ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Компоненты вторичного свечения кристаллов из "Лазерное охлаждение твердых тел " Все виды излучения, возникающего в молекулах и кристаллах при оптическом возбуждении, принято называть вторичным свечением, которое подразделяется на релеевское рассеяние (без изменения частоты), комбинационное рассеяние (с изменением частоты), люминесценцию, горячую люминесценцию и резонансное свечение. Сюда же следует относить и отражение света от поверхности, так как оно сопровождается частичным проникновением света в кристалл и отражает характер возбуждённых состояний кристалла. [c.14] Как известно, тепловое движение атомов твёрдого тела рассматривают как совокупность нормальных малых колебаний кристаллической решётки. В квантовой теории вместо этих колебаний вводится понятие о фононах как о некоторых распространяющихся по решетке квазичастицах, обладающих определенными энергиями и направлениями движения. Если частота возбуждающего света попадает в область прозрачности кристалла, то в результате взаимодействия света с веществом происходит рассеяние с той же частотой или с изменённой частотой. Процессы рассеяния света в теории рассматриваются как процессы второго порядка, проходящие через промежуточные виртуальные состояния. При релеевском рассеянии процессы поглощения и излучения когерентно связаны такое рассеяние является упругим соударением фотона с атомами кристалла. При комбинационном рассеянии происходит неупругое столкновение фотона с фононами. Из-за изменения частоты когерентность нарушается, однако сохраняются кинематические соотношения, обусловленные выполнением законов сохранения энергии и импульса. [c.14] О Материал этого параграфа написан под влиянием книг А. С. Давыдова 33] и Б. И. Степанова и В.П. Грибковского [34. [c.14] Уменьшение интенсивности обусловлено взаимодействием электронных и электронно-колебательных степеней свободы с другими степенями свободы кристалла и вакуумом поля излучения. [c.15] Наряду с люминесценцией каждое тело, нагретое до определённой температуры, излучает фотоны за счёт энергии беспорядочного теплового движения зарядов. Интенсивность этого температурного бесструктурного излучения пропорциональна четвёртой степени температуры. Спектральный состав излучения также определяется температурой. Поэтому, во-первых, необходимо отделить люминесценцию от теплового излучения. [c.16] Во-вторых, за счёт изменения внешних условий длительность свечения может быть уменьшена. Такое изменение называется тушением люминесценции. Характерным признаком люминесценции является возможность её тушения. Поэтому для полного определения люминесценции необходимо учесть, что поглощение и испускание фотонов могут быть разделены между собой некоторыми промежуточными процессами, например оптическими или неоптическими переходами между подуровнями возбужденных состояний. [c.16] мы будем понимать под люминесценцией избыток вторичного излучения над температурным, сопровождающий переход квантовой системы из заданного реального квантового состояния (время жизни которого превышает период световых колебаний вторичного излучения), в состояния с меньшей энергией. Длительность этого излучения должна превышать время фазовой релаксации поляризации среды. Процессы поглощения и люминесценции не зависимы и не когерентны между собой. Они также не связаны кинематически одновременным выполнением законов сохранения энергии и импульса. Спектральное распределение люминесценции обусловлено индивидуальными особенностями излучающего тела (ширинами и т. д.) и энергетическим распределением уровней, между которыми происходят переходы 0. [c.16] Исходя из данного определения люминесценцию можно разделить на флуоресценцию и фосфоресценцию. Флуоресценция происходит на электродипольных квантовых переходах между состояниями одинаковой мультипольности (одинакового спина). Радиационное время жизни по отношению к флуоресценции равно 10 ч- 10 с. Фосфоресценцией называется излучение, сопровождающее переходы между состояниями разной мультипольности. В силу спинового запрета радиационное время жизни фосфоресценции в миллионы раз превышает радиационное время жизни флуоресценции, если соответствующие им квантовые переходы отличаются только спиновыми состояниями. [c.17] В условиях очень низких температур излучение происходит только из состояния /о. Соответствующее излучение называется термализованной люминесценцией. Эта термализация носит условный характер, так как она осуществляется не по отношению к основному состоянию кристалла, а по отношению к электронному возбуждению /о, отделённому от основного состояния на несколько электрон-вольт. [c.18] Следует отметить, что в течение длительного времени электронное возбуждение может хранить в себе энергию, в десятки и сотни раз превосходящую тепловую энергию. Способность к такой изоляции обусловлена электронной структурой элементов, ответственных за излучение (атомы редких земель, ароматические молекулы и т.д.). Длительность свечения меняется для разных веществ и разных условий в крайне широких пределах от миллиардных долей секунды в случае свечения атомов и молекул до часов и даже многих суток для кристал-лофосфоров. [c.18] Если радиационное время жизни делается сравнимым со временем релаксации, то в системе квазиравновесное распределение полностью не устанавливается. В этом случае излучение частично происходит из нескольких возбуждённых состояний. Такое излучение называют горячей люминесценцией. [c.18] Релеевское и комбинационное рассеяние света обычно исследуется при использовании интенсивного монохроматического излучения с частотой, расположенной в области прозрачности кристалла. В этих условиях спектр рассеяния находится в области, далёкой от спектра люминесценции, и легко выделяется. Интенсивность рассеяния очень мала. Однако по мере приближения возбуждающей частоты к резонансу интенсивность рассеяния сильно возрастает. В резонансе релеевское и комбинационное рассеяния практически неотличимы (если не учитывать, что поглощение и испускание фотонов разделены между собой промежуточными процессами). Природа релеевского резонансного излучения с возбуждённого уровня, имеющего ширину 7, зависит от спектрального состава облучающего света. Если система облучается светом с непрерывным спектром в области 7, то имеет место резонансная люминесценция, т. е. происходит два независимых процесса поглощение и последующее испускание света со спектральным распределением, обусловленным шириной уровня квантовой системы 7. Если же система облучается монохроматическим светом шириной 70 С 7, то испускаемая линия имеет ту же ширину 70 и форму, что и первичная. При этом поглощение и излучение представляют собой однофотонный когерентный процесс. Квантовая система помнит , какой фотон она поглотила. В этих условиях энергия квантовой системы в момент взаимодействия со светом не имеет определённого значения. Таким образом, при резонансной флуоресценции нельзя сказать, в каком состоянии, основном или возбуждённом, находится молекула. Как только квантовое состояние молекулы сделается определённым, например, при измерении в течение времени, малого по сравнению со временем жизни 1/7, излучаемая энергия, из-за короткого времени измерения (меньше 1/7), будет обладать шириной, не меньшей, чем естественная ширина 7. Итак, когда молекула в процессе поглощения и излучения находится в возбуждённом состоянии, оба процесса делаются независимыми и испускаемое излучение имеет естественную ширину. [c.19] Спектральное распределение упруго рассеянного излучения соответствует спектральному распределению фотонов в пучке возбуждающего света. При комбинационном (рамановском) рассеянии изменяется частота фотона, т. е. происходит неупругое рассеяние фотона при рождении или поглощении одного или нескольких элементарных возбуждений кристалла фононов, поляритонов, магнонов и т.д. При этом спектральное распределение излучения отличается от спектрального распределения возбуждающего света, так как оно отражает особенности реально возбуждаемых в кристалле состояний. При облучении монохроматическим светом спектральное распределение комбинационного рассеяния определяется спектральным распределением и ширинами рождаемых (поглощаемых) в кристалле элементарных возбуждений. При теоретическом описании упругого рассеяния ширины промежуточных состояний не должны учитываться. [c.20] Вернуться к основной статье