Двухфотонное лазерное возбуждение объемных электронных и колебательных состояний твердых тел тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Р Г £ ФИ^ЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. П.Н ЛЕБЕДЕВА

На правах рукописи УДК 335.361

ЖАБОТИНСКИЙ Евгений Вильямоаич

ДВУХФОТОННОЕ ЛАЗЕРНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ОБЪЕМНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ И КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на ссисканкэ ученой степени кандидата фиги ко-мате магических неук

Москва -1994 г.

Работа выполнена в Физическом институте Россий<;*яй .Дющемии наук им. П.Н.Лебедева

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

профессор В.С.Горелик

Официальные оппонокты:

доктор физико-математинвОДК.наух

кандидат физико-математических наук Аиещеихо Ю.А.

Ведущее предприятие - Институт кристаллофафод. Российской Академии нрук им Шубижшва

Защита состоите? уЛ-^сЪ^хз в чадоз да

' заседании специаднз^родоедюго совета К 002.39.01 при Физическое институте Российский Дка^мци наук им. П.Н.Лебедева. Адрес: Москву, Де^идек^Р ЛР-. 53..

С диссертацией МЧШ> знакомится р библиотеке Физического института Российысо^^.цщо^щмаук им. П.Н.Лебедева.

Автореферат разослан ". //■• 1894,-.

Ученый сек|эетарь специализироЕмного совета, кандидат физико-математических наук

Чуонкоз В.А

Дтальность темы: Открытие в 60-х годах лазеров позволило осуществить процессы, при которых происходит одновременное поглощение двух квантов возбуждающего излучения. При этом в результате.поглощения двух квантов света в веществе возникает возбужденное состояние. В процессе распада такого состояния может возникать двухфотонно-возбуждаемое излучение(ДВИ).

-Характерной особенностью такого излучения в кристаллах является возможность при определенных режимах возбуждения получения спектров, соответствующих достаточно большому объему образца. При этом эффективный размер излучающей области изменяется в диапазоне от 0,1 до 100 мкм в зависимости от интенсивности возбуждающего излучения.

В отличие от этого, при однофотонно-возбуждаемой люминесценции возбуждается лишь тонкий приповерхностный слой кристалла (-0.1 мкм).

Таким образом, ДВИ несёт инфор мацию об объёмных свойствах твердых тел. Кроме того, на основе двухфотонного возбуждения возможно создание инверсной заселенности в объеме вещества.

Актуальность темы настоящей диссертации определяется важностью получения экспериментальной информации об объемных электронных и колебательных состояниях в твёрдых телах. Представляет интерес исследование условий перехода- от спонтанного режима излучения к вынужденному как в монокристаллических образцах, так и в дисперсных, средах, а также возможности сенсибилизации ДВИ в смесях различных веществ.

Цели работы состояли в следующем:

1. Получение спектров люминесценции твердых тел при двугфотонном возбуждении и сравнение их с соответствующими спектрами , полученными при однофотонном ультрафиолетовом и рентгеновском возбуждении.

2. Изучение условий реализации инверсной заселенности уровней в объеме кристалла при двухфотонной накачке и анализ спектров вынужденного ДВИ.

3. Исследование особенностей ДВИ в смесях поликристаллических веществ.

4. Исследование динамики фазового перехода вблизи поверхности и в объеме твердого тела путем анализа температурных зависимостей интенсивности сигнала гиперрелеавского рассеяния света.

' Методика исследований. В качестве лазерных источников для двухфотонного возбуждения среды были использованы импульсно-периодические лазеры: лазер на парах меди ( X = 578,2 и 510,4 нм; средняя мощность до 1 Вт, пиковая мощность до 20 кВт; частота повторения импульсов 10 кГц)и лазер на УАС:Ыс13+ = 1064нм) с модуляцией

добротности резонатора электрооптическим затвором. Преобразование излучеиия последнего лазера во вторую гармонику - 532нм)

осуществлялось с помощью нелинейно-оптического крисгалла ОЮР. Импульсная мощность генерации составляла 4 МВт, частота следования импульсов -10 - 50 Гц.

Регистрация спеюров ДВИ осуществлялась с использованием монохроматоров МСД - 2 или ДФС - 24. Для измерения показателя поглощения и контроля чистоты исследуемых материалов были исследованы спектры поглощения и комбинационного рассеяния света.

Научная новизна. Оригинальные научные результаты данной работы состоят в следующем:

Т. В работе показаио, что двухфотонное возбуждение объёмных электронных и колебательных состояний в твердых телах реализуется при плотностях мощности возбуждающего излучения более 106 Вт/см2. При этом впервые получен» спектры ДВИ в ряде органических (антрацен, дифенил, паратерфенил, стильбе», толан, флуорен) и неорганически* (алмаз, сульфид цинка, NaJ.lt, вольфрамат свинца) материалов.

2. В кристаллических органических веществах возможна реализация инверсной заселенности а большом объеме вещества на основе дцухфотонной накачки; при этом поисходит переход от спонтанного режима изяучения к вынужденному. В спектре ДВИ наблюдается повышение интенсивности отдельных полос, сужение спектра и перемещение его центра тяжести в длинноволновую область.

3. Спектры излучения, возникающего вследствие ДЕух фотонного поглощения, значительно отличаются от спектров, полученных при однофотонном возбуждении. Основные факторы, обуславливающие такую разницу спектров ДВИ - это реабсорбция, переход от спонтанного режима люминесценции к суперлюминесценции, а также отличие поверхностных энергетических состояний от объемных.

4. В гетерогенных (поликристаллических) средах двухфотонное возбуждение происходит значительно эффективнее чем в однородных средах.

5. Показано, что интенсивность люминесценции может быть увеличена более чем на порядок при добавлении к анализируемому объекту нелинейно-оптических поликристаллов.

-е-

Праюгическая ценность. Представленные экспериментальные закономерности и разработанные методики получения спектров ДВИ, по нашему мнению, представляют практический интерес как для диагностики ароматических и других люминесцирующих соединений в сложных системах, так и с точки зрения получения новых активных сред для генерации в ультрафиолетовой и фиолетовой областях спектра.

Из анализа спектров ДВИ установлено, что вынужденное излучение в рассматриваемых конденсированных средах находится в широком спектральном диапазоне, включая, ультрафиолетовую область; это обеспечивает возможность перестройки частоты генерации при использовании селективных спектральных элементов в резонаторе.

С другой стороны, повышение интенсивности отдельных полос в спектре ДВИ при переходе от спонтанного режима к вынужденному, а также при использовании нелинейно-оптическоих компонентов в смесях позволяет повысить чувствительность при люминесцентном анализе органических соединений.

АпооОаиия работы. Материалы диссертации докладывались на семинарах Оптического отдела Физичесхого института РАН, а гакжо на Международной конференции "Оптика лазеров", г.С.-Петербург, 1993.

Публикации. Г)0 результатам проведенных исследований опубликовано 10 работ.

■ ОбъЗм работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литератур Она содержит 139 страниц машинописного текста, 4 таблицы, 42 рисунка. Список литературы насчитывает 104 наименования.

Ссйержание ¡Заботы. Во введении приведен краткий обзор работ по исследевЗ&яю дггухфотснного возбуждения твердых тел. Анализ имеющихся в литературе работ показал, что, хотя этому вопросу посвящено ' значительное количество работ /см. обзор 1/, исследование спектральных характеристик й&ухфотонно-возбуждаемого излучения проводилось лишь в НйеколыгМ* рйботах/2 - 8/. В этих работах заметных отличий спектров ДВЛ от спектров однофотонно-возбуждаемой люминесценции обнаружено не было.

Органические соединения в кристаллическом состоянии при двухфотонном . возбуждении исследовались недостаточно;' генерация лазерного излучения яри двухфотонном возбуждении для таких веществ до си* пор не наблюдалась.

Дя настоящего времени; не проводилось исследований ДВИ в смесях кристаллических веществ.

Во введении сформулированы цели работы.

В первой главе описывается методика лазерного возбуждения твердых тел на основе двухфотонного поглощения-. Прванализированы критерии для подбора источника возбуждений':1 Показала перспективность применения для данных целей импульсных лазеров с высокой»«стотой повторения импульсов (лазер на парах меди).

Вэтай главетакже описана методика получения спектров ДВИ.

Во второй главе дано общее описание процессов двухфотонного возбуждения излучения. Проведено исследование и сравнение спектров ДВИ в кристапличеких образцах органических (антрацен, дифенил, паратерфенмл, стильбен, толан, флуорен) и неорганических (алмаз, сульфид цинка, ортогерманат висмута, Ыаи:Т1, вольфрамат свинца) материалах. В таблице 1 приводятся основные характеристики ДВИ для некоторых органических поликристаллических веществ ( плотность мощности - 10е Зт/см2). Из

г

Таблица 1. Сравнительные характеристики спектров ДВИ для некоторых органических кристаллов.

*тах ' положение максимума;

ал - ширина полосы ДВИ; I -относительная интенсивность ДВИ; к - коэффициент преобразования возбуждающего излучений В ДВИ.

Вощэстео Атм, нм ах. нм I, .отн.ед н, % Структурная формула

соон

Ацетилсалициловая 350 62 14 - ^ ОСОСНэ

««лота

Дифенил 369 . 26 50 - оо

СтшьСен 380 54 100 0,5 0-СНЧ.Н-0

Антрацен 433 35 122' 0,18 ох

Парвгерфенил 376 21 2480 1,13 ООО

Флуорен 410 40 340 03)

таблицы 1 видно, что максимальный коэффициент преобразования возбуждающего излучения в ДВИ получен для паратерфенила и составляет 1,13%.

Проведено сравнение спектров люминесценции, полученных при двухфотонном, однофотонном и рентгеновском возбуждении (рис.1). Обнаружены значительные отличия в таких спектрах. В целом центр тяжести спектра ДВИ смещается а длинноволновую область по сравнению со спектрами однофотонно-возбуждаемой люминесценции. Делается вывод о том, что основными факторами, влияющими на вид спектров ДВИ, являются реабсорбция, поверхностные энергетические состояния и переход от спонтанного режима люминесценции к суперлюминесценции.

В третьей главе исследованы условия перехода от спонтанной люминесценции к вынужденной в органических молекулярных кристаллах при двухфотонной лазерной накачке. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что пороги для наблюдения вынужденного ДВИ существенно понижаются при перекоде от однородных сред к гетерогенным (поликристаллическим).

Обнаружено, что при увеличении плотности мощности возбуждающего излучения центр тяжести спектра ДВИ смещается в длинноволновую область (см. рис. 2). Наблюдаемое явление, объясняется тем, что условие инверсной заселенности, в первую очередь, осуществляется для незаселенных при комнатной температуре высоколежащих колебательных термов.

Установлены экспериментальные закономерности изменения вида спектров ДВИ от концентрации компонентов в смесях ароматических и неоганических кристаллов. Обнаружено, что спектр ДВИ стильбена (рис.3) и

антрацена сужается при увеличении концентрации соответствующего ароматического компонента в смеси. Аналогичное явление наблюдается при увеличении интенсивности возбуждающего излучения (рис.2).

В четвертой главе исследуется динамика фазового перехода в объеме и вблизи поверхности сегнетоэлехтриков. Показано, что в сегнетоэлектриках существует приповерхностный слой, фазовый переход в котором сильно размыт по сравнению с фазовым переходом в объёме образца (рис.4). В этой главе также показано, что нелинейнооптические кристаллы могут выступать в роли эффективных сенсибилизаторов в смесях с люминофорами при /-.вухфотонном возбуждении (рис.5).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1 .Разработана ~ методика лазерного двухфотонного возбуждения, гетерогенных твердых тел на основе лазеров с высокой частотой следования импульсов. Такая методика позволяет регистрировать сигналы ДВИ при относительно низких плотностях мощности возбуждающего излучения (до 103 Вт/см2), что значительно расширяет возможности для исследования возбужденных состояний во всем объеме твердых тел.

¿.Обнаружено, что в гетерогенных образцах двухфотонное поглощение происходит значительно эффективнее, чем в однородных образцах.

• 3. В сегнетоэлектриках существует приповерхностный слой, фазовый переход (ФП) в котором сильно размыт по сраеь ию с ФП в объеме образца.

4.Обнаружены значительные отличия в спектрах люминесценции, полученной при двухфотониом, однофотонном и рентте- веком

— —II— -----

28 25 22 V, 103см-1

1 - при двух фотонном возбуждении

(сплошная кривая - Лех = 510,5 нм, штрих - лех = 532,4 нм),

2 - при однофотонном возбуждении:

(сплошная кривая - Лех = 350 нм, иприх - Лех = 300 нм [30]),

3 - при возбуждении рентгеновским излучением (энергия кванта 600 кэВ) [29].

Рис.2. Спектры люминесценции кристаллов сткльбена, полученные: 1,2- при возбуждении лазером на парах меди пои плотности мощности 10^ рт/см^ и Вт/см«?, соответственно ;

3 - при возбуждении лазером на алюмои! ■ риевом гранате с неодимом (плотность мощности -10^ Ег/см^).

V , ЮЗсм"1

т т -г—

А, нм

Рис.3. Спектры ДВИ смесей порошков стильбена и хлористого натрия. Концентрация стильбена в смеси: 1 - 20%; 2 - 30%; 3 - 60%; 4 - 90%.

возбуждении. Делается вывод о том, что основным«' факторами, влияющими на вид спектров ДВИ, являются реабсорбция, поверхностные энергетические состояния и переход от спонтанного рожны® люминесценции к суперлюминесценции.

б.Исследоеаны условия перехода от спонтанной люминесценции к вынужденной в органических молекулярных кристаллах при двухфотонной лазерной накачке.

6. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что пороги для наблюдения вынужденного ДВИ существенно понижаются при переходе от однородных сред к гетерогенным (поликристапличэским).

7. Установлены экспериментальные закономерности изменения вида спектров ДВИ от концентрации компонентов в смесях ароматических № неорганических кристаллов.

Основные результаты диссертации- опубликованы в следующих работах:

1. Горелик B.C., ^Каботинский Е.В. "Двухфотонно - возбуждаемая люминесценция в твердотельных сцинтилляторах.", Квантовая электроника., 1992, т.19, №11, с.1084 -1085.

2. Горелик B.C., Жаботинский Е.В. Типерлюминесценция в ооганических кристаллах.", Квантовая электроника,, 1993 т.20, №12, с.1212 -1214.

3. Горелик B.C., Жаботинский Е.В. "Объёмная фотолюминесценция в молекулярных кристаллах при двухфотонном возбуждении.", Квантовая электроника, т.21, №3, с.291 - 293,1994.

4. Горелик B.C., Жаботинский Е.В. "О генерации в ближней ультрафиолетовой области спектра при двухфотонной накачке в

Рис.4. Температурные зависимости интенсивности сигналов оптических гармоник кристалла нитрита натрия.

1 - X = 289,1 нм; 2 - X = 289,1 нм; 3 - X = 271,2 нм;

Рис.5. Спектры ДВИ чистого дифенила - 1 и смеси да фенила (50%) и саХара -2.

не-

органических кристаллах." Тезисы докладов Международной конференции "Оптика лазеров", 1993, с.34.

5. Горелик B.C., Жаботинский Е.В., Сычёв A.A., Бабенко В .А., "Ультрафиолетовое объёмное излучение паратерфенила при двухфотонном возбуждении.", Краткие сообщения по физике ФИАН, 1994, №1 -2, с.15-19.

6. Горелик B.C., Жаботинский Е.В.,"Спектры спонтанного и вынужденного двухфотонно-возбуждаемого излучения в органических кристаллах.", Оптика и спектроскопия, 1994, т., №8, с.

7. Горелик B.C., Жаботинский Е.В., "Двухфотонно-возбуждаемая люминесценция в смесях органических попикристаллических веществ.", Квантовая электроника, 1994, №7, с.651 - 654.

8 Горелик B.C., Жаботинский Е.В. "О генерации в ближней ультрафиолетовой области спектра при двухфотонном возбуждении в органических кристаллах." Изв. АН России, 1994, т.58, №6, с.2 - 7.

О Горелик B.C., Жаботинский Е.В., Митин Г.Г.,'Температурная зависимость интенсивности оптических гармоник в кристаллах ЙаВгОд", Краткие сообщ. по физике ФИАН, 1992, №9,10, с.32 -35.

Ю. Горелик B.C., Жаботинский Е.В., Митин Г.Г.,Тенерация второй гармоники в припорерхностном слое сегнетоэлектрика нитрита натрия.", Квантовая электроника, 1994, №4, с.363 - 364.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вередихин В.Н., Галанин М.Д., Генкин В.Н. "Двухфотонное поглощение и спектроскопия.", УФН.1973, т.110, в.1, с.З - 43.

2. Конюхов В.К, Кулевский Л.А., Прохоров А.М "Оптический генератор на

CdS при двухфотонном возбуждении рубиновым лазэром."ДАН СССР,

1965, Т.164, №5, с.1012 -1015.

3. Басов H.Г., Грасюк А.З., Зубарев И.Г., Катулин В.А., Крохин О.Н. "Полупроводниковый квантовый генератор с двухфотонным оптическим возбуждением", ЖЭТФ, 1966,т.50, в.З, с.551 -559.

4. Грибковский В.П., Паращук В.В., Яблонский Г.П. "Повышение КПД и мощности полупроводникового лазера с оптической двухфотонной накачкой.", Квантовая электроника (Киев)., 1990, №38, с.1 - 7.

5. Catalano I.M., Cingolani A., Minafra A. "Transmitance, luminescence, and photocurrent In CdS under two - photon excitation.", Phys. Rev. B, 1974,v.9, №2,pp.707 - 710.

6. Горелик. B.C., Кекелидзе Г.Н., Прохоров K.A. "Двухфотонно -возбуждаемая люминесценция в кристаллах селенида цинка.",Краткие сообщения по физике ФИАН, 1990, №11, с.5 - 7.

7. Woriock J.M. In: Lasof Handbook, North-Holland, Amsterdam,p. 1323, 1972.

8. Плеханов В.,; Рятте В. "Люминесценция кристаллов РЬВг при двухфотонном возбуждении.", Известия АН Эстонской ССР, 1987, т.36, №1, с.бб - 69.

Подписано в печать 17 октября 1994 года

Заказ № 210. Тираж 100 экз. П.л. I.I.

Отпечатано в ШИС ФИАН

Москва, В-333, Ленинский проопект, 53.