МатВед лабы / Исследование спектров люминесценции неодимовых лазерных стекол и кристаллах

Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению . Исследование спектров люминесценции неодимовых лазерных стекол и кристаллах

Лабораторная работа №1.

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ НЕОДИМОВЫХ ЛАЗЕРНЫХ СТЁКОЛ И КРИСТАЛЛАХ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение явления люминесценции на примере лазерных неодимовых стёкол и кристаллов

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: Активированные ионами неодима лазерные

стекла и кристаллы.

ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ В РАБОТЕ:

1.Получить понятие о фотолюминесценции и экспериментальных приёмах её исследования

2.Ознакомится с особенностями спектров люминесценции РЗ ионов в кристаллах и стеклах, квантовыми числами, используемыми для идентификации уровней энергии, а также схемой уровней и оптических переходов для иона неодима

3.Измерить на экспериментальной установке спектры люминесценции образцов неодимовых кристаллов и стекол в интервале длин волн 850-1100

нм.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

1. Понятие о люминесценции. Фотолюминесценция.

Люминесценция – это испускаемое веществом излучение,

представляющее собой избыток над тепловым излучением и продолжающееся после импульсного возбуждения в течение времени,

значительно превышающего период световых колебаний. Люминесценция

Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению . Исследование спектров люминесценции неодимовых лазерных стекол и кристаллах

соответствует спонтанным оптическим переходам, в то время как генерация и усиление света – вынужденным.

Процесс люминесценции схематически изображен на рис 1. Поглощая фотон, ион с основного уровня 1 переходит в возбужденное состояние

(уровень 3), с которого безызлучательно релаксирует на уровень 2 и

излучается с длиной волны λ2. Обычно, свет люминесценции имеет большую длину волны, чем возбуждающий свет. Энергетические уровни редкоземельного иона в стекле и кристалле расщеплены на подуровни. Число таких подуровней зависит от атомных квантовых чисел.

3

2

λ1 λ2

1

Рис. 1. Схема процесса люминесценции

На рисунке 2 представлена типичная схема измерения люминесценции.

Излучение источника (1) фокусируется линзой (3) на образец (2).

Возбуждаемая в образце люминесценция собирается линзой (4) на щели спектрометра. Для того чтобы исследовать только сигнал люминесценции используют спектральные фильтры. Фильтр Ф1 пропускает только свет,

возбуждающий люминесценцию, а фильтр Ф2 – наоборот, пропускает только свет люминесценции.

Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению . Исследование спектров люминесценции неодимовых лазерных стекол и кристаллах

Рис 2. Обычная экспериментальная схема изучения люминесценции Процесс люминесценции схематически изображен на рис 2. Поглощая

фотон, ион с основного уровня 1 переходит в возбужденное состояние

(уровень 3), с которого безызлучательно релаксирует на уровень 2 и

излучается с длиной волны λ2 >λ1. Обычно, свет люминесценции имеет большую длину волны, чем возбуждающий свет

2. Редкоземельные оптические центры. Номенклатура уровней энергии. Штарковская структура спектров.

Активированные материалы - это кристаллы и стекла, в состав которых специально введены редкоземельные ионы: Nd3+, Er3+, Ho3+, Tm3+, Yb3+ или ионы переходных металлов: Cr3+, Ti3+, Co2+.

Эти ионы в значительной степени сохраняют свою индивидуальность

(редкоземельные ионы – в большей степени, ионы переходных металлов – в

меньшей степени). Говорят, что в матрице они образуют оптические центры.

При этом считают, что в центр входит сам ион активатора (катион) и атомы,

составляющие его первую координационную сферу (анионы).

Акты поглощения и излучения света происходят в пределах каждого центра. Наоборот, при зона-зонных переходах возбуждается электронная волна, распространяющаяся по кристаллу. Таким образом, свойства этих локализованных оптических центров определяют спектрально-

люминесцентные и лазерные параметры активированного материала.

Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению . Исследование спектров люминесценции неодимовых лазерных стекол и кристаллах

Штарковские расщепления. Квантовые числа, характеризующие уровни

редкоземельного активаторного центра.

При попадании примесного атома активатора в кристалл или в стекло он подвергается воздействию окружения, и испытывает расщепление. Прежде всего, это кулоновское воздействие электрических полей зарядов окружающих ионов, под влиянием, которого атомные уровни испытывают расщепление. В принципе, такого рода расщепление было исследовано ещё на заре развития атомной физики и получило название эффекта Штарка.

Эффект Штарка - это эффект расщепления атомных уровней во внешнем однородном электрическом поле. Чтобы энергетический уровень расщеплялся при воздействии на атом, он должен быть «вырожден» - т.е. ему должно соответствовать несколько волновых функций. Число таких волновых функций называется «кратностью вырождения». При расщеплении уровня сумма кратностей вырождений образовавшихся уровней равна кратности вырождения исходного уровня. Справедливо общее правило: чем ниже симметрия поля, действующего на ион в матрице, тем меньше кратности вырождения образовавшихся штарковских подуровней. Величина кратности вырождения этих подуровней принимает вполне определённые значения.

Для ионов с чётным числом электронов возможные кратности вырождения 1, 2, 3. Трёхкратно вырожденные уровни возможны только в полях кубической симметрии (тетраэдр, октаэдр, куб)

Для ионов с нечётным числом электронов возможные кратности вырождения

2, 4. Четырёхкратно вырожденные уровни возможны только в полях кубической симметрии.

При отсутствии магнитного поля уровни иона-активатора с нечётным числом электронов, по крайней мере, двукратно вырождены (теорема Крамерса).

Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению . Исследование спектров люминесценции неодимовых лазерных стекол и кристаллах

Набор этих чисел записываются в следующем виде - 2S+1LJ . Например, для основного состояния иона неодима 4I9/2 , что означает S=3/2, L=6, J=9/2. Из квантовых чисел можно так же определить количество подуровней на которые данный энергетический уровень расщепился. Количество подуровней будет равно S+1/2. Например, для уровня 4I15/2 количество подуровней будет равно 8.

Неоднородное и однородное уширение.

Спектры поглощения и люминесценции кристаллов, активированных ионами редкоземельных элементов, состоят из отдельных групп узких линий.

Каждая группа представляет собой штарковскую структуру, возникающую из-за расщепления атомных уровней основного и возбуждённого состояний,

характеризуемых моментами J и J' (рис 3). Таким образом, группе приписывают оптический переход в свободном атоме S,L,J → S',L',J', с

которым она связана генетически. Если сравнить спектры одного и того же РЗ иона в разных кристаллах, то окажется, что число линий в S,L,J → S',L',J'

группе, характер их расположения и относительные интенсивности различны. Эти характеристики связаны с особенностями ближайшего окружения РЗ иона (строением РЗ центра). Анализ штарковской структуры спектра позволяет получить информацию о строении оптического РЗ центра,

вчастности, определить его симметрию.

Вспектрах стёкол в тех же диапазонах частот, где в случае кристаллов имеются группы узких линий, наблюдаются размытые полосы с более или менее выраженными максимумами. Они выглядят так, как если бы линии спектра кристалла увеличили ширину, оставаясь на прежнем месте, и

частично наложились друг на друга.

Типичные значения ширины линий для перехода между парой

отдельных штарковских уровней в случае кристаллов ≈10 см-1, в случае

стёкол ≈100 см-1.

Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению . Исследование спектров люминесценции неодимовых лазерных стекол и кристаллах

С чем связано такое различие спектров стёкол и кристаллов? Сравним структуру стёкол и кристаллов. Основным свойством кристалла является упорядоченность его структуры, которая характеризуется как точечной, так и пространственной симметрией. Поэтому атомы в кристалле занимают совершенно определённые места (положения). Число различного типа мест для атомов в кристалле невелико. Все "места" одного типа с большой точностью можно считать идентичными. Когда ионы активаторы занимают место определённого типа, то все они оказываются в одинаковом положении.

Окружение действует на них одинаковым образом, штарковские расщепления уровней и спектральных линий для них одинаковы.

Иная ситуация в стекле, где в расположении атомов приблизительно сохраняется ближний порядок, а дальний порядок отсутствует. Поэтому,

строго говоря, положения всех атомов в стекле различны, положения некоторых приблизительно схожи.

С химической точки зрения лазерные стёкла представляют собой сплавы окислов. Число различных окислов в промышленном стекле может достигать десятка. Среди этих окислов выделяют "главный", благодаря наличию которого сплав при охлаждении переходит в стеклообразное состояние, а не кристаллизуется. Этот окисел называют

"стеклообразователем", в процентном отношении его количество составляет примерно половину или больше от всего состава. Другие окислы называются

"модификаторами". Самым распространённым стеклообразователем, на основе которого получают почти все оптические стёкла, является SiO2.

Соответствующие стёкла называются "силикатными". В квантовой электронике используются также "фосфатные" стёкла, в которых стеклообразователем является P2O5.

Согласно исследованиям структуры стёкол с помощью рассеяния рентгеновских лучей и нейтронов только вокруг атомов стеклообразователей имеет место ближний порядок. А именно, подавляющее число атомов

Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению . Исследование спектров люминесценции неодимовых лазерных стекол и кристаллах

кремния в силикатных стёклах и атомов фосфора в фосфатных стёклах находится в центре тетраэдров из атомов кислорода.

Рис. 4 Спектр люминесценции Катионы модификаторы, в том числе редкоземельные ионы, не имеют

определённого координационного числа. Кроме того, даже в случае фиксированного координационного числа конфигурации лигандов могут меняться в очень широких пределах.

Таким образом, в стекле каждый из РЗ ионов находится в своём специфическом поле, которое отлично от полей, действующих на другие ионы. Строго говоря, все оптические центры различны, а значит, у них различаются штарковские расщепления уровней и штарковская структура спектров. Спектр, наблюдаемый в условиях обычного эксперимента, есть результат наложения спектров отдельных центров (Рис 4). Понятно, что такое наложение проявляется в виде уширения спектральных линий.

Уширение спектральных полос, обусловленное тем, что энергия оптических переходов различна у разных центров внутри одного образца,

называется неоднородным.

Методические указания по выполнению лабораторного практикума по оптическому материаловедению . Исследование спектров люминесценции неодимовых лазерных стекол и кристаллах

диодов, которые излучают в ИК диапазоне, что сильно увеличивает КПД

таких лазеров.

ПОРЯДОК РАБОТЫ

Подготовка к измерению

1.Включить лазер, монохроматор и компьютер.

2.Установить образец в держатель для образцов

3.Открыть программу «Монохроматор». Установить параметры сканирования. Для чего щелкнуть по кнопке «установка параметров сканирования» на панели инструментов. Установить диапазон от 850 до 1100 нм, шаг 0.2 нм.

4.Начать сканирование. Для чего щелкнуть по соответствующей кнопке на панели инструментов.

5.После завершения сканирования сохранить данные – для чего выбрать пункт

«файл->сохранить как..», ввести имя файла и выбрать формат сохранения *.txt.

6.После сохранения следует удалить график из рабочего поля программы. Для чего щелкнуть по соотвествующей кнопке на панели задач и выбрать пункт «удалить все графики».

7.Повторить пункт 2-6 для каждого образца. Построить зависимость интенсивности люминесценции иона неодима от длины волны для стекла и кристалла.

Постройте нормированный спектр люминесценции неодимовых стекол и кристаллов, то есть зависимость интенсивности от длины волны – I (λ), где максимум нормирован на 1. Для этого требуется определить максимальное значение интенсивности люминесценции, затем разделить столбик значений интенсивности на это значение. Из полученной зависимости определите длину волны, соответствующую положению максимума полосы люминесценции. Подписать каким переходам соответствуют данные полосы люминесценции. Определить какие из образцов являются кристаллами а какие стеклами.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1.Что такое люминесценция?

2.С чем связанно количество полос люминесценции?

3.Почему различаются интенсивности переходов с различных уровней?

4.Что такое штарковское расщепление?