Антистоксова люминесценция оксисульфидов Y, La, Gd, легированных ионами Er3+, Yb3+ при малых интенсивностях возбуждающего излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Санкт-Петербургский Государственный Университет

уь оь

На правах рукописи

КУРОЧКИН Алексей Викторович

АНТИСТОКСОВА ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ОКСИСУЛЬФИДОВ У,Ьа,Сс1 ЛЕГШЮВАННЫХ ИОНАМИ Ег^УЬ3^ ТРИ МАЛЫХ ИНТЕНСИВНОСТЯХ ВОЗБУЖДАЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Специальность: 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте физики Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент Смирнов В.Б.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Толмачев Ю. А. кандидат физико-математических наук Разумова Т.К.

Ведущая организация: Государственный научный центр "Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова"

Защита состоится " ^(ЯиЩ/нУ 1994 г. в час. на заседании специализированного совета К.063.57.10 по присуждению ученой степени кандидата наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д.7/9.

С диссертацией можно ознакомиться абйблиотеке СПбГУ. Автореферат разослан" " /¿О&му 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат. наук

Н.А.Тимофеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Антистоксова люминесценция рсдко-емелышх ионов в различных твердотельных матр1щах (основах) как овый вид люминесценции была обнаружена в конце 50-х - начале 60-х гг. [ сразу же привлекла к себе внимание широкого круга исследователей.

К настоящему времени основные механизмы, описывающие анти-токсову люминесценцию (далее асл) в основном разработаны. Теорети-еским и экспериментальным исследованиям процессов асл посвящено олыпое количество работ. Вместе с тем, развитие теории достоверно оплывающей эти процессы и объясняющей многообразные эксперименталь-ые результаты, по прежнему остается актуальной задачей. Особенно это тносится к случаю малых интенсивностей возбуждающего ИК излуче-ия. Проблема также состоит в сложности интерпретации многостадий-ых, кооперативных и конкурентных, разветвленных нелинейных взаи-юдействий редкоземельных ионов (далее РЗИ) и миграции энергии озбуждения в антистоксовых люминофорах (далее АСЛ). Особое место анимает диапазон возбуждающих излучений в полосе 1,4-1,7 мкм.

В последние годы разработаны и широко применяются полупровод-иковые источники на основе соединений АШВ , излучающие в указан-ом диапазоне. Созданы системы волоконно-оптических линий связи, в оторых носителем информации является излучение с длиной волны око-о 1,55 мкм. Разработаны новые лазеры на основе эрбиевых стекал с линой волны генерации 1,54 -1,65 мкм. Развитие квантовой электроники лазерной техники постоянно выдвигает задачи визуализации полей раз-ичных ИК лазеров. На область 1,4 - 1,7 мкм приходится окно высокой розрачности земной атмосферы. Перечисленные факторы приводят к еобходимости создания высокочувствительных визуализаторов ИК изучения (далее ВИКИ) диапазона 1,4-1,7 мкм.

Непосредственная визуализация ИК излучения из области 1,4-1,7 км происходит в видимой области спектра. ИК антистокосова люминес-енция эрбия не находила применения и не исследовалась. Появление овых высокоэффективных малогабаритных электронно-оптических пре-эразователей ООП), отличающихся высокой чувствительностью в диа-азоне длин волн вплоть до 0,9 мкм, создало возможность эффективной егистрации с последующей визуализацией ИК асл Ег3+ и, таким обрати, реализации нетрадиционного двухступенчатого (АСЛ + ЭОП) преоб-ззования ИК излучения в видимое.

В пели диссертационной работы входило: спектроскопическое исследование оксисульфидных антистоксовых люминофоров, идентификация механизмов антистоксовой люминесценции в конкретных системах, исследование созданниых на их базе эффективных визуализаторов ИК излучения (ИК изображения), в основном, в диапазоне 1,4 - 1,7 мкм перспективных для широкого круга научных и практических применений. Объектами исследования являлись поликристаллические кристалл офос-форы, легированные ионами эрбия, иттербия и др., в составе оригинальных оптических элементов - триплексов, детально исследованных в рамках данной работы.

Научная новизна работы состоит в комплексном исследовании полных спектров асл серии кристаллофосфоров, легированных Ег3*, при малых (менее 0,1 Вт/см2) плотностях мощности возбуждающего излучения, включающих ранее не изученную ИК асл; детальном изучении механизма протекания процессов, обуславливающих возбуждение обнаруженной ИК асл.

Практическая ценность. Результаты работы легли в основу формирования нового направления визуализации слабого ИК излучения антистоксовыми люминофорами, сущность которого заключается в двухста-дийном способе визуализации ИК излучения посредством АСЛ (как первичным преобразователем ИК излучения в ближнюю ИК асл) и фотопреобразователем (как вторичным визуализатором И К асл). Данные диссертационной работы были использованы при создании нового типа ВИКИ -"Икавизор-1,5", обладающего чувствительностью в области длин волн 1,4 -1,7 мкм менее 10"4 Вт/см2.

Защищаемые рдчруерня;

1. Новое направление визуализации слабого ИК излучения диапазона 1,4 - 1,7 мкм антистоксовыми люминофорами.

2. Методики спектроскопических исследований АСЛ в составе триплексов при малых плотностях мощности возбуждающего излучения.

3. Результаты исследования и анализа полных спектров асл кристаллофосфоров, легированных включающих ранее не исследованную полосу 0,82 мкм.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований динамических характеристик АСЛ, активированных Ег3*.

5. Оптимальный состав АСЛ: VI ,7 Его,з ОгБ, обеспечивающий максимальную эффективность преобразования излучения диапазона 1,4 -1,7 мкм.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на VI Всесоюзном совещании "Физика, химия и технология люминофоров" (Ставрополь, 1989 г.) и на VII Всесоюзном -1 Международном совещании "Люминофор-92" (Ставрополь, 1992 г.). По результатам работы опубликованы тезисы 13 докладов в материалах указанных конференций и 7 статей, библиография которых приведена в списке литературы и сопровождается символом А.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержание диссертации изложено на 159 страницах машинописного текста, включая 34 рисунка и 29 таблиц. Список литературы содержит 170 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цель и задачи работы. Кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава посвящена анализу современного состояния проблем изучения и применения антистоксовой люминесценции. В п. 1.1 приведен краткий обзор литературы, посвященной асл. В п. 1.2 приведена классификация известных к настоящему времени механизмов асл. Основными среди них являются:

1. Каскадный процесс последовательного поглощения фотонов (механизм Бломбергена) [1].

2. Механизм последовательной сенсибилизации (механизм Озеля) [2 ].

3. Механизм кооперативной сенсибилизации излучения (механизм Ов-сянкина-Феофилова) [3].

В результате анализа критериев разделения механизмов антисток-сова преобразования сделан вывод о том, что в случае отсутствия в исследуемой системе ионов сенсибилизатора традиционное исследование кинетики асл не позволяет разделить кооперативный механизм и механизм последовательной сенсибилизации. Вывод о типе конкретно реализуемого механизма можно сделать, определив абсолютную эффективность преобразования. Отмечено, что при малых интенсивностях возбуждающего излучения эффективность механизма последовательной сенсибилизации может на несколько порядков превышать эффективность механизма кооперативной сенсибилизации.

В п. 1.3 рассмотрены спектральные свойства и схемы энергетических уровней редкоземельных ионов. Особое место среди РЗИ занимает ион эрбия (схема уровней которого приведена на рис.1>. АСЛ, содержащие Ег3+, позволяют преобразовывать ИК излучение из диапазона длин волн

н-10. си"

I.

4 г,

ТЕ

%

1 1КП

11

Л ил,

М»

К.Л,

м,

н,

Ег'

около 1.5 мкм. Подобные люминофоры необходимы для решения задач современной волокон-нон оптики, создании новых ВИКИ диапазона 1,4-1,7мкм и т.д.

Во второй главе описана экспериментальная установка для исследования асл кристал-лофосфоров , легированных РЗИ3+, при малых интснсивко-стях возбуждающего ИК излучения (менее ОД Вт/см2).

В п. 2.1 рассмотрены описанные в литературе конструкции оптических элементов с применением АСЛ. Детально обсуждены оригинальные оптические элементы - волоконно-оптические трнплексы, примененные в данной работе. Конструкции оптических триплексов показаны на рис.2. Триплекс состоит из двух тонких оптически прозрачных дисков, между которыми сформирован тонкий слой АСЛ (или несколько слоев разных АСЛ). По сравнению с другими подобными конструкциями триплекс имеет ряд достоинств и преимуществ, основные из которых следующие:

1) слой АСЛ в составе триплекса имеет строго регламентированные параметры (химический и гранулометрический составы, нагрузку, плотность, толщину слоя и т.п.);

2) триплекс обеспечивает возможность исследования асл в тонких слоях АСЛ;

3) обеспечена высокая защи-Рие.2. Конструкции волоконно-оптических щенность слоя АСЛ от воздействия

триплексов (1-волоконный диск, внешней среды и механических по-2 - АСЛ. 3 - кварцевый диск). вреждений;

Рис.1 Схема энергетических уровней Ег3+ в УЮ2$.

4) имеется возможность контактного соединения триплекс* с последующ!™ фотопреобразователем, например, с ЭОП, диодной матрицей и т.п.;

5) имеется возможность использования в составе триплекса волоконно-оптического диска (ВОД), что позволяет использовать достоинства волоконной оптики.

Конкретные составы люминофора в триплексах определяются не-эбходимостью высокоэффективного преобразования ИК излучения заданного диапазона в требуемый спектральный диапазон. Параметры слоя (\СЛ определяются требуемой разрешающей способностью и необходимой эффективностью преобразования. Эти вопросы подробно обсуждены в материалах диссертации.

В п.2.2 описана экспериментальная установка и методика проведения исследований. Основу оптической части установки составил монохро-«атор МДР-4. Для возбуждения асл использованы полупроводниковые *сточники (светодиоды и лазеры).

В качестве приемников оптического излучения использованы фотоэлектронные умножители (ФЭУ-62,79,100,112,138), злектронно-оптиче-:киепреобразователи (ЭОП), тандемы на их основе и фотодиоды.

"Ядром" электронной части комплекса является система КАМАК, заботающая под управлением микро-ЭВМ. Разработан и реализован пасет оригинальных прикладных программ для управления установкой и >бработки данных.

В п. 2.3 проведено сравнительное исследование асл оксисульфидов (, Ьа, Сё, легированных РЗИ3*, являющихся традиционными эффектив-шми визуализаторами ИК излучения и ИК изображения среди извест-гых классов АСЛ в области спектра около 1 мкм. Результаты наших омерений хорошо согласуются с данными литературных работ. Разрабо-анные методики, несмотря на более низкие плотности мощности возбуж-(ающего излучения, позволили зарегистрировать необнаруженные другого авторами слабые полосы асл. Анализ полученных экспериментальных »езультатов показал реальные возможности и качество как созданного пектрометрнческого комплекса, так и эффективность разработанной ме-одики проведения исследований.

Глава 3 посвящена исследованию асл 1л120г5:Ег3+ в составе трип-¡ексов при малых интенсивностях возбуждающего излучения диапазо-¡а 1,4 - 1,7 мкм. В п. 3.1 приведены результаты исследования относи-ельной эффективности асл ряда соединений (оксисульфидов, оксихло-1Идов, оксидов, простых фторидов), активированных ионами Ег3+ при озбуждении излучением 1,5 мкм. Основываясь на проведенном ана-;изе и выполненных экспериментальных и теоретических исследова-

ниях доказательно сделан вывод о том, что наиболее эффективными преобразователями слабого (менее 1 Вт/см2} ИК излучения диапазона 1,4 -1,7 мкм в область максимальной или высокой спектральной чувствительности современных фотокатодов являются оксисульфиды иттрия, лантана и гадолиния, легированные ионами эрбия.

В п. 3.2 исследованы спектры поглощения асл оксисульфидов, легированных ионами эрбия в области 1,5 мкм, которые определяются переходом Ег3+ из основного состояния 41[ 5/2 в первое возбужденное состояние 4113/2.

В п. 3.3 приведены результаты измерений обзорных спектров асл оксисульфидов Y, Ьа, Сс1, легированных Ег3* и проведен их сравнительный анализ в целях определения наиболее оптимальной основы. Данные исследований свидетельствуют в пользу основы из оксисульфидов иттрия.

В п. 3.4 приведены результаты измерений зависимости интенсивности полос спектра асл УгС^Ег34" от концентрации ионов эрбия. На рис.3 показана характерная зависимость интенсивности асл в полосе 0,8 мкм от концентрации ионов эрбия. Найдено, что наиболее эффективным и оптимальным составом для преобразования ИК излучения с длиной волны 1,5 мкм являются АСЛ химического состава У\дЕго.зОгЗ. Исследованию этого люминофора, в основном, посвящена последующая часть работы.

I

от.ев.

В п. 3.5 представлены результаты исследования спектра асл люминофора Y1.7Ero.3O2S при возбуждении излучением СД 1,5 мкм (рис. 4). Зарегистрированы четыре основные спектральные полосы: зеленая, в области 520 - 560 нм, красная -650-690 нм, и две ИК полосы - полоса 0,99 мкм с границами 975-1018 нм и полоса 0,82 мкм с границами 802-833 нм, причем соотношение интен-

Рис.З. Зависимости интенсивносгей асл в полосе 0,82 мкм от концентрации Ег' даяАСЛ: <У1-хЕгх)2023 (1), УЗ-хЕгхОС17 (2), У1-хЕгхРЗ (3).

0.1

0.2

3+

*■ ^сг сивностейИК полос асл-спек-тра 0,82 мкм : 0,99 мкм примерно равно 1:50. В пределах чувствительности установки и использованной плотности мощности возбуждающего излучения не обнаружена

иоминесценция в области 0,4 - 0,5 мкм. Люминесценция ЯСр. ~ 0,99 мкм, >,66 мкм и 0,55 мкм известна как инфракрасное, красное н зеленое свече-те АСЛ, соответствующее переходам %л/г 4115/2, 4¥<э/2 4115/2, [Бз/2 4115/2. Нами впервые зарегисгирована и исследована высокоинтен-:ивная люминесценция ионов Ег3* в ближней ИК полосе 0,82 мкм при юзбуждении излучением 1,5 мкм. По данным спектрометрических изме->енин определены ширины штарковского расщепления уровней Ег3*. Ис-ледована зависимость интенсивности полос асл от интенсивности излу-»ения накачки. Проведенные исследования спектроскопических и динамических характеристик асл (зависимости Ьсл ОТ 1возбужд.) позволили шределить генетическую природу ИК полосы асл спектра с длиной волны жоло 0,82 мкм. См. рис. 1.

В п. 3.6 выполнена оценка эффективности преобразования ИК изучения АСЛ-триплексами оптимального состава. Установлено, что при шотности мощности излучения возбуждения 1,5 мкм равной I Вт/см2 :вантовый выход асл составляет около 1 %. Сделан вывод о том, что трнп-гексная методика исследования АСЛ, использующая тонкие слои лгоми-гофора, позволяет производить определение таких параметров образца :ак квантовый выход асл, давая значения близкие к полученным класси-(еским методом.

В п. 3.7 исследовано влияние конструкции триплекса на выход асл | плане практических приложений.

Глава 4 посвящена анализу полученных экспериментальных ре-ультатов и расчетам в рамках соответствующих механизмов асл. В п. 4.1 [роанализированы экспериментальные результаты спектроскопических

-т—■—I—1—I—>*■ -1---1--—*

В00 Л» 800 050 юоо Кип

лсА. Динамика развития спектра асл У1т7Ег0,ЗО25 (1-5) при уменьшении плотности мощности возбуждающего излучения 1,5 мкм.

исследований асл. Обсужден механизм возбуждения асл в оксисульфид-ных люминофорах, легированных Ег3+. Установлено, что экспериментально наблюдаемую эффективность антистоксова преобразования излучения монолегированными люминофорами объясняет механизм, который можно назвать механизмом последовательной самосенсибилизации. Согласно этому механизму ионы Ег3* выполняют роль как сенсибилизатора, так и активатора. Выполняя роль сенсибилизатора они поглощают фотоны возбуждения (1,5 мкм) и переходят на уровень I13/2.

Основной вклад в заселение уровня АЦ/г (с которого высвечивается излучение при переходе 41у/г -* 4Ii3/2) вносит кросс-релаксационный процесс (4Ii3/2 -*,4Ii5/2)* -* (4Ьз/2 4l9/2)* ( - Ег3* ~ сенсибилизатор, - Er3+ - активатор).

Уровень 4Il г/2 заселяется за счет безызлучательной релаксации ионов Er3f с уровня 4I<j/2) при этом АЕ составляет около 2000см"1. Частота наиболее вероятною фонона в оксисульфиде иттрия составляет 520 см"1, т.е. для релаксационного перехода 41д/г -*41п/2 потребуется генерация не менее четырех фононов.

Основной вклад в заселение уровня 4F9/2 (с которого высвечивается асл с переходом 4^>/2 -*41п/2> принадлежит процессу (4Ii3/2~"*"4Il5/2) (41п/2 ~*"4F9/2)* .

Изменение заселенности уровня 4Бз/2 (с которого высвечивается асл с переходами 4Бз/2~*" 4Il5/2 и 48з/2 -*4I i з/2> происходит в результате процессов (4Ii3/2 ->4Ii5/2)* (%а-* 4$зп)** и ( 41шг Ii5/2>*

4 4 »*

( I9/2 S3/2 ) с последующей многофононнои релаксациен 2Нц/2-* 4S3/2 (АЕ-1000 см"1, генерация не менее двух фононов).

Таким образом, излучение 0,99 мкм (41и/2 -*4Ii5/2) есть результат двухквантового процесса; излучение 0,82 мкм (4l9/2~*4It3/2) - результат так же двухквантового процесса; излучение 0,66 мкм (4F<>/2 4Ii5/2) -трехквантового; излучение 0,55 мкм (4S3/2 4i 15/2) - трехбайтового процесса.

В п.4.2 сравниваются экспериментальные и теоретически полученные соотношения интенсивностей полос спектра асл Y202S:Er3+, Исходя из вышеизложенного механизма асл, составлены кинетические уравнения баланса для уровней 4Iis/2, 41хз/2, 41п/2, 4i9/2, 4¥т, 4Бз/2, Нц/2 (рис.1):

dNi _ gl^CNt-Nz) , N2 , N3 N4 N5 N6 N7_„

^2=_ ^Нз-Ж N3 = 0; (2) N3

= (3)

N2^ - § - Г2 N4 -^ N5 ^N4 -%А N2Nз = 0; (4)

N5

^N3 — ~ N5 + N6 — 0; (5)

N2N4 - Щ- ~ У4 N6 -ь У5 N7 = 0; (6)

N2^ -75 N7=0; (7)

здесь N1 - заселенность ¡-го уровня (см"3);1е- интенсивность возбуждения в области 1,5 мкм (квант х см"2 х с"'); Т\ - время жизни Ьго состояния (с); О- эффективное сечение поглощения возбуждающего излучения (см2); £ - средняя энергия перехода 4115/2~*' 4113/2 (см"1); - вероятность безыз-лучательной релаксации (с"1); # - коэффициенты суммирования энергии возбуждения. __

Уравнения (1-7) для случая малых интенсивностей 1е возбуждающего излучения можно упростить. После их решения было получено, что отношение 1о,82/1о,99 должно быть постоянным при изменениях 1е (в области малых 1е ). Отношения 1о,бб/1о,99 и 1о,55/1о,99 должны быть прямо пропорциональны интенсивности 1е возбуждающего излучения.

Результаты экспериментальных исследований динамических характеристик АСЛ представлены на рнс.5.а. Изданных рис.5.а. определены

значения коэффициентов ш в зависимости 1асл~ I? • В интервале 1е=5-50 мВт/см2 отношение 1о,82/1о,99 не зависит от 1е и остается постоянным (рис.5.б), что соответствует результату решения кинетических уравнений баланса. Соответствие результатов экспериментальных исследований динамических характеристик асл с проведенным теоретическим анализом подтвердило правомерность исходных предположений о характере механизма возбуждения асл и о возможности использования допущений и упрощений, сделанных в ходе рассмотрения кинетических уравнений баланса в пределах указанного диапазона малых интенсивно-

I: . втн.еЭ.

а)

б)

Рис.5. Зависимости (а) относительных шпенсивностей полос асл У1,7ЕгО,3025 от плотности мощности возбуждения (1с) в области 1.5 мкм (асл-полосы: 0,99 (1), 0,82 (2), 0,66 (3) и 0,55 мкм (4)) и зависимости (б) отношений П/10,99 интенсивностей полос спектра асл VI ,7ЕгО,302$ от 1е (1 - Ю,82/Ю,99, 2 - 10,66/10,99, 3 - 10,55/10,99) •

стей возбуждающего излучения. С практической точки зрения из вышеприведенного анализа следует, что для визуализации слабых ИК сигналов диапазона 1,4 - 1,7 целесообразно использовать именно полосы асл в областях 0,99 и 0,82 мкм.

В п. 4.3 рассмотрены причины нелинейности, наблюдаемой в зависимости интенсивности полос спектра асл от интенсивности возбуждающего излучения. На основании проведенною анализа кинетических уравнений и обзора литературных данных сделан вывод о том, что проявление эффектов насыщения люминесценции крисгаллофосфоров, легированных ионами ЕгЗ+, при малых интенсивностях возбуждающего излучения не может быть объяснено явлением нагревания образца возбуждающим излучением. Эффекты насыщения асл есть результат самого механизма асл и являются его неотъемлемым проявлением для данной конкретной системы.

Глава 5 посвящена анализу возможностей нового направления визуализации слабых ИК сигналов диапазона 1,4-1,7 мкм антистоксовыми люминофорами, идеология которого развивается в данной работе, н практическому применению АСЛ и АСЛ-триплексов.

В п. 5.1 дана характеристика этого направления. Одностадийная, непосредственная визуализация ИК излучения из области 1,4 -1,7 мкм в видимую область спектра требует суммирования не менее трех элементарных возбуждений (т=3).

Как видно из рис.5.б при уменьшении мощности возбуждающего ИК излучения до 10~3 Вт/см2 и ниже в спектре аслэрбия преобладает ИК свечение, причем основной вклад в асл дает уровень 111/2, а также уровень 419/2. ИК асл эрбия, конкурирующая с видимой асл, не находила должного приложения и практически не исследовалась, хотя именно эта часть асл-излучения наиболее перспективна для преобразования слабого излучения диапазона 1,4 -1,7 мкм благодаря менее резкой (квадратичной) зависимости от интенсивности возбуждающего излучения. Появление новых ЭОП создало возможность эффективного детектирования И К асл Ег3* и реализации нетрадиционного, двухступенчатого (АСЛ + ЭОП) преобразования излучения диапазона 1,4 - 1,7 мкм в видимое. А, именно, АСЛ преобразовывает длинноволновое ИК излучение в более коротковолновое ИК излучение, которое в ЭОП преобразуется в поток электронов, усиливается в 103-106 раз и обратно преобразуется в видимый свет. Основная идеология наших работ по созданию ВИКИ заключается в использовании именно ИК асл в АСЛ. Полосы ИК асл (0,82 и 0,99 мкм) представляют основной интерес для визуализации с помощью ЭОП, так как попадают в область высокой спектральной чувствительности фотокатодов СаАз и 5-1, что представлено на рис. 6.

В п. 5.2 рассмотрены вопросы эффективности преобразования ИК сигналов тандемом АСЛ + фотокатод. Проведенный численный анализ (часть результатов которого представлена в табл. 1) показывает , что в

Рис.6. Спектр вел Yl,7EIt),з02S при возбуждении излучением 1,5 мкм (1) и кривые спектральных чувствительностей фотокатодов Б-! (2), 8-20 (3) и СаАв (4).

настоящее время оптимальным фотокатодом для использования в составе тандема оказывается ваАя-фотокатод. Так при 1е около 0,1 Вт/см2 он эффективнее 1 в 26 раз, который в свою очередь эффективнее 8-20 более чем в 5 раз.

Таблица 1. Относительные эффективности тандемов АСЛ (Y1.7Ero.3O2S) + фотокатод 5-20, Б-1 и СаАя.

1е, Вт/см2 / »Б~ 20 Чанд/ Чанд. тСаАэ / ,8-1 Чанд/ Чанд,

0,1 5,5 26

0,001 104 1.2

В п. 5.3 обсуждаются вопросы создания полиспектрозональных ви-зуализаторов ИК излучения на основе АСЛ-триплексов. Результаты экспериментальных исследований показали, что АСЛ состава УгОгЗ: Ег3+, УЪ может являться эффективным ВИКИ излучения диапазонов 0,9 -1,0 мкм (см. гл.2) и 1,4 - 1,7 мкм (см. гл.З). Показано, что расширение области чувствительности возможно при использовании либо механической смеси АСЛ разных составов (с высокой равномерностью микросмеси по полю триплекса), либо с использованием секторных АСЛ-триплексов, сектора которых содержат различные АСЛ.

В п. 5.4 определены направления и приведены примеры новых практических применений АСЛ-триплексов: создание нового класса ИК микроскопов сЯ> 1,2 мкм, метод антистоксово-люминесцентного спектрального анализа оценки чистоты исходных материалов для синтеза будущих АСЛ.

В п. 5.5 обсуждается перспектива создания антистоксовых визуали-заторов ИК излучения при 1е ~ 10~4 Вт/см2 и длинах волн больших 1,1 мкм, функционирующих в гетеродинном и супергетеродинном режиме возбуждения. В гетеродинном ВИКИ в результате суммировании слабого ИК сигнала Ь и относительно мощного потока излучения накачки 1р стимулируется видимое излучение 1у. Супергетеродинный механизм визуализации заключается в использовании поливолновой накачки, т.е. одновременной мощной накачки излучением с различными двумя (или более) частотами. Супергетеродинные ВИКИ - это визуализация ИК сигнала посредством, по крайней мере, тройного оптического резонанса в нелинейной среде. Создание гетеродинных и супергетеродинных ВИКИ безуслов-

но требует разработки теории механизмов параметрического гетеродини-рования и супергетеродинирования ВИКИ на основе АСЛ: РЗИ3+.

П. 5.6 посвящен некоторым аспектам применения РЗИ3+ в волоконной оптике (эрбиевым волоконным усилителям и новым типам волоконных лазеров).

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Разработанная методика и созданная экспериментальная установка позволили провести спектрометрические исследования АСЛ в тонких слоях в составе оптических триплексов при малых интенсивяостях возбуждающего ИК излучения.

2. Исследованы различные классы АСЛ, активированных нонами эрбия (окснсульфиды, оксихлориды, оксиды, фториды и т.д.). Установлено, что наиболее эффективными для использования в составе АСЛ-трип-лексов являются оксисульфиды иттрия. Определен оптимальный молярный состав АСЛ: У) лЕго.зОгЗ.

3. Исследованы полные асл-спектры состава лЕго.зОгЗ при возбуждении в области 1,5 мкм. Зарегистрирована и впервые детально изучена высокоинтенсивная полоса асл 0,82 мкм. По результатам измерения динамических характеристик асл определены угловые коэффициенты всех составляющих тонкую структуру полос спектра асл оксисульфндов иттрия, активированных ионами эрбия.

4. По результатам работы вычислены значения верхних и нижних штарковских компонент уровней иона эрбия в оксисульфидной основе.

5. Показано, что данные измерений, выполненные с использованием триплексов, согласуются с данными работ, проведенных с использованием как монокристаллических, так и поликристаллических образцов по классической методике.

6. Составлены н, в приближении слабой интенсивности возбуждающего излучения, решены кинетические уравнения баланса для системы уровней Ег3+.

7. Теоретически и экспериментально изучены соотношения интен-сивностей полос асл спектра при изменении мощности возбуждения, получено хорошее совпадение теории и эксперимента.

8. Теоретические и экспериментальные исследования динамических характеристик асл подтвердили , что для визуализации слабых ИК сигналов из окна 1,4 - 1,7 мкм с помощью гибридно-каскадных ВИКИ на основе тандема АСЛ +■ фотопреобразователь целесообразно использовать преимущественно полосы асл 0,99 и 0,82 мкм.

9. Показано, что использование АСЛ-триплексов открывает новое направление визуализации слабых ИК сигналов диапазона 1,4-1,7 мкм, сущность которого заключается в двухстадийном преобразовании ИК сигнала посредством АСЛ-триплекса и ЭОПа, что на несколько порядков снижает порог чувствительности визуализаторов на их основе. Наиболее эффективными для применения в составе подобных тандемов в настоящее время являются фотопреобразователи с GaAs-фотокатодом.

10. Предложено дальнейшее развитие данного направления путем реализации гетеродинного и супергетеродинного режимов возбуждения асл, что по нашим оценкам позволит снизить порог чувствительности

8 7

визуализатора до 10 Вт/см .

Материалы диссертации отражены в следующих статьях:

AI. Манаширов О.Я., Саттаров Д.К., Смирнов В.Б., Гадецкая Т.В., Курочкин A.B. и др. Антистоксова люминесценция ионов эрбия в области

0.8-0,84 мкм в оксисульфидах Y202S:Er и ЬагС^Ег3* при возбуждении излучением светодиода с Лп 1,53 мкм. Оптика и спектроскопия. 1990. Т.69. Вып.2. С.483-487.

А2. Курочкин A.B., Манаширов О.Я., Михеев ПА, Саттаров Д.К., Смирнов В.Б., Цюрупа О.В. Визуализация слабых ИК сигналов антистоксовыми люминофорами в диапазоне 1,4-1,7 мкм. ЖПС. 1991. Т.55. N1. С. 104-110.

A3. Курочкин A.B., Манаширов О.Я., Саттаров Д.К., Смирнов В.Б., Цюрупа О.В. Новое направление разработок визуализатороров слабых ИК сигналов на антистоксовых люминофорах. Светотехника. 1992. N5. С.4-7.

A4. Курочкин A.B., Майлибаева Л.М, Манаширов О.Я., Саттаров Д.К., Смирнов В.Б. Соотношение интенсивностей полос антистоксовой люминесценции Y202S:Er3+ при малых мощностях возбуждения в области 1,55 мкм. ЖПС. 1992. Т.57. NI-2.C.104-I11.

А5. Курочкин A.B., Майлибаева Л.М., Манаширов О.Я., Саттаров Д.К., Смирнов В.Б. Антистоксова люминесценция Ln202S:Er3+, Yb в составетриплексовпрявозбуждении б областях 0,93,1,06,1,53 и 1,59 мкм.

1. Оптика и спектроскопия. 1992. Т.73. Вып.4. С.741-748.

А6. Курочкин A.B., Майлибаева Л.М., Манаширов О.Я., Саттаров Д.К., Смирнов В.Б. Антистоксова люминесценция Ln2Ü2S:Er Yb3* в составетриплексов при возбуждении в областяхО,93,1,06,1,53 и 1,59 мкм. II. Там же. С.749-756.

А7. О.Я.Манаширов, Д.К.Саттаров, В.Б.Смирнов, О.В.Цюрупа, А.В.Курочкин. Состояние и перспективы разработок антистоксовых люминофоров для визуализации ИК излучения из области 0,8-13 мкм. Неорганические материалы. 1993. Т.29. N10. С. 1322-1325.