Оптичні властивості твердих тіл

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Курсова робота

Оптичні властивості твердих тіл

по курсу "Фізика твердого тіла"

Донецьк, 2010



РЕФЕРАТ

Записка пояснення - 35 ст., малюнків - 11, джерел - 6.

Мета - вивчення оптичних властивостей твердих тіл

У цій роботі розглянуто поглинання світла в кристалах, люмінесценція твердих тіл, фотолюмінесценція, люмінофори, вимушене випромінювання, лазер, схема рубінового лазера; описані основні електронні переходи при поглинанні світла в кристалах, приведені спектри люмінесценції деяких люмінофорів. спектр люмінесценція лазер електронний

СВІТЛО, ЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ, ЛЮМІНОФОРИ, ЛАЗЕР, СПЕКТР ПОГЛИНАННЯ.

The abstract

Explanatory note - 35 items, drawings - 11, sources - 6

Aim - studying of optical properties of firm bodies.

In the given work light absorption in crystals, a luminescence of firm bodies, a photoluminescence, the phosphors, the compelled radiation, the laser, the scheme of the ruby laser is considered; the basic electronic transitions at light absorption in crystals are described, spectra of a luminescence of some phosphors are resulted.

LIGHT, LUMINESCENCE, PHOSPHORS, THE LASER, ABSORPTION SPECTRUM.



ЗМІСТ

ВВЕДЕННЯ

1. ПОГЛИНАННЯ, ВІДДЗЕРКАЛЕННЯ І ПРОПУСКАННЯ СВІТЛА В РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

2. ПОГЛИНАННЯ СВІТЛА В КРИСТАЛАХ

3. ЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ ТВЕРДИХ ТІЛ, ФОТОЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ

4. ЛАЗЕРИ

5. СПЕКТРОСКОПІЯ РОЗСІЯНОГО СВІТЛА

ВИСНОВОК

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ



ВВЕДЕННЯ

До фізичних властивостей твердих тіл відносяться механічні, теплові, електричні, магнітні і оптичні властивості. Їх вивчають, спостерігаючи, як поводиться зразок при зміні температури, тиску або об'єму, в умовах механічної напруги, електричних і магнітних полів, температурних градієнтів, а також під впливом різних випромінювань - світла, рентгенівських променів, пучків електронів, нейтронів і тому подібне. Значна частина лабораторного устаткування, необхідна для вивчення цих властивостей, сама складається з твердотілих пристроїв.

Світло, проходячи через будь-яке тіло, в тій або іншій мірі поглинається. У міру поширення світлової хвилі в речовині її інтенсивність поступово зменшується. Це явище дістало назву поглинання світла, або адсорбції світла. Поглинання світла пов'язане з перетворенням енергії електромагнітного поля світлової хвилі в інші види енергії.

Усі тіла окрім теплового і рівноважного випромінювання в результаті різних зовнішніх дій даютьизбыточное випромінювання, які не визначаються температурою тіла. Усі види світінь, збуджувані за рахунок зовнішнього джерела енергії, називаються люмінесценцією.

Люмінесценція обумовлена коливаннями порівняно невеликого числа атомів або молекул речовини, які під впливом джерела енергії переходять в збуджений стан. Випромінювання виникає в результаті переходу атомів або молекул з цих станів в основний не збуджений або менш збуджений стан.

Фотохімічні перетворення - це перетворення під впливом світла. Енергія світла витрачається на розкладання складних речовин на простіші речовини.

Фотолюмінесценція широко використовується в техніці. Так, серед полікристалічних люмінофорів, що випускаються промисловістю у всьому світі, фотолюмінофори складають найбільшу долю (до 90%). Це пов'язано з тим, що 10% усієї електроенергії, що виробляється у світі, йде на меті освітлення; застосування фотолюмінофорів, використовуваних в люмінесцентних лампах, дозволяє найбільш єкономно витрачати цю енергію.



1. ПОГЛИНАННЯ, ВІДДЗЕРКАЛЕННЯ І ПРОПУСКАННЯ СВІТЛА В РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

При падінні випромінювання на тіло частина світу відбивається, а інша проходить всередину середовища. У середовищі частина випромінювання може поглинутися або розсіятися (за наявності в ній неоднородностей), а інша частина пройти через неї. Поглинене випромінювання перетворюється на тепло або випромінюється з іншою довжиною хвилі (фотолюмінесценція), мал. 1.

Мал. 1 Схема, що ілюструє оптичні процеси, що відбуваються на поверхні середовища і усередині неї

Як випливає з курсу загальної фізики, електромагнітна хвиля, потрапляючи в однорідний діелектрик, викликає в нім вимушені коливання пов'язаних електричних зарядів, які стають джерелом вторинних електромагнітних хвиль. Інтерферує з первинною хвилею, ці хвилі створюють результуючу заломлену хвилю, яка поширюється в середовищі з фазовою швидкістю в раз меншої швидкості світла у вакуумі (- абсолютний показник заломлення середовища).

Вторинні хвилі від поверхневого шару виходять і назовні зразка. Складаючись, вони утворюють відбиту хвилю.

Розрахунок коефіцієнта віддзеркалення залежно від показника заломлення плоских діелектриків, що граничать, був уперше виконаний

Френелем і потім доповнений рішенням рівнянь Максвелла для межі розділу двох середовищ, що мають різну діелектричну проникність.

Якщо електромагнітна хвиля падає перпендикулярно межі розділу двох середовищ, то коефіцієнт віддзеркалення розраховується по формулі

,

де - відносний показник заломлення.

В цілому коефіцієнт віддзеркалення залежить від кута падіння, залишаючись мінімальним при нормальному падінні світла.

Розсіяння викликане оптичними неоднородностями середовища (сторонніми частками) або флуктуаціями щільності речовини, відповідно показника заломлення (таке розсіяння зазвичай називають молекулярним).

Розсіяння на неоднородностях середовища відбувається із-за віддзеркалення, заломлення і дифракції на сторонніх включеннях. Якщо розмір розсіюючих часток критично малий в порівнянні з довжиною хвилі, то розсіяння практично відсутнє (наприклад, випромінювання оптичного діапазону не розсіюється окремими атомами). Із збільшенням розміру часток (при переході від атомів до молекул) розсіяння сильно росте і істотно залежить від довжини хвилі.

Згідно із законом Рэлея при молекулярному розсіянні в газі інтенсивність розсіяного світла прямо пропорційна квадрату об'єму частки і обернено пропорційна до четвертої міри довжини хвилі. Проте, вже для часток з радіусом приблизно в 5 разів більше довжини хвилі інтенсивність розсіяння перестає залежати від частоти випромінювання.



2. ПОГЛИНАННЯ СВІТЛА В КРИСТАЛАХ

Інтенсивність світла, що проходить через речовину, поступово зменшується. Поглинання електромагнітного випромінювання твердим тілом здійснюється різними шляхами:

1) енергія випромінювання витрачається на переклад електронів у вищий енергетичний стан;

2) енергія електромагнітного поля передається кристалічній решітці і перетворюється на тепло.

Можливі переходи електронів в кристалах під дією світла показані на мал. 1.2.2, а, де ЕBCB - енергія, що відповідає нижньому краю зони провідності; EBVB - верхньому краю валентної зони. Перехід 1 призводить до появи електрона в зоні провідності і дірки у валентній зоні, він можливий при енергії фотонів hн?EBC B - EBVB і відповідає власному (фундаментальному) поглинанню. У момент виникнення створені світлом носії заряду можуть і не знаходитися в тепловій рівновазі з кристалічною решіткою.

Проте внаслідок взаємодії з нею ці носії швидко передають гратам свою надмірну енергію (цей процес називається термалізацією), тому розподіл по енергіях надмірних і основних носіїв заряду буде однаковим.

Мал. 2. Основні електронні переходи при поглинанні світла в кристалах (а), прямі і непрямі міжзонні переходи (б)



При поглинанні електроном фотона повинні виконуватися закони збереження енергії і імпульсу, тому наочніше поглинання світла описується за допомогою схеми, що враховує зміну енергії Е і імпульсу p. На рис.2, показана залежність енергії електрона в зоні провідності для певного напряму в кристалі (вгорі) і дірки у валентній зоні (внизу) від імпульсу.).

При поглинанні світла кристалічним твердим тілом можливо і таке збудження електрона валентної зони, при якому він не переходить в зону провідності, а утворює з діркою пов'язану кулонівськими силами систему (см рис.2 а, перехід 2; енергія системи позначена рисками поблизу зони провідності). Така система називається екситоном.

У припущенні слабкої взаємодії, коли розміри екситона великі в порівнянні з постійних грат кристала, екситон можна представити як електрон і дірку, пов'язані кулонівськими силами і що повільно рухаються по великих орбітах відносно їх центру мас. У такій моделі екситон поводиться аналогічно атому позитронію і має водородоподобную схему розташування енергетичних рівнів (квазічастинка, передбачена в 1931 р. Я.И.Френкелем і уперше зафіксована в спектрах поглинання кристалів закису міді Е.Ф.Гроссом в 1951 р.).

Ев_эксB= Eв_0B+ = Eв_0B+ (1.2.4)

де М - повна маса екситона, рівна сумі мас електрона і дірки; E0= ДE - Ex, (Ex - енергія зв'язку екситона), k - його хвилеве число.

При енергії фотонів hн < Eв_CB - Eв_VB можуть відбуватися переходи електронів з локальних рівнів домішок або власних дефектів в зону провідності (мал. 2 а, перехід 3) або з валентної зони на ці рівні (перехід 4). Якщо кристали містять майже в рівних і досить великих кількостях як донорні, так і акцепторні дефекти, то можлива ситуація, коли донори і акцептори знаходитимуться недалеко один від одного (на відстані менше або близько 10 нм).

В цьому випадку матиме місце перекриття електронних орбіт (точніше, хвилевих функцій) донора і акцептора, які утворюють так звані донорно-акцепторні пари (ДАП). При поглинанні кванта світла можливий перехід електрона з акцепторного на вільний донорний рівень ДАП (перехід 5). Залежність кулонівської взаємодії між донором і акцептором від міжатомної відстані між ними задає цілий ряд значень енергії такого поглинання:

hн = ДE - Eв_dB- Eв_AB+ (1.2.5)

де ДE - ширина забороненої зони; Ed і EA - енергії іонізації донора і акцептора відповідно; q - заряд електрона (випадок одноразово заряджених дефектів); r - відстань між центрами ДАП; e - статична діелектрична проникність cреды.

Відстань між лініями поглинання в ДАП визначається, таким чином, дискретними положеннями дефектів в кристалічній решітці.

Переходи 1, 3, 4 змінюють електропровідність кристалів, на цьому явищі внутрішнього фотоефекту заснована робота багатьох фотоприймачів. При внутрішньоцентрових переходах 6 електрон не звільняється, і процес поглинання світла не призводить до зміни електропровідності. Те ж відноситься до поглинання екситона, переходу в ДАП і поглинання вільними носіями заряду (перехід 7), характернішому для металів.

Якщо під дією світла здійснюються переходи за участю точкових дефектів (переходи 3-5), то закон збереження імпульсу може виконуватися за участю самих дефектів.

Експериментально встановлено, що зменшення потоку випромінювання при його поглинанні в середовищі завтовшки dl пропорційно величинам пройденого шляху і потоку излученияB, що падає

dФ = -aФdl, (1.2.6)

де a - коефіцієнт пропорційності, що дістав назву показника поглинання (не плутати з коефіцієнтом поглинання, який є відношенням потоку випромінювання, поглиненого тілом, до потоку випромінювання, що впав на це тіло).

Розділяючи змінні і інтегруючи, отримаємо закон Бугйра -Лбмберта

Ф = Фв_0B

встановлений експериментально в 1729 р. П. Бугером і теоретично обгрунтований в 1760 р. И.Ламбертом. При маємо Ф(l)=Фв_0B/e (Фв_0B - потік випромінювання, що входить в кристал), тобто показник поглинання є величиною, зворотною відстані, на якій потік випромінювання зменшується приблизно в 2,7 разу.

В якості характеристики поглинаючої здатності речовини часто використовують величину D = lg (Фв_0B/Ф), яку називають оптичною щільністю середовища.

Залежність показника a від довжини хвилі (чи частоти) світла, що падає, називається спектром поглинання речовини. Узагальнена залежність a від hn показана на мал. 1.2.3. Власне поглинання починається при частоті nB0B, на краю якого при низьких температурах добре проявляється структура поглинання екситона світла (мал. 2, а переходи 1, 2).

Домішкове поглинання створює смуги 3-6 (смуга 5 може мати більше явний структурний характер), в широкому діапазоні частот є присутнім слабке поглинання світла вільними носіями заряду - смуга 7, і, нарешті, при малих енергіях квантів випромінювання зазвичай добре виділяється ділянка 8, пов'язаний з поглинанням випромінювання іонами кристалічної решітки (в цьому випадку світлова енергія перетворюється на енергію коливань іонів).

Помітимо, що деформація кристала, присутність зовнішнього електричного поля, температура зразка чинять істотний вплив на характер спектру поглинання. Зокрема, у напівпровідників з підвищенням температури відбувається розширення кристалічної решітки і посилення коливання атомів відносно положення рівноваги, що супроводжується зменшенням ширини забороненої зони.

Домішкове поглинання світла може привести до певного забарвлення кристалів. Наприклад, кристали рубіна - темно-червоні, кристали сапфіра - блакитні. Забарвлення цих матеріалів пов'язане з наявністю в кристалах Alв_2B0в_3B відповідно до домішки Crр^3+P і Tiр^3+P, внутрішньоцентрові переходи в якій і задають певний колір зразка.

Точне відтворення забарвлення є важливим елементом виробництва ювелірних кристалів.

Мал. 3. Типовий спектр поглинання світла твердим тілом

В цілому, поглинання світла є часткою випадком складнішого процесу, який дістав назву екстинкція і є послабленням інтенсивності випромінювання при його поширенні в речовині за рахунок поглинання і розсіяння світла. В цьому випадку коефіцієнт a в законі Бугера називається показником екстинкції і дорівнює сумі показників поглинання і розсіяння середовища.



3. ЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ ТВЕРДИХ ТІЛ, ФОТОЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ

Люмінесценція згідно з визначенням С. І.Вавилова, є світіння, надмірне над тепловим випромінюванням тіла, якщо це надмірне випромінювання триває після припинення збудження впродовж часу, що перевищує період світлової хвилі (tвСB ? 10р^-14Pc). Перша частина цього визначення відділяє люмінесценцію від теплового рівноважного випромінювання тіла і дозволяє віднести її до нерівноважних процесів.

Друга частина виділяє люмінесценцію серед інших видів нерівноважного випромінювання, таких як віддзеркалення і розсіяння світла, гальмівне випромінювання і так далі, які практично безінерційні. При цьому основною відмінністю люмінесценції є те, що при ній між поглинанням і випусканням енергії відбуваються проміжні процеси, тривалість яких більше періоду світлової хвилі. В результаті цього, якщо люмінесценція збуджується світлом, втрачається зв'язок між фазами коливань поглиненого і випромінюючого світла.

Тверді і рідкі речовини, здатні люминесцировать під дією різного роду збуджень, дістали назву люмінофорів. Неорганічні люмінофори часто називають фосфурами, а у разі, якщо вони мають кристалічну структуру, - кристаллофосфорами.

Залежно від виду збудження люмінофора розрізняють: фотолюмінесценцію, що виникає в результаті поглинання світла; катодо-, рентгено- і радіолюмінесценцію, що збуджується прискореним потоком електронів, рентгенівським випромінюванням, a - і b -частицами, протонами, уламками ядерного поділу відповідно; електролюмінесценцію, що викликається електричним полем; хеми- і біолюмінесценцію, при яких випромінювання світла супроводжує хімічну реакцію.

Люмінесценцію з дуже коротким часом післясвічення часто називають флуоресценцією (характерніше для атомної і молекулярної спектроскопії). Тривале післясвічення називається Фосфоресценцією

Фосфоресценція, на відміну від флуоресценції, обумовлена переходами з так званих "триплетних" збуджених станів, в яких напрям спіна електрона, що знаходиться у збудженому стані, те ж, що і у електрона, що залишився в основному стані.

На мал. 2, а приводилася схема електронних переходів, що відбуваються при поглинанні енергії в напівпровідниках і діелектриках. Практично усі зворотні переходи, при яких енергія електронів зменшується, можуть супроводжуватися випромінюванням в тій або іншій спектральній області. Використовуючи напівпровідники і діелектрики з різною шириною забороненої зони і різними точковими дефектами, можна отримати люмінесценцію в усьому видимому, а також ближньому ультрафіолетовому і інфрачервоному діапазонах (мал. 4).

Основні закономірності випромінювальної рекомбінації носіїв заряду визначаються законами збереження енергії і імпульсу, тому енергія квантів люмінесценції може відповідати різниці енергетичних рівнів електрона до і після відповідного випромінювального переходу або відрізнятися від неї на енергію народжених в процесі рекомбінації носіїв заряду фононів.

Показовою в цьому плані є люмінесценція (перехід 2) екситона, яка може бути як бесфононной, коли енергія і імпульс екситона повністю передаються фотону, так і багатофононною, тобто з одночасним випусканням фононів.

Цікаво, що при багатофононному зникненні екситонів, в спектрах випромінювання безпосередньо проявляється кінетична енергія екситонів (звичайний максвелловское розподіл квазічастинок по кінетичних енергіях), і вивчення таких процесів використовується для отримання інформації про рух екситонів в кристалах.

Можлива ситуація, коли уся енергія, виділена при електронних переходах, витрачається на виділення тепла (утворення фононів), такі переходи називаються безвипромінювальними і умовно показані на мал. 3 штриховими лініями. Точкові дефекти, що беруть участь в таких переходах, називаються центрами гасіння. Домішки і власні дефекти кристалічної решітки, що беруть участь у випромінювальних переходах дістали назву центрів світіння.

Якщо у випромінювальних переходах бере участь хоч би одна із зон, то відповідну люмінесценцію називають рекомбінаційною. Перехід електрона (мал. 4) із збудженого рівня дефекту грат на основний (перехід 6) відбувається в межах певного точкового центру світіння, і відповідну люмінесценцію називають внутрішньоцентровою.

Важливою характеристикою люмінесценції є спектральний склад випромінюваного світла (спектр люмінесценції), який найчастіше зображається у вигляді кривих залежності яскравості люмінесценції L від енергії квантів hn (чи довжини хвилі l). Типовий спектр люмінесценції залежить від типу люмінофора, інтенсивності і довжини хвилі збуджуючого випромінювання, від температури і ряду інших причин.

При цьому форма смуги або лінії випромінювання може визначатися цілим рядом чинників, наприклад, розширенням енергетичних рівнів центру за рахунок їх розщеплювання під дією внутрішньокристалічних полів, часом життя системи у збудженому стані, на який істотний вплив робить характер взаємодії центрів світіння з коливаннями кристалічної решітки і так далі

У реальній ситуації часто реєструється сумарна смуга люмінесценції, що відповідає набору ліній багатофотонного випромінювання або накладенню окремих смуг спектру, що вивчається.



Згідно з правилом Стоксу максимум в спектрі люмінесценції зміщений, по відношенню до відповідного максимуму в спектрі поглинання, у бік довгих хвиль як зображено, наприклад, на мал. 1.3.3. Ця обставина пояснюється наявністю так званих "стоксових" втрат, оскільки частина енергії, що поглинається люмінофором, розсіюється в кристалічній решітці, переходячи в тепло. В деяких випадках при взаємодії квантів світла, що падають, із збудженими атомами речовини енергія кванта додається до вже наявної енергії збудження.

Тоді в невеликій області спектру випромінювання може реєструватися люмінесценція більше короткохвильова, ніж довжина хвилі випромінювання, що падає, так звана антистоксова люмінесценція.

Із збільшенням рівня збудження люмінофора зазвичай збільшується яскравість люмінесценції L, яка пропорційна числу квантів випромінювання, що випускаються тілом за одиницю часу з одиниці поверхні. Розглянемо характер цієї залежності детальніше.

При стаціонарній концентрації надмірних носіїв Dn (для електронів) швидкість їх генерації G повинна дорівнювати швидкості рекомбінації R (числу носіїв певного сорту, що рекомбінують в одиниці об'єму за секунду), яку можна представити у вигляді R =, де tвnB - час життя нерівноважних електронів.

Таким чином, можна записати в загальному випадку

G - R, (1.3.1)

що при R = G и L ~ R приводиться з урахуванням (7.9) в залежності L ~ Ф, та

R = hB_1B (1.3.2)

Ця залежність дійсно реалізується при власному поглинанні світла і малих інтенсивностях домішкового поглинання, коли a не залежить від Ф.

Число безвипромінювальних переходів звичайне сильно зростає з підвищенням температури, що описується вираженням

Rв_бB=Ав_1B exp (1.3.3)

де RвбB - швидкість безвипромінювальних переходів; EвtB - енергія активації температурного гасіння; Ав_1B - коефіцієнт, не залежний від температури.

Оскільки вірогідність випромінювальних переходів при зміні температури вважається постійною, то квантовий вихід процесу випромінювання hBиB, визначуваний як відношення числа випущених фотонів до створених за цей же час в результаті збудження носіїв заряду або електронно-діркових пар, записується у виді:



зи = = , (1.3.4)

де G = R = Rв_иB+ Rв_бB; С = в _B- константа.

У разі рекомбінаційної люмінесценції причиною подібного температурного гасіння може бути, наприклад, теплова занедбаність електронів з валентної зони на рівні центрів світіння (перехід, зворотний переходу 4 на мал. 1.3.1), що призводить до зменшення числа рекомбінацій на цих центрах (перехід 3 на мал. 1.3.1) і відповідно до збільшення числа безвипромінювальних переходів через інші рівні (зовнішнє гасіння).

У разі внутрішньоцентрової люмінесценції з підвищенням температури можливе збільшення вірогідності безвипромінювальних переходів усередині самого центру світіння (внутрішнє гасіння).

Конфігураційна координата відповідає відстані цього центру від іонів грат, що оточують його, і істотно залежить від їх теплових коливань. Після збудження (перехід АB) електрон може повернутися на основний рівень не лише шляхом переходу CD, фотона, що супроводжується випромінюванням, але і через точку F з наступним етапом FA, при якому відбувається зменшення енергії електрона внаслідок генерації фононів (виділення тепла).

З мал. 1.3.4, а витікає, що середня енергія (CD) випромінюваних фотонів менше середньої енергії (AB) фотонів (закон Стоксу), що поглинаються. Зміна рівноважної відстані для збудженого стану 2 пов'язано із зміною розподілу заряду в домішці після переходу електрона на рівень 2 і відповідною зміною взаємодії цього центру з навколишніми іонами грат.



Енергія термічного збудження домішкового центру (можливо іонізації) Eв_термB звичайна менше енергії оптичного збудження Eв_оптB (особливо характерно для полярних з'єднань з великою часткою іонного зв'язку). Енергія Eв_термB визначається мінімальною енергетичною відстанню між конфігураційними кривими (энергетический інтервал АС на мал. 1.3.4, а), оптична енергія Eв_оптB відповідає миттєвому переходу АВ, в процесі якого не устигає статися перегрупування атомів кристалічної решітки.

Різницю Eв_оптB - Eв_термB часто називають зрушенням Франка-Кондона.

Спостережувані в спектрі люмінесценції смуги випромінювання є такими, що огинають серії ліній, кожна з яких виникає в результаті оптичного переходу між коливальними рівнями збудженого і основного станів. Розрахунок показує, що спектр люмінесценції в цьому випадку зазвичай вдається описати формою гауса, а напівширина смуги D збільшується з ростом температури (при високих температурах D ~ Остання обставина зрозуміло і з класичних міркувань, оскільки енергія гармонійного осцилятора

E ? ~ Т.

Помітимо також, що в окремих випадках фіксується дуже слабка люмінесценція, що виникає в результаті оптичних переходів домішкових центрів з високих коливальних рівнів збудженого електронного стану на нижні (переходи на ділянці ВС мал. 1.3.4, а). Така люмінесценція називається гарячою, тому що її лінії лежать в тій області, де розташовані лінії звичайної люмінесценції при високих температурах.

При зовнішньому і внутрішньому гасінні температурна залежність яскравості фотолюмінесценції (мал. 1.3.4, б) добре описується формулою

L(T) =Lв_0B (1.3.5)

яка відповідає залежності зBиB(T), де Lв_0B - яскравість при T = 0 K.

При внутрішньоцентровому гасінні величина EBtB має сенс енергетичної відстані від мінімуму енергії збудженого стану центру світіння до енергії, при якій електрон із збудженого стану може перейти в основне без випромінювання фотона (точка F на мал. 1.3.4, а).

При зовнішньому гасінні Eв_tB зазвичай є енергетичною відстанню від рівня центру світіння до зони, взаємодія з якою призводить до гасіння.

У люмінофорі, що містить рекомбінаційні центри світіння двох типів (I і II на мал. 1.3.1), з енергетичними рівнями, розташованими на різній відстані від стелі валентної зони (що характеризуються тому двома різними смугами в спектрі випромінювання - переходи 3 і), можлива так звана рекомбінаційна взаємодія центрів світіння. Воно проявляється в тому, що з підвищенням температури збільшується доля більше довгохвильової компоненти в спектрі світіння.

Річ у тому, що ріст T супроводжується збільшенням вірогідності теплової занедбаності електронів з валентної зони на "дрібніші" рівні центрів II, вони виявляються зайнятими, і вірогідність короткохвильових переходів знижується в порівнянні з вірогідністю більше довгохвильових переходів 3 на рівні I. Подібне явище спостерігається, наприклад, у ZnS - Cu - люмінофорів, що мають блакитну і зелену смуги люмінесценції,: у міру підвищення температури доля зеленої смуги в спектрі зростає.

Ще однією можливістю перетворення енергії збудження не в енергію випромінювання, а в теплову енергію, являються так звані Оже-процессы, коли енергія, виділена під час переходу електрона на нижчий рівень (наприклад, при переходах 8, 9 на мал. 1.3.1), передається іншому електрону в зоні провідності. Далі цей електрон опускається на дно зони провідності (за певних умов може спостерігатися і слабке світіння, що відповідає внутрішньозонним переходам 7).

Вірогідність Оже-процессов росте із збільшенням концентрації вільних носіїв заряду.

В цілому характер спектру випромінювання кристалів залежить від дуже багатьох чинників як внутрішніх (наприклад, тип і концентрація дефектів), так і зовнішніх (температура, рівень збудження зразка, наявність деформацій, електричних і магнітних полів і так далі).

Саме тому спектральний аналіз люмінесценції є потужним методом дослідження напівпровідників і діелектриків. В якості прикладу різноманітності можливих ситуацій розглянемо хоч би коротко основні механізми випромінювання екситона, які можуть розвиватися залежно від домішкового складу кристала, а також температури і рівня збудження.

Виникнення при низьких температурах люмінесценції екситона, викликаною багатофононною анігіляцією вільних (мал. 1.3.2, переходи 2) і пов'язаних (переходи 2?) екситонів (зазвичай T ?100 До, при якій не дуже розвинений тепловий розпад екситонів). При високому рівні збудження кристалів, коли різко зростає концентрація вільних екситонів, з'являється випромінювання, що відповідає непружному розсіянню вільних екситонів.

В результаті зіткнення двох екситонів один з них перетворюється на фотон з енергією, меншій енергії вільного екситона, а інший переходить в збуджений стан. При великій концентрації вільних електронів реєструється і випромінювання, обумовлене экситон-электронным взаємодією, в результаті якої вільний або пов'язаний екситон передає частину енергії електрону зони провідності, а сам перетворюється на фотон, що випускається.

При високій концентрації, наприклад, донорної домішки відмічені двохелектронні переходи за участю пов'язаних екситонів (випромінювальний розпад пов'язаного екситона супроводжується одночасним збудженням і іонізацією відповідного донора). При високій щільності газу екситона відбувається утворення молекул (биэкситонов) екситонів і відповідно спостерігається їх випромінювання. Нарешті, при дуже великому рівні збудження і гелієвих температурах T?4,2 До відбувається конденсація екситонів (бозе-частицы, див. п. 2.2), що супроводжується випромінюванням электрон-дырочной рідини.

Внаслідок кінцевої тривалості перебування системи у збудженому стані, люмінесценція не зникає миттєво після припинення збудження, а затухає з певною швидкістю. У разі внутрішньоцентрової люмінесценції випромінювальний перехід в кожному центрі відбувається незалежно від стану інших центрів і визначається тільки його вірогідністю.

Якщо N - число збуджених центрів світіння у момент часу t, а t - середній час "життя" збудженого стану, то число центрів dN, що переходять в основний стан за час dt

(1.3.6)

Преобразуя выражение (1.3.6.) и интегрируя, получим

(1.3.7)

Якщо на початку процесу (при t = 0) N = Nв_0B, то

N = (1.3.8)



Яскравість випромінювання L визначається числом випромінювальних переходів в одиницю часу (g - коефіцієнт пропорційності):

L (1.3.9)

Таким чином, приходимо до експоненціального закону загасання внутрішньоцентрової люмінесценції.

У разі рекомбінаційної люмінесценції яскравість випромінювання пропорційна швидкості рекомбінації електронів з центрами світіння, а ця швидкість визначається числом ефективних зустрічей між ними. Розрахунки дають в цьому випадку гіперболічний закон загасання рекомбінаційної люмінесценції:

L = (1.3.10)

де b - коефіцієнт рекомбінації (поклавши в рівнянні (7.16) G = 0, а R = bДnun, де N - концентрація іонізованих центрів; при N = Дn отримаємо: R = b(Дn) P2P).

Розглянуті два основні типи люмінесценції відрізняються один від одного залежністю загасання від інтенсивності збудження. Як випливає з виразів (1.3.9) і (1.3.10), при внутрішньоцентровій люмінесценції відносна зміна яскравості світіння при загасанні не залежить від інтенсивності збудження, тоді як при рекомбінаційній люмінесценції ця зміна тим швидше, чим більше LB0B. У зв'язку з цим низького рівня збудження люмінесценції у випадках, коли рекомбінаційне післясвічення створює перешкоди, намагаються уникнути.

З рівняння (1.3.10) видно, що при великих часах загасання яскравість рекомбінаційного післясвічення не залежить від початкової інтенсивності збудження люмінофора, і криві загасання (незалежно від початкової інтенсивності збудження) асимптотично спрямовуються один до одного.

Енергетичне положення і конфігурація точкових дефектів можуть виявитися такими, що вільні носії, захоплені пастками, зберігаються на них тривалий час (наприклад, перехід 11, мал. 1.3.1 із зони провідності на рівень III). Звільнені через деякий час (перехід з рівня III в зону провідності, зворотний переходу 11) ці носії можуть брати участь у випромінювальній рекомбінації з центрами світіння і, зокрема, створюють післясвічення люмінофора.

Стимулювати процес звільнення захоплених носіїв з пасток може підвищення температури кристала. Світіння зразка, що починається при певній температурі, викликане рекомбінацією звільнених носіїв, називається термовисвічуванням. Для його появи завжди потрібне попереднє збудження зразка (світлом, електронним пучком і так далі) при нижчих температурах, сприяючих захопленню і збереженню надмірних носіїв заряду на пастках.

Запасання певної светосуммы, залежної від рівня попереднього збудження кристала, лежить в основі роботи термолюмінесцентних дозиметрів іонізуючого випромінювання.

Розгляд системи з пастками показує, що якщо пастки розташовані по сусідству з центрами світіння і якщо збуджені електрони пробігають дуже малі відстані (менше або близько 10P-6P см), переміщаючись лише від пастки до центру світіння або навпаки, то таку систему можна розглядати як незалежну. В цьому випадку вірогідність рекомбінації постійна в часі, і загасання люмінесценції наслідуватиме експоненціальний закон (у цій ситуації час t в рівнянні (1.3.9) відповідає перебуванню електрона в пастці).

Якщо пастки розподілені в просторі незалежно від центрів світіння і пробіг електрона досить великий (більше або близько 10P^-5P см), щоб дозволити йому рекомбінувати з великим числом центрів, то вірогідність рекомбінації буде пропорційна числу ионизованных центрів

Підбором люмінофора і відповідних центрів світіння можна широко варіювати довжину хвилі люмінесценції (мал. 1.3.6). При цьому навіть в одному люмінофорі, міняючи тип домішок і відповідно енергетичне положення центру світіння в забороненій зоні, вдається істотним чином регулювати спектральний склад випромінювання. Наприклад, ZnS - Ag має блакитну, ZnS - Cu - зеленою, і нарешті, ZnS - Mn - помаранчевою люмінесценцією.

Можливо і одночасна присутність в люмінофорі різних центрів світіння, включення яких в роботу регламентується способом збудження зразка.

Процеси, пов'язані з утворенням центрів світіння, і механізми люмінесценції дуже різноманітні. У багатьох випадках точкові дефекти можуть бути багатозарядними (наприклад, міжвузольний цинк в ZnO може знаходитися в нейтральному одноразово іонізованому і двократно іонізованому стані), при цьому зарядовий стан дефекту залежить від електричних властивостей матеріалу і типу збудження люмінофора (зрештою ? від положення рівня Ферми). При високих концентраціях точкові дефекти здатні утворювати ассоциаты.

Деякі точкові дефекти є тушителями люмінесценції. Гасіння пов'язане з перепоглощением люмінесценції на рівнях центрів гасіння і перезахватом ними нерівноважних носіїв заряду, що утворюються.

Зустрічаються випадки і так званого концентраційного гасіння люмінесценції, яке виникає при збільшенні концентрації центрів світіння. Справа пов'язана з тим, що при великій концентрації центрів світіння вони розташовуються так близько один від одного, що взаємодія, що виникає між ними, приводить до зменшення вірогідності випромінювального переходу.

Причиною цього може бути, зокрема, резонансна передача енергії від одного центру світіння до іншого, що відбувається до тих пір, поки ця енергія не буде перехоплена центром гасіння.

В окремих випадках в речовину окрім центрів світіння вводять ще додаткові центри, які розширюють спектральну область поглинання люмінофора і називаються сенсибілізаторами. Енергія, отримана сенсибілізатором, передається центрам світіння, викликаючи так звану сенсибілізовану люмінесценцію. Умовою резонансної передачі енергії є перекриття спектрів випромінювання сенсибілізатора і поглинання центру світіння (активатора).

Наявність у кристалів анізотропних властивостей (наприклад, гексагональні кристали) і можливість формування анізотропних центрів світіння (наприклад, ассоциаты дефектів) призводить до появи поляризації люмінесценції. Це явище характерне для випромінювання екситонів в гексагональних з'єднаннях Aв_2BBв_6B, люмінесценції близьких донорно-акцепторних пар і так далі і служить, у багатьох випадках, основою для вивчення механізму випромінювальної рекомбінації носіїв заряду в кристалах.

Ефективність перетворення різних видів енергії у випромінювання при люмінесценції характеризують також енергетичним виходом (ККД), який визначається як відношення енергії, що випромінює, до поглиненої за той же час,:

h =

В случае фотолюминесценции

h = hв_кB

При фотолюмінесценції, що збуджується фотонами з енергією hn < 2DE, квантовий вихід може бути близький одиниці, тоді як при рентгенолюмінесценції він зазвичай досягає значень сотень і тисяч (відбувається фотонне множення, при якому поглинання одного рентгенівського кванта супроводжується народженням декількох квантів менших енергій). Квантовий вихід люмінесценції кращих лампових люмінофорів для ламп денного світла рівний 90%, тому і ККД таких джерел світла істотно вище, ніж у звичайних ламп розжарювання, ККД яких не більше 3-4%.

4. ЛАЗЕРИ

Лазер - пристрій, що перетворює енергію накачування (світлову, електричну, теплову, хімічну та ін.) в енергію когерентного, монохроматичного, поляризованого і вузьконаправленого потоку випромінювання.

Фізичною основою роботи лазера служить квантовомеханічне явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Випромінювання лазера може бути безперервним, з постійною потужністю, або імпульсним, досягаючим гранично великих пікових потужностей. У деяких схемах робочий елемент лазера використовується в якості оптичного підсилювача для випромінювання від іншого джерела. Існує велика кількість видів лазерів, що використовують як робоче середовище усі агрегатні стани речовини.

Деякі типи лазерів, наприклад лазери на розчинах барвників або поліхроматичні твердотілі лазери, можуть генерувати цілий набір частот (мод оптичного резонатора) в широкому спектральному діапазоні. Габарити лазерів різняться від мікроскопічних для ряду напівпровідникових лазерів до розмірів футбольного поля для деяких лазерів на неодимовому склі.

Унікальні властивості випромінювання лазерів дозволили використовувати їх в різних галузях науки і техніки, а також в побуті, починаючи з читання і запису компакт-дисків і закінчуючи дослідженнями в області керованого термоядерного синтезу.

Фізичною основою роботи лазера служить явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Суть явища полягає в тому, що збуджений атом здатний випромінювати фотон під дією іншого фотона без його поглинання, якщо енергія останнього дорівнює різниці енергій рівнів атома до і після випромінювання. При цьому фотон, що випромінює, когерентний фотону, що викликав випромінювання (є його "точною копією"). Таким чином відбувається посилення світла.

Цим явище відрізняється від спонтанного випромінювання, в якому випромінювані фотони мають випадкові напрями поширення, поляризацію і фазу.

Вірогідність того, що випадковий фотон викличе індуковане випромінювання збудженого атома, в точності дорівнює вірогідності поглинання цього фотона атомом, що знаходиться в незбудженим стані. Тому для посилення світла необхідно, щоб збуджених атомів в середовищі було більше, ніж незбуджених (так звана інверсія населенностей). В стані термодинамічної рівноваги ця умова не виконується, тому використовуються різні системи накачування активного середовища лазера (оптичні, електричні, хімічні та ін.).

Першоджерелом генерації є процес спонтанного випромінювання, тому для забезпечення спадкоємності поколінь фотонів потрібне існування позитивного зворотного зв'язку, за рахунок якого фотони, що випромінюють, викликають наступні акти індукованого випромінювання. Для цього активне середовище лазера поміщається в оптичний резонатор. У простому випадку він є двома дзеркалом, одне з яких напівпрозоре - через нього промінь лазера частково виходить з резонатора.

Відбиваючись від дзеркал, пучок випромінювання багаторазово проходить по резонатору, викликаючи в нім індуковані переходи. Випромінювання може бути як безперервним, так і імпульсним. При цьому, використовуючи різні прилади (призми, що обертаються, осередки Керр та ін.) для швидкого виключення і включення зворотного зв'язку і зменшення тим самим періоду імпульсів, можливо створити умови для генерації випромінювання дуже великої потужності (так звані гігантські імпульси). Цей режим роботи лазера називають режимом модульованої добротності.

Генероване лазером випромінювання є монохроматичним (одній або дискретного набору довжин хвиль), оскільки вірогідність випромінювання фотона певної довжини хвилі більша, ніж близько розташованій, пов'язаній з розширенням спектральній лінії, а, відповідно, і вірогідність індукованих переходів на цій частоті теж має максимум. Тому поступово в процесі генерації фотони цієї довжини хвилі домінуватимуть над усіма іншими фотонами.

Окрім цього, із-за особливого розташування дзеркал в лазерному промені зберігаються лише ті фотони, які поширюються в напрямі, паралельному оптичній осі резонатора на невеликій відстані від неї, інші фотони швидко покидають об'єм резонатора. Таким чином промінь лазера має дуже малий кут расходимости. Нарешті, промінь лазера має строго певну поляризацію.

Для цього в резонатор вводять різні поляроїди, наприклад, ними можуть служити плоскі скляні пластинки, встановлені під кутом Брюстера до напряму поширення променя лазера.



Гелий-неоновый лазер. Промінь, що світиться, в центрі - це не власне лазерний промінь, а електричний розряд, що породжує світіння, подібно до того, як це відбувається в неонових лампах. Промінь проектується на екран справа у вигляді червоної точки, що світиться.

Мал. РУБІНОВИЙ ЛАЗЕР - вдосконалена схема конструкції Т. Меймана (1960). Основні його елементи - циліндричний рубіновий стержень з плоскими посрібленими торцями, кожух охолодження (його не було в пристрої Меймана) і газорозрядна лампа накачування. 1 - посріблений торець стержня (глухе дзеркало); 2 - рубіновий стержень; 3 - рідина, що охолоджує; 4 - газорозрядна лампа накачування; 5 - кожух (трубка) охолодження; 6 - слабо посріблений торець стержня (напівпрозоре дзеркало)



5. СПЕКТРОСКОПІЯ РОЗСІЯНОГО СВІТЛА

Якщо розмір розсіюючих часток багато менше довжини хвилі світла, то спостерігається пружне розсіювання фотонів, що падають, згідно із законом РэлеяTPPT (інтенсивність розсіяного світла прямо пропорційна четвертій мірі частоти щP4P випромінювання, що падає). Згідно моделі Рэлея оптична неоднорідність створюється дрібними сферичними частинками, які, з хвилевої точки зору, не створюють фазового зрушення, залежного від їх форми і розмірів. Таким чином, розсіяна хвиля виявляється когерентною з тією, що падає.

Закон Рэлея качествнно був підтверджений більше ранніми роботами Дж. Тиндаля (ефект Тиндаля), який спостерігав, що білий світ при розсіянні стає синюватим. Помітимо, що закон Рэлея пояснює гоубой колір неба вдень і червонястий при сході і заході Сонця.

Якщо розміри частинок розсіюючого світла виявляються порівнянні з довжиною хвилі випромінювання, що падає, то при розсіюванні з'являється фазове зрушення, залежне від форми, розмірів і оптичних властивостей часток. З'являється розсіяння Ми (G. Mie), яке не підкоряється закону Рэлея, але має схожу частотну тенденцію. Цей вид розсіяння ми зазвичай спостерігаємо в хмарах, хмарах, туманах і тому подібне

Цікаво, що молекулярне рассеяение має місце і в ідеально чистих середовищах за рахунок теплових флуктуацій щільності атомів і молекул (флуктуацій показника заломлення).

Комбінаційне розсіяння світла. При спектральних дослідженнях в кварці і ісландському шпаті (1928 р.) Мандельштам і Ландсберг виявили, що кожна спектральна лінія світла, що падає, супроводжується появою ліній зміненої частоти: стоксовых (із зменшенням частоти - "червоні сателіти") і антистоксовы (із збільшенням частоти - "фіолетові сателіти"). Практично одночасно в Індії Раманом і Кришнаном цей ефект спостерігався в рідинах (комбінаційне розсіяння світла або ефект Рамана).

Раманівська спектроскопія широко застосовується для визначення молекулярного складу досліджуваних зразків. Комбінаційне розсіяння світла в твердих тілах з квантової точки зору є наслідком розсіяння фотона початкового світлового пучка з випусканням або поглинанням кванта пружних коливань кристалічної решітки - фонона



ВИСНОВОК

При падінні випромінювання на тіло частина світу відбивається, а інша проходить всередину середовища. У середовищі частина випромінювання може поглинутися або розсіятися (за наявності в ній неоднородностей), а інша частина пройти через неї. Поглинене випромінювання перетворюється на тепло або випромінюється з іншою довжиною хвилі.

Характер відбитого світла залежить від інтенсивності розсіяння:

- якщо розсіяння відсутнє (однорідний шар з гладкими поверхнями), то має місце спрямоване віддзеркалення (дзеркальне) і пропускання;

- якщо випромінювання повністю розсіюється (молочні стекла), то говорять про дифузне віддзеркалення і пропускання;

- змішане віддзеркалення і пропускання (напрямлено-розсіяне) зазвичай спостерігається на поверхнях, елементи яких по-різному орієнтовані відносно загальній площині (матове скло).

Поглинання світла кристалами обумовлене:

1) взаємодією світла з фононами - ИК-область;

2) поглинання світла домішками і дефектами;

3) основне поглинання обумовлене захопленням квантів світла електронів з наступним їх переміщенням через заборонену зону, тобто при деякому - речовина повністю поглинає світло.

Після поглинання кванта світла електрони перейдуть у вільну зону і пересуваючись по ній почнуть взаємодіяти з атомами кристалічної решітки, віддаючи їм надмірну енергію. Отже, енергія світла перейде в енергію коливання атомів грат або в тепло. Якщо енергія світла менша, ніж ширина забороненої зони, то світло безперешкодно проходити через речовину і речовину буде прозорим.



СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Вест А. Химия твердого тела. Ч. 1,2. -- М.: Мир, 1988

2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. -- Издание 2-е. -- М.: Наука, 1985.

3. Гугель Б. М., Люминофоры для электровакуумной промышленности, М.. 1967; Неорганические люминофоры, М., 1975;

4. Винчелл А. Н., Винчелл Г., Оптические свойства искусственных минералов, пер. с англ.. М., 1967

5. Сонин А. С., Василевская А. С., Электрооптические кристаллы, М., 1971;

6. Физико-химические основы производства оптического стекла, под ред. Н. И. Демкиной, Л., 1976;

Размещено на Allbest.ru