ЭРБИЕВЫХ ЦЕНТРОВ В СТЕКЛЕ

Исходные данные

с = 3.10¹⁰ см/с

λ=1550нм

Δλ =1нм

d=1см

n=1,8

Варианты

Выполнение

1. По заданному T определить по графику Т_эрб

2. Рассчитать К (K=lnT/d);

3. Рассчитать сечение поглощения (S=K/N_эрб);

4. По формуле (1) рассчитать τ_рад;

5. По заданному t рассчитать τ_эксп;

6. По формуле (2) рассчитать квантовый выход люминесценции

Разработал Вигдорович Е.Н.

КВАНТОВЫЙ ВЫХОД И ВРЕМЯ ЗАТУХАНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

ЭРБИЕВЫХ ЦЕНТРОВ В СТЕКЛЕ

Для практических и лабораторных работ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение явления затухания люминесценции, понятий

квантового выхода и времени жизни на примере эрбиевых лазерных стёкол.

Люминесценция — излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период световых волн. Люминесценция возникает при преобразовании в свет энергии, поглощённой атомами, молекулами или ионами некоторых веществ. Частицы люминесцентного вещества, поглотив энергию, приходят в особое возбужденное состояние, которое длится некоторое, обычно очень незначительное, время, возвращаясь в исходное, нормальное состояние, возбуждённые частицы отдают избыток энергии в виде света – люминесценции. Необходимую для возбуждения свечения энергию можно сообщить частицам люминесцентного вещества разными путями: можно направить на него поток световых лучей, можно достигнуть возбуждения частиц ударами электронов и пр. Известно, что закон затухания спонтанной люминесценции, имеющей мономолекулярный характер, представляет собой экспоненту.
Пусть N₀- число возбужденных центров свечения в момент прекращения возбуждения, N - число возбужденных центров свечения в некоторый момент времени t, α - вероятность излучательного перехода возбужденного центра свечения в основное состояние.

Если в кристалле отсутствует тушение люминесценции, вероятность безизлучательных переходов полагают равной нулю. Тогда уменьшение числа возбужденных центров свечения -dN за малое время dt равно αNdt,т.е.
-dN=αNdt; N=N₀e^-αt

Интенсивность люминесценции пропорциональна уменьшению числа возбужденных центров свечения в единицу времени:
I ≅ -dN/dt = αN = αN₀e^-αt; I = I₀e^-αt= I₀e-t/τ (1)

где I₀ - интенсивность люминесценции в момент прекращения возбуждения, τ- время, за которое начальная интенсивность уменьшается в e раз, т.е. τ-длительность люминесценции. Очевидно, что τ как раз равно среднему времени жизни центра свечения в возбужденном состоянии. При нормированной интенсивности уравнение принимает вид I =exp (-t/τ) В настоящее время эрбиевые стекла нашли широкое применение в оптике. Это связанно с тем, что данные лазерные стекла работают на длине волны 1,5 мкм, которая является, во-первых, оптимальной для передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи, во-вторых, лежит в безопасном для глаз диапазоне длин волн, и поэтому очень перспективна для применения в офтальмологии, локации, для обработки материалов и т.д.

Специфика эрбиевых лазеров заключается в том, что накопление энергии возбуждения на верхнем лазерном уровне в таких стеклах осуществляется преимущественно через канал сенсибилизации. Эффективность же непосредственного возбуждения ионов Er³⁺ крайне низка из-за относительно

слабых полос поглощения. Для ионов Er³⁺ эффективными сенсибилизаторами оказались ионы Yb^{3+ ,} которые имеют интенсивную полосу поглощения в области 0,9—1,02 мкм с «эффективной» шириной порядка 1000 см^-1. В этом случае, накопление энергии возбуждения на верхнем лазерном уровне Er3+ (⁴I_11/2) осуществляется главным образом через канал сенсибилизации Yb³⁺ → Er³⁺ (⁴I_11/2) → Er3⁺ (⁴I_13/2). То есть при оптической накачке возбуждаются ионы Yb3+, а затем происходит безызлучательная передача энергии ионам Er ³⁺ на уровень ⁴I_11/2, который является резонансным с метастабильным уровнем ⁴F_5/2 ионов иттербия (рис.1).

Рис. 1. Схема передачи возбуждения от иттербия к эрбию.

Рис. Схема установки для определения затухания люминесценции. 1 – лазер; 2– образец; 3 – объектив; 4 – монохроматор; 5 –InGaAs-приемник; 6 –осциллограф

Принцип измерения кинетики затухания люминесценции заключается в следующем: Излучение лазера (1) возбуждает люминесценцию в образце (2), которая регистрируется приемником (4) и на осциллографе (5) наблюдается кривая распада люминесценции (рис).

Рис. 6. Типичная кинетика затухания люминесценции. (нормированная кривая на 1)

Для расчета радиационного времени затухания люминесценции ионов эрбия используем формулу Фюхтбауэра – Ланденбурга:

τ^-1 _рад = 8∙π∙с∙n²∙ν²∙S ∙Δν (1)

где с – скорость света, см/с, n – показатель преломления стекла, ν - волновое число (1/λ) в см^-1, λ и Δλ – длина волны в см,

S – интегральное сечение поглощения основного резонансного перехода, см² ; где К -коэффициент поглощения

N _эрб - концентрация эрбия в стекле, см^-3

K=-lnT/d; где Т –пропускание; d –толщина образца стекла

 

Рис. Зависимость пропускания от концентрации эрбия