Люминисценция

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

на тему:

«ЛЮМИНИСЦЕНЦИЯ»

МИНСК, 2008

1. Люминисценция

Явление, при котором вещество, либо по­глощая энергию света ионизирующего или другого излучения, либо под действием различных химических реакций переходит в возбужденное состояние, а за­тем, возвращаясь в исходное состояние, излучает по­лученную энергию в виде света, называют люминес­ценцией. Кратковременное люминесцентное излучение, прекращающееся почти сразу с окончанием возбуждения, это флюоресценция, а длительное, продолжающееся и после окончания возбуждения, - фосфоресценция. Явления люминесценции делятся на несколько видов, в зависимости от способа возбуждения (табл. 1).

Фотолюминесценция - свечение вещества при об­лучении светом. Фотолюминесцентные материалы это возбуждаемые ультрафиолетовым излучением со­единения Y₂ O₃ :Eu³⁺ (красное свечение) и CaWO₄ :Pb (сине-зеленое свечение), рабочие тела лазеров, такие, как рубин (Al₂ O₃ : Сг3+), неодимовое стекло, органи­ческие красители, подобные родамину 6Ж, и многие другие.

Катодная люминесценция - свечение вещества при облучении пучком электронов. Пример материалов для катодной люминесценции - ZnS:Cu, Al (зеленое свечение), Y2O3S:Eu4 и модификации ZnO (красное свечение). Существуют также материалы, светящиеся при бомбардировке низкоскоростными электронами: ZnO:Zn (зеленое свечение), ZnS:Ag + In2O3 (сине-зеленое свечение) и им подобные.

Электролюминесценция - свечение вещества под действием электрического поля. При этом свечение под действием сильного поля, увеличивающего кине­тическую энергию носителей заряда в веществе, на­зывают предпробной электролюминесценцией, а излучение света, возбуждаемое инжектированными носителями за счет разности их потенциальных энер­гий, созданной в твердом теле, называют инжекционной люминесценцией. Пример материалов для предпробойной электролюминесценции - ZnS:Cu, XnS:Mn, а для инжекционной - GaP:N, GAP:Zn, GaAs1-xPx, Alx Ga1-xAs

Свечение, сопровождающее химические реакции, проходящие в веществах, называют хемолюминесцен­цией. Пример такого явления - свечение синего цве­та, возникающее при окислении желтого фосфора. Возбуждение химического лазера производится с по­мощью, например, реакции между фтором и водо­родом.

Чаще всего энергия (частота) возбуждающего из­лучения выше энергии (частоты) свечения, и тогда люминесценцию называют стоксовой. В противопо­ложном случае говорят об антистоксовой люминес­ценции.

Таблица 1. Виды, механизмы, материалы и применение люминесценции

2.Вынужденное излучение и усиление света

Все атомы и молекулы, все твердые тела и жидкости могут излучать свет с характерным для каждого из них набором длин волн. Причина в том, что энергия электронов в атоме, колебательная и вра­щательная энергия молекул, энергия электронных уровней в твердом теле может принимать только определенные дискретные наборы значений, харак­терные для каждого конкретного вида атомов, молекул и твердых тел. И когда электрон с энергией E₂ переходит на уровень с энергией Е₁ испускается квант света с длиной волны λ, обратно пропорцио­нальной разности этих энергий (E₂ - Е₁ = hv , где h - постоянная Планка, v = 1/ λ).

Излучение света может происходить двумя спосо­бами. Первый способ показан на рис. 2а. Когда элек­троны в атоме, находившиеся на энергетическом уров­не E₂ , без постороннего влияния переходят на более низкий энергетический уровень E₁ , испустив световой квант, это спонтанное излучение. Если рядом нахо­дится атом, способный излучать свет с длиной волны, равной λ, или очень близкой к ней, то при поглощении этим атомом света с указанной длиной волны элек­трон переходит с уровня E₁ на уровень E₂ . Такое явление называют резонансным поглощением (рис. 2б). Второй способ: электроны находятся на уровне E₂ и атом подвергается воздействию света с длиной вол­ны, соответствующей резонансному поглощению. В этом случае атом испускает свет, по длине волны и фазе полностью соответствующий воздействию (рис. 2в). Такое явление называют вынужденным (индуцированным) излучением.

Рис. 2. Спонтанное излучение (а), резонансное поглощение (б)

и вынужденное излучение (в) света

Считают, что причины вынужденного излучения таковы. При отсутствии света волновая функция электрона (квадрат ее амплитуды выражает вероят­ность пребывания электрона на данном энергетиче­ском уровне) может быть либо функцией состояния E₁ либо функцией состояния E₂ (рис. 3а), причем обе эти волновые функции взаимно независимы. Под действием электромагнитного поля света распределе­ние вероятности изменяется. Возникает суперпозиция состояний, описываемая линейной комбинацией ука­занных выше волновых функций. Иначе говоря, возникает смещение зарядов вдоль вектора напряженно­сти электрического поля падающего света, причем заряды колеблются около положения равновесия с той же фазой и частотой, что и световая волна. Атом становится диполем, излучающим свет с частотой и фазой падающего света.

Если собрать N свободных атомов, то получим N электронов и 2N энергетических уровней. Когда эта система находится в тепловом равнов