ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Различные компоненты вторичного свечения кристаллов из "Теория твёрдого тела " При взаимодействии света с кристаллическим веществом могут происходить многообразные явления 1) энергия фотонов частично или целиком переходит в энергию теплового движения 2) свет вызывает в твердом теле химические реакции, фотоэффект 3) кристалл излучает ( ютоны той же или измененной частоты. Процессы преобразования световой энергии в кристалле обычно тесно связаны с ее перемещением из одних мест кристалла в другие. Такое перемещение частично осуществляется механизмом реабсорбции и главным образом экситонами Френкеля в молекулярных кристаллах и экситонами Ванье — Мотта, электронами и дырками в полупроводниках и диэлектриках. [c.575] Возбуждение кристаллов осуществляется потоком фотонов или заряженных частиц. При движении заряженных частиц возникает также тормозное излучение. Движение быстрых электронов сопровождается черенковским излучением. [c.575] В этом параграфе мы исследуем только излучение кристалла, обусловленное его оптическим возбуждением. В настоящее время все виды излучения, возникающего в молекулах и кристаллах при оптическом возбуждении, принято называть вторичным свечением [459, 460]. Вторичное свечение подразделяется на I) релеевское рассеяние (без изменения частоты 2) комбинационное рассеяние (с изменением частоты) 3) люминесценцию 4) горячую люминесценцию и 5) резонансное свечение. К вторичному свечению следует отнести и отражение света от поверхности, так как оно сопровождается частичным проникновением света в кристалл и отражает характер возбужденных состояний кристалла. [c.575] В большинстве случаев отдельные виды вторичного излучения сравнительно хорошо разделяются, отражая механизм протекающего процесса, связанного с излучением. В некоторых же случаях очень трудно, а иногда и принципиально невозможно провести разделение вторичного излучения на отдельные компоненты. [c.575] Если энергия возбуждающего света попадает в область прозрачности кристалла, то в результате взаимодействия света с веществом происходит рассеяние с той же частотой или с измененной 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. На квантовом языке такое рассеяние является упругим соударением фотона с кристаллом. 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.576] Если свет возбуждает в кристалле реальные электронные или электронно-колебательные состояния, то после поглощения света система находится некоторое время (среднее время жизни т) в этом состоянии. Процессы поглощения и испускания выступают как независимые процессы. Среднее время жизни т определяет экспоненциальное уменьшение интенсивности излучения (/ (1) = = / (0) ехр (—Иг)) с течением времени. Оно обусловлено взаимодействием электронных и электронно-колебательных степеней свободы с другими степенями свободы кристалла и с вакуумом поля излучения. [c.576] Взаимодействие с вакуумом поля излучения характеризует радиационное- время жизни Хг- Его обратная величина связана с вероятностью спонтанного излучения фотона в единицу времени. Такое излучение называют люминесценцией. При испускании фотона квантовая система переходит в более низкое энергетическое состояние, в частности в основное состояние. [c.576] В люминесцирующих телах значительная часть поглощенной энергии не поступает в тепловое распределение, а излучается в виде света. Такие вещества действуют как световые трансформаторы, превращая излучение одной частоты в излучение другой частоты. В частности, с помощью люминесцирующих веществ можно превратить невидимые ультрафиолетовые лучи в видимые. Это явление широко используется для практических целей. [c.576] Наряду с люминесценцией каждое тело, нагретое до определенной температуры, излучает фотоны за счет энергии беспорядочного теплового движения зарядов. Интенсивность этого температурного бесструктурного излучения пропорциональна четвертой степени температуры. Спектральный состав излучения также определяется температурой. Чтобы отделить люминесценцию от теплового излучения, Вавилов [461] предложил следующее определение люминесценции Люминесценцией тела в данной спектральной области называется избыток излучения над температурным при условии, что это избыточное излучение обладает конечной длительностью, превышающей период световых колебаний . [c.576] Люминесценция подразделяется на флуоресценцию и фосфоресценцию. Флуоресценция происходит при электродипольных квантовых переходах между состояниями одинаковой мультипольности (одинакового спина). Радиационное время жизни по. отношению к флуоресценции равно 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.577] На излучение тратится т/т часть энергии возбуждения, остальная часть энергии (т/тг) обращается в тепло. Если выполняется неравенство Гг Тг, то кристалл не люминесцирует — световая энергия переходит в тепловую энергию. [c.577] При очень низких температурах излучение происходит только из состояния /о- Соответствующее излучение называется термализо-ванной люминесценцией. Эта термализация носит, однако, условный характер, так как она осуществляется не по отношению к основному состоянию кристалла, а по отношению к электронному возбуждению [о, отделенному от основного состояния на несколько электрон-вольт. [c.578] 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 условий в крайне широких пределах от миллиардных долей секунды в случае свечения атомов и молекул до часов и даже многих суток для кристаллофосфоров. [c.578] Если радиационное время жизни делается сравнимым со временем релаксации, то квазиравновесное распределение полностью не устанавливается. Излучение частично происходит из нескольких возбужденных состояний. Такое излучение называют горячей люминесценцией. [c.578] Релеевское и комбинационное рассеяние света обычно исследуется при использовании интенсивного монохроматического излучения с частотой, расположенной в области прозрачности кристалла. В этих условиях спектр рассеяния на5содится в области, далекой от спектра люминесценции, и легко выделяется. Интенсивность рассеяния очень мала. Однако по мере приближения возбуждающей частоты к резонансу интенсивность рассеяния сильно возрастает [463, 464]. [c.578] Мы будем называть люминесценцией избыток вторичного излучения над температурным, сопровождающий переход квантовой системы из определенного (реального) квантового состояния, обладающего конечным временем жизни (превышающим время пролета фотоном квантовой системы), в состояния с меньшей энергией. 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 природой (ширинами и т. д.) и энергетическим распределением уровней, между которыми происходят квантовые переходы. Данное Степановым и Апанасевичем [462] определение люминесценции является частным случаем такого определения. [c.579] Вследствие большого показателя преломления при частотах, близких к резонансу, вторичное излучение испытывает многократное отражение, прежде чем покинуть кристалл. Из-за эффектов реабсорбции и комбинационного рассеяния на фононах (весьма вероятного вблизи резонанса) спектральное распределение вторичного излучения может зависеть от размеров кристалла. При низких температурах рассеяние в основном сопровождается рождением фононов, следовательно, интенсивность излучения, соответствующего бесфононным переходам, уменьшается и увеличивается интенсивность стоксовых компонент. Эффекты комбинационного рассеяния фотонов люминесценции внутри кристалла с ростом температуры уменьшаются, так как при повышении температуры вследствие антистоксового комбинационного рассеяния возрастает роль обратных переходов поляритонов из состояний с энергией о в состояния с энергией Е Ео вблизи дна экситонной зоны, характеризующиеся большой плотностью. [c.579] 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.580] При теоретическом описании процесса комбинационного рассеяния следует иметь в виду, что фотоны в кристалле в области его прозрачности являются квантами поляритонов. При комбинационном рассеянии поляритон, теряя или приобретая энергию, смещается скачкообразно вдоль поляритонных ветвей, характеризующих дисперсию поляритонов (см. рис. 68). Выходящее при этом из кристалла излучение иногда неудачно называют люминесценцией из поляритонных состояний . В действительности же такое излучение не обладает общепринятыми свойствами люминесценции. Оно проявляется в результате комбинационного рассеяния поляритонов внутри кристалла. Время жизни такого излучения приблизительно совпадает со временем пролета кристалла фотоном той же частоты. [c.580] Как уже отмечалось выше, процесс комбинационного рассеяния может сопровождать и обычную люминесценцию. Теория этого явления развивалась в работах Мясникова [466], Мясникова и Фомина [467, 4681 и в работах Суми [469,470] (см. 67.2). Поляритоны с частотой (Оо, близкой к частоте дна экситонной зоны, перемещаясь внутри кристалла, могут отдавать или приобретать энергию hui от фононов колебаний решетки. При низких температурах преобладает потеря энергии. Поскольку энергия фотонов люминесценции мало отличается от энергии электронных возбуждений, то вероятность такого комбинационного рассеяния значительно превосходит вероятность комбинационного рассеяния фотонов с частотой, далекой от частоты квантового перехода. [c.580] Вернуться к основной статье