обратил внимание на то, что определение понятия люминесценции, данное Видеманом, не позволяет отличить люминесценцию от отражения и рассеяния света. Он предложил дополнить определение люминесценции критерием длительности. Согласно Вавилову люминесценцией следует называть избыток над тепловым излучением тела, если после выключения возбуждения свечение продолжается в течение некоторого времени [10].

Определение Видемана-Вавилова сохранило свое значение и широко используется. Однако неопределенность критерия длительности и возможность применять это определение только к телам, состояние которых можно охарактеризовать определенной температурой, привели к появлению другого подхода к вопросу об определении понятия люминесценции. Этот подход основан на анализе элементарных процессов, обуславливающих вторичное излучение. Согласно этому люминесценцией следует называть спонтанное испускание, происходящее после того, как все процессы релаксации, кроме электронного перехода, закончились, и установилось тепловое квазиравновесие в возбужденном электронном состоянии.

Я вления люминесценции классифицируют по способу возбуждения. Так люминесценцию, возбуждаемую светом, называют фотолюминесценцией, возбуждаемую электрическим полем – электролюминесценцией, рентгеновскими лучами - рентгенолюминесценцией [10].

Стоксовая люминесценция

Основным законом спектрального преобразования света в процессе люминесценции считается правило Стокса. Согласно этому правилу под определением ”стоксовая люминесценция” подразумевается процесс, при котором частота поглощаемых фотонов выше, чем частота излучаемых (рис.2). Типичным примером стоксовой люминесценции является люминесценция Nd³⁺ .

Антистоксовая люминесценция

” Антистоксовая люминесценция” есть процесс, при котором поглощаются низкочастотные фотоны и излучаются более высокочастотные [5]. Излучение высокочастотных фотонов становится возможным за счет развития ряда процессов, приводящих к суммированию энергии возбуждающих фотонов (рис.3). С энергетической точки зрения антистоксова люминесценция означает преобразование внутренней энергии излученного образца в энергию люминесценции.

И сследования механизмов, приводящих к антистоксовой люминесценции в различных средах, легированных редкоземельными ионами, продолжаются на протяжении более чем трех десятилетий. В 1966 г. независимо Ф. Озелем и В.В. Овсянкиным, П.П. Феофиловым были впервые проведены эксперименты по преобразованию ИК излучения в видимый диапазон. Для объяснения процессов, происходящих в системах, активированных РЗИ, приводящих к преобразованию ИК излучения в видимое, Ф. Озель предложил механизм суммирования энергии фотонов через перенос энергии. В.В. Овсянкин и П.П. Феофилов объяснили наблюдаемые явления кооперативным суммированием энергии электронного возбуждения [11].

Все механизмы АСЛ можно разделить на четыре основных класса:

1. Суммирование энергии фотонов через перенос энергии рис. 4. Этот механизм был предложен в 1966 году французским физиком Ф. Озелем [11]. Ион сенсибилизатор поглощает квант энергии и из основного состояния переходит в возбужденное. Затем происходит последовательный перенос энергии возбуждения от иона сенсибилизатора к иону активатору. После этого ион активатора оказывается в возбужденном состоянии. Затем ион активатора может получить еще один квант энергии от другого сенсибилизатора и перейти в следующее возбужденное состояние.

2. Последовательное поглощение фотонов рис. 5. Этот механизм был предложен Н. Бломбергеном [11].

3. Кооперативная сенсибилизация рис. 6а. Этот механизм был предложен П.П. Феофиловым и В.В. Овсянкиным [11]. При этом процессе энергия от двух возбужденных ионов сенсибилизаторов передается в едином акте переноса одному иону активатора.

4. Кооперативная люминесценция рис. 6б. Это излучение одного фотона от двух возбужденных взаимодействующих ионов активаторов.

То, какой из перечисленных механизмов будет развиваться в исследуемой системе, определяется в первую очередь взаимодействующими ионами и их концентрацией. Кроме того, в реальных системах обычно могут протекать одновременно несколько различных процессов.