Введение к работе
Актуальность работы
Диссертация посвящена исследованию взаимодействия оптического излучения с квантовыми системами в различных средах в зависимости от состояния поляризации и интенсивности возбуждающего излучения и симметрии основного и возбужденных состояний систем В частности работа направлена на исследование пространственно-периодического нелинейного взаимодействия ориентированных центров люминесценции с поляризованным лазерным излучением в анизотропных диэлектрических средах
Известно, что интенсивность и состояние поляризации люминесценции центров окраски в кристаллах, зависит от направления распространения и состояния поляризации возбуждающего света, а также от направления наблюдения люминесценции В связи с этим возникает задача - по исследованию поляризованной люминесценции определить тип (мультшюльность) и ориентации относительно кристаллографических осей элементарных поглощающих и излучающих осцилляторов, которыми моделируются переходы в центрах люминесценции, природу и структурную модель центров окраски Данное направление исследований было заложено в работах СИ. Вавилова [1-2] и развито в эффективные методы (поляризационных диаграмм и азимутальных зависимостей) исследования атомов, молекул, и центров окраски в кубических кристаллах его учеником и последователем П П. Феофиловым [3] Позднее рядом авторов [4,5] были обобщены методы исследования поляризованной люминесценции (метод поляризационных отношений) на анизотропные кристаллы
В первой части диссертационной работы исследуется поляризованная люминесценция (методом поляризационных отношений) ряда неизученных лазерноактивных центров окраски в облученном нейтронами лейкосапфире с целью определения природы центров, их структурной модели и механизмов образования. Здесь же исследуется линейный дихроизм широкой бесструктурной полосы поглощения, обусловленной поглощением коллоидными частицами алюминия в данных кристаллах, роль этих частиц в механизме образования центров окраски. Данное направление исследований актуально и с точки зрения практического применения для создания новых лазерных сред, пассивных лазерных затворов и других элементов квантовой электроники на основе кристаллов с центрами окраски.
В работе исследуются механизмы термической и туннельной деполяризации люминесценции центров окраски в кристаллах LiF:Mg и КС1T1N03 Разработка достаточно универсальной модели, адекватно описывающей данное явление в разных кристаллах, актуально для физики центров окраски
Несмотря, на долгое и успешное применение традиционных методов исследования поляризованной люминесценции центров окраски в кристаллах, следует отметить, что подобные исследования часто экспериментально трудоемки, а интерпретация полученных результатов не всегда бывает однозначной Поэтому разработки альтернативных методов определения типа и ориентации элементарных осцилляторов, которыми моделируются переходы в квантовой системе (центре окраски), весьма актуальны Так, Е Ф Мартыновичем [6] была высказана идея использовать для определения ориентации и типа элементарных излучателей в анизотропных кристаллах наблюдаемые пространственно-периодические картины распределения интенсивности люминесценции центров окраски В данной работе развивается этот подход. В отличие от традиционных методов, где возбуждающее излучение линейно поляризовано, в предлагаемом методе возбуждающий свет периодически меняет состояние поляризации Это обстоятельство потребовало развития новой техники вычислений, отличающейся от классической модели линейных осцилляторов и ротаторов, используемой в [3] К началу нашей работы удавалось рассчитывать аксиально-периодические зависимости (АПЗ) интенсивности люминесценции только для ориентационных групп линейных осцилляторов в одноосных кристаллах Рассматривалось только однофотонное поглощение и двухуровневые системы, что на начальном этапе исследований было оправдано относительной простотой модели Однако такая модель имеет весьма ограниченную область применения, поэтому было актуально развитие модели, адекватно описывающей взаимодействие возбуждающего света с произвольным состоянием поляризации (эллиптически поляризованный свет) с ориентационными группами центров окраски, в которых переходы описываются как линейными осцилляторами (АЛ, =0), так и ротаторами (правым и левым Л/2=±1). Предлагаемая в работе модель одинаково применима как в анизотропных кристаллах, так и в кубических кристаллах с наведенной анизотропией. Также в рамках данной модели в диссертации рассматриваются многоуровневые квантовые системы (центры окраски) и нелинейные эффекты, возникающие при насыщении уровня центра и при двухфотонном и двухступенчатом поглощении
Период пространственно-периодической модуляции интенсивности люминесценции обычно совпадает с периодом изменения состояния поляризации возбуждающего света при его распространении в одноосном кристалле Именно такие пространственно-периодические картины люминесценции различных центров окраски в ряде кристаллов (а-А12Оз, MgF2, LiF) ранее и наблюдались [6,7] Однако в эксперименте на кристаллах LiF с наведенной анизотропией для F3+- центров мы наблюдали пространственно-периодическую картину люминесценции с вдвое более коротким периодом модуляции интенсивности В диссертации исследуется этот новый необычный эффект Определяются условия, при которых
наблюдается данный эффект- конфигурация образца, ориентации и тип поглощающего и излучающего осцилляторов центра люминесценции, направление оптической оси кристалла, направления возбуждения и наблюдения люминесценции Необходимым (но не достаточным) условием возникновения данного эффекта является нелинейная зависимость интенсивности люминесценции от интенсивности возбуждающего света
Таким образом, работа была направлена на исследование нового поляризационного эффекта, а также на исследование малоизученных эффектов деполяризации люминесценции центров окраски
Развитие новых методов исследования мультипольности и ориентации элементарных осцилляторов, исследование эффектов, возникающих при многофотонных процессах, протекающих в мощных лазерных полях, имеет фундаментальное значения для понимания физики центров окраски, для развития физических основ оптической записи информации и других приложений
Цели диссертационной работы заключались в следующем
методами исследования поляризованной люминесценции определить природу и структурные модели ряда неизученных центров окраски в лейкосапфире и выяснить механизм их образования,
установить причины линейного дихроизма широкой бесструктурной полосы поглощения, наблюдаемой в облученном нейтронами лейкосапфире,
выяснить закономерности деполяризации люминесценции центров окраски в кристалле при термической и туннельной переориентации излучающего осциллятора,
- установить причины появления необычного эффекта удвоения
частоты модуляции в аксиально-периодической зависимости распределения
интенсивности люминесценции центров
Для достижения этих целей были поставлены следующие задачи.
Изучить оптические характеристики ряда неисследованных центров окраски в лейкосапфире, определить ориентации поглощающих и излучающих осцилляторов данных центров
Установить закономерности процессов образования и преобразования центров окраски при изохронном и изотермическом отжиге облученных нейтронами кристаллов а-А1203
3 Разработать на основе теории поглощения и рассеяния света
средами, содержащими малые частицы, модель, позволяющую получить
количественные характеристики экспериментально наблюдаемого
дихроизма бесструктурной полосы поглощения
4 Разработать метод разделения на составляющие спектров
поглощения и люминесценции анизотропных (одноосных) кристаллов,
применимый в случае полного перекрытия полос.
Установить механизмы деполяризации люминесценции центров окраски щелочно-галоидных кристаллах КС1-Т1,Ж)з и LiF-Mg Разработать метод расчета степени поляризации Р(Т) при термической и туннельной деполяризации люминесценции при ориентациях поглощающих и излучающих осцилляторов по 6С2, 4Сз и ЗС4 осям симметрии кубического кристалла
Разработать метод расчета аксиально-периодических зависимостей интенсивности люминесценции при моделировании переходов в центрах люминесценции, как линейными осцилляторами (Д/г=0), так и ротаторами (AJZ =±1) Разработать метод определения типа и ориентации поглощающих и излучающих осцилляторов основанный на аксиально-периодической зависимости интенсивности люминесценции центров в кристаллах с естественной или наведенной анизотропией
Определить условия, при которых наблюдается эффект удвоения частоты модуляции в АПЗ конфигурация образца, ориентации и тип поглощающего и излучающего осциллятора центра люминесценции, направление оптической оси кристалла, направления возбуждения и наблюдения люминесценции
Развить метод расчета аксиально-периодических зависимостей интенсивности люминесценции центров окраски в анизотропных кристаллах при нелинейной зависимости интенсивности люминесценции от интенсивности возбуждающего света.
Научная новизна работы
1 Исследованы оптические характеристики новых типов центров
окраски в лейкосапфире (С1 с максимумами полос люминесценции при 530
и 615 ш и С4 с максимумом полосы люминесценции при 1,15 мкм).
Методом поляризационных отношений определены тип и ориентации
осцилляторов, которыми моделируются электродипольные переходы в ряде
неизученных центров окраски в облученном нейтронами лейкосапфире С1,
С4, С2 - центр с максимумом полосы поглощения при 450 нм и максимумом
полосы люминесценции при 560 нм, СЗ - центр с максимумом полос
поглощения при 454 и 850 нм и максимумом полосы люминесценции при
980 нм Для центров С1 и С2 установлены структурные модели
2 Показана возможность использования монокристаллов
лейкосапфира с центрами окраски в качестве пассивных лазерных затворов
(ПЛЗ) с управляемым начальным пропусканием для инфракрасной области
спектра На кристаллах лейкосапфира с СЗ - центрами окраски реализован
пассивный лазерный затвор для LiYF4-Er3+ лазера изменяющий начальное
пропускание и тем самым режим генерации лазера в зависимости от угла
поворота между электрическим вектором генерируемого света и оптической
осью кристалла затвора
3 Разработан метод разделения спектров поглощения (и
люминесценции) одноосных кристаллов в случае даже их полного
перекрытия В данном методе разложение сложных спектров поглощения и люминесценции на индивидуальные полосы производится на основе поляризационных отношений, полученных при исследовании поляризованной люминесценции, что дает возможность однозначно определить вклад каждого центра окраски в суммарный спектр Рассмотрены области применения данного метода Метод успешно применен для выделения полос люминесценции нового центра окраски -С1
4 Обнаружен линейный дихроизм широкой бесструктурной полосы
поглощения в облученном нейтронами (доза 5 1018 нейтрон /см2)
кристаллах а-А120з Показано, что наблюдаемый дихроизм обусловлен формой и ориентацией коллоидных частиц металлического алюминия, формирующихся при облучении в виде плоских образований (50-100 нм), ориентированных плоскостями перпендикулярно оптической оси кристалла На основе теории рассеяния света средами, содержащими малые частицы, разработана модель и сделаны оценки дихроизма бесструктурной полосы поглощения Данная модель, включает в себя аппроксимацию коллоидных образований алюминия плоскими эллипсоидами с широким диапазоном соотношения осей и введение статистического распределения коллоидных частиц по факторам формы В качестве параметра, характеризующего дихроизм, рассматривалось соотношение Ак = к/, /кх, где кп и кх -коэффициенты поглощения света, поляризованного параллельно и перпендикулярно оптической оси кристалла, соответственно Получено хорошее количественное согласие экспериментальных и расчетных данных
5 Обнаружены термические изменения линейного дихроизма
бесструктурной полосы поглощения, которые показывают, что при
термическом отжиге (при температурах выше 800 С) происходит
разрушение коллоидных образований на более мелкие, приближающиеся к
шарообразной форме, частицы
6 Предложен механизм образования центров окраски при отжиге
облученного нейтронами лейкосапфира Исследована роль коллоидных
частиц алюминия в процессах образования и преобразования центров
окраски в кристаллах лейкосапфира, облученных нейтронами Рассмотрена
кинетика образования центров окраски, из которой следует, что центры
окраски в облученных нейтронами кристаллах а-А12Оз образуются не
однородно по всему объему кристалла, а локализованы вблизи коллоидных
частиц алюминия, играющих роль дефекта, в результате распада которого
при термическом отжиге образуются агрегатные центры окраски
7 Построена модель, описывающая деполяризацию люминесценции
центров окраски в кристаллах, происходящую вследствие термической и
туннельной переориентации излучающего осциллятора Были рассчитаны
зависимости степени поляризации люминесценции Р(Т) от температуры для
всех возможных ориентации (по кристаллографическим осям ЗС4,4С3 и6С2)
осцилляторов в кубических кристаллах при термической и туннельной
деполяризации люминесценции Показано, что во всех случаях ориентации осцилляторов просматривается аналогия между эффектом деполяризации люминесценции и эффектом внутрицентрового тушения люминесценции Выражения, описывающие зависимость степени поляризации люминесценции Р(Т) от температуры при всех ориентациях осцилляторов, близки к формуле Мотта для квантового выхода люминесценции Было продемонстрировано хорошее согласие экспериментальных и теоретических данных для центров окраски с максимумом люминесценции 670 нм в LiF-Mg и центров с максимумом люминесценции 450 нм в кристаллах КС1-Т1, N03 Предложены модели исследуемых центров
8 Развит новый метод определения типа и ориентации осцилляторов, которыми моделируются поглощающие и излучающие переходы в центрах окраски в кристаллах В отличие от традиционных методов исследования поляризованной люминесценции, где возбуждающий свет линейно поляризован, в данном методе возбуждающий свет периодически меняет состояние поляризации Это потребовало обобщения модели классических линейных осцилляторов и ротаторов Разработана техника вычислений аксиально-периодических зависимостей интенсивности люминесценции центров окраски в анизотропных кристаллах, основанная на представлении осцилляторов единичными комплексными векторами
9. Для кубических кристаллов определены условия возбуждения и
наблюдения люминесценции и конфигурация образца, которые позволяют
ввести простую процедуру для определения ориентации и типа
осцилляторов В данной модификации метода по наличию или отсутствию
модуляции в двух пространственно-периодических картинах
люминесценции центров однозначно определяются ориентации осцилляторов, а по положению максимумов и минимумов - тип поглощающих и излучающих осцилляторов Метод экспериментально апробирован на F2 - центрах в кристаллах LiF с наведенной анизотропией Предложенный метод дополняет известные методы азимутальных зависимостей и поляризационных диаграмм, однако имеет ряд преимуществ Например, случаи ориентации осцилляторов по четырем кристаллографическим осям Сз и ориентации осцилляторов по шести осям Сг традиционным методом в эксперименте часто мало различимы (поскольку имеют схожие зависимости), предложенным методом эти случаи хорошо различаются
10 Обнаружен и исследован новый эффект удвоения частоты модуляции в аксиальной пространственно-периодической зависимости люминесценции F3+- центров в кристаллах LiF с наведенной анизотропией Показано, что в напряженных кристаллах LiF с F3+- центрами окраски при возбуждении люминесценции в полосу поглощения % = 452нм удвоение частоты модуляции интенсивности люминесценции происходит вследствие насыщения метастабильного триплетного состояния центра
11 Теоретическим анализом эффекта удвоения частоты модуляции в аксиально-периодической зависимости интенсивности люминесценции центров в анизотропных кристаллах определены условия, при которых наблюдается данный эффект конфигурация образца, ориентации и тип поглощающего и излучающего осцилляторов центра люминесценции, направление оптической оси кристалла, направления возбуждения и наблюдения люминесценции Необходимым (но не достаточным) условием возникновения данного эффекта является - нелинейная зависимость интенсивности люминесценции от интенсивности возбуждающего света Такая нелинейная зависимость возникает при насыщении возбужденного уровня в центре люминесценции (эффект 1 типа), либо при двухфотонном (или двухступенчатом) поглощении центром (эффект 2 типа) Выявлены отличия обоих типов эффектов удвоения АПЗ
Расчеты выполнены для модельного объекта Бз+- центры в кристаллах LiF с наведенной сжатием анизотропией Выбор модели определялся удобством экспериментального наблюдения эффектов удвоения АПЗ обоих типов Были выбраны две оптимальные конфигурации эксперимента
В совокупности полученные результаты представляют собой решение важной научной задачи по исследованию поляризованной люминесценции кристаллов в условиях периодического изменения состояния поляризации возбуждающего излучения
Практическая значимость работы
Результаты проведенных исследований использованы для разработки новых пассивных лазерных затворов и лазерных элементов на основе монокристаллов лейкосапфира с центрами окраски и методов их приготовления, в том числе пассивных лазерных затворов с управляемым начальным пропусканием
Результаты исследования механизма образования центров окраски и бесструктурной полосы поглощения, могут служить основой для разработки технологий селективного разрушения коллоидных частиц для снижения оптических потерь и оптимизации лазерных элементов и пассивных лазерных затворов на основе лейкосапфира
Предлагаемый в работе метод разделения полос в спектрах поглощения одноосных кристаллов может быть рекомендован к практическому применению в спектроскопии кристаллов
Развиваемый в работе метод определения типа и ориентации поглощающих и излучающих осцилляторов центров окраски в кристаллах (на основе АПЗ) дополняет известные методы азимутальных зависимостей и поляризационных диаграмм, и поскольку имеет ряд преимуществ, то может быть рекомендован для практического применения
Защищаемые положения
1 Модель правого и левого ротаторов, представляемых единичными
комплексными векторами —?=
+ 1 О
для перехода между невырожденным и
вырожденным уровнями в центре окраски адекватно описывает аксиально-периодические зависимости интенсивности люминесценции центров, как при однофотонном, так и при двухфотонном возбуждении Данная модель описывает поглощение и испускание света ансамблем одинаково ориентированных центров в локальной области и непригодна при рассмотрении отдельных актов поглощения и излучения фотона центром окраски Так же модель не пригодна для описания степени циркулярности люминесценции ансамбля центров
Центр окраски с максимумами полос поглощения при 530и615нм и центр с максимумом полосы люминесценции при 560 нм в облученных нейтронами кристаллах а-А1203 являются изомерами электронного агрегатного F2 - центра и представляют собой две соседние анионные вакансии лежащие для первого в одной кислородной плоскости (0001), а для второго - в смежных кислородных плоскостях решетки
Разработанный метод разложения сложных спектров поглощения и люминесценции одноосных кристаллов на индивидуальные полосы, основанный на использовании поляризационных отношений, позволяет однозначно выделять индивидуальный спектр каждого центра окраски, независимо от его формы, в отличие от других известных методов разложения спектров
4 Форма и ориентация поглощающих частиц алюминия,
образующихся при облучении кристалла лейкосапфира нейтронами,
являются причиной появления линейного дихроизма, наблюдаемого в
широкой бесструктурной полосе поглощения. Модель, основанная на
аппроксимации поглощающих частиц плоскими эллипсоидами,
ориентированных плоскостями перпендикулярно оптической оси кристалла,
адекватно описывает данный дихроизм.
5 В кристалле КС1 T1N03 деполяризация люминесценции в области
температур 360-480К центров с полосой поглощения при 415 нм
происходит вследствие термического "перескока" вакансии в эквивалентное
положение, те эффект обусловлен термической переориентацией
излучающего осциллятора в возбужденном состоянии Для центров в
кристалле LiF-Mg исчезновение поляризации свечения с ЯШ1 = 670нм при
нагревании обусловлено двумя механизмами - термической и туннельной
деполяризацией В данном случае происходит переориентация излучающего
осциллятора центра, как вследствие термического, так и туннельного
перехода системы между ян-теллеровскими минимумами в
релаксированном возбужденном состоянии
6 Модель, основанная на парциальных кинетических уравнениях для
населенностей возбужденных состояний отдельных ориентационных групп
центров, дает возможность рассчитывать зависимости степени поляризации
люминесценции Р(Т) от температуры, определять энергию активации
термической переориентации излучающего осциллятора, а так же
вероятность туннельной переориентации Выражения, описывающие
зависимость степени поляризации люминесценции Р(Т) от температуры
при всех возможных ориентациях осцилляторов, близки к формуле Мотта
для квантового выхода люминесценции
7 Удвоение часто гы модуляции в пространственно-периодической
зависимости интенсивности люминесценции центров в анизотропных
кристаллах возникает как следствие нелинейной зависимости
интенсивности люминесценции от интенсивности возбуждающего света
Апробация результатов
Основные результаты исследований, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на следующих научных конференциях, симпозиумах и семинарах
IV Всесоюзная конференция "Люминесцентные приемники и преобразователи рентгеновского излучения ", Иркутск, 1982
V Всесоюзное совещание по радиационной физике и химии ионных кристаллов, Рига, 1983
Всесоюзная конференция "Оптика лазеров", Ленинград, 1984
Всесоюзная конференция "Перестраиваемые по частоте лазеры" Новосибирск, 1984
Всесоюзная конференция "Люминесцентные приемники и преобразователи рентгеновского излучения", Новосибирск, 1985
Всесоюзная конференция "Применение лазеров в науке и технике", Иркутск, 1988
Всесоюзная конференция "Физика диэлектриков", Ленинград, 1988
Всесоюзная конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов, Рига, 1989
Международная конференция «Luminescence detectors and transformers of ionizing radiation», LUMDETR 91, Riga, 1991
Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (КиНО 91), Ленинград, 1991
Международная конференция «XII International conference on defects in
insulated materials» (ICDIM 92), Germany, Nordkirchen, 1992
Международная конференция по радиационной физики и химии
неорганических материалов, Томск, 1993
Международная конференция «The 7th International Conference
Radiation Effects in Insulators» (REI-7), Nagoya, Japan, 1993
Международная конференция «International Conference on
Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter» (ICL 93),
Connecticut, USA, 1993
Международная VI конференция «Радиационные гетерогенные
процессы», Кемерово, 1995
Международная конференция «VIII Internetional conference on
radiation effects in insulators» (REI - 8), Sept 11 -15, Catania, Italy,1995
III Международная конференция "Импульсные лазеры на переходах
атомов и молекул", Томск, 1997
Всероссийская школа-семинар "Люминесценция и сопутствующие явления", Иркутск, 1997
Всероссийская школа-семинар "Люминесценция и сопутствующие явления", Иркутск, 1999
Всероссийская школа-семинар "Люминесценция и сопутствующие явления", Иркутск, 2000
VIII Международная школа-семинар «Люминесценция и лазерная
физика», Иркутск, 2003
Международная конференция «12th International conference on radiation physics and chemistry of inorganic materials», Tomsk, 2003
IV International Symposium on Modern problems of laser physics,
Novosibirsk, 2004
IX Международная школа-семинар по люминесценции и лазерной
физике, Иркутск, 2004
Международная конференция VUVS-2005, Иркутск, 2005
X Международная школа семинар по люминесценции и лазерной
физике, Иркутск, 2006
Международная конференция «13lh International conference on radiation physics and chemistry of inorganic materials», Tomsk, 2006
Публикации
По теме диссертации опубликовано 32 печатных работы, из них 19 статей в рецензируемых журналах Оптика и спектроскопия, ФТТ, Phys Stat Sol (b), Ж Прикладной спектроскопии, Известия ВУЗов и 13 работ в прочих журналах, сборниках трудов всероссийских и международных научных конференций и симпозиумов
Структура и объем диссертации
Похожие диссертации на Поляризованная люминесценция центров окраски в диэлектрических кристаллах
