Люмінісценція і люмінофори

Люмінесценція та ілюмінофориЛюмінесценція - загальна назва явищ, що виражаються у випромінювані світла речовиною після поглинання ним енергії. Існують різні типи джерел збудження випромінювання.Тип джерела збудження входить в термін Люмінісценція . Так, фотолюмінісценція - це люмінесценція, що виникає під дією фотонів світла. При електролюмінісценції для збудження випромінювання використовують електричну енергію, а при катодолюмінісценції - катодні промені або електрони. Є два види фотолюмінісценції. Якщо час випромінювання після зняття збудження складає 10-8 c, то процес називається флуоресценцією таким чином, флуоресценція закінчується зразу після того як вилучається джерело збудження.

Якщо світіння після вилучення джерела збудження відбувається, то це називається фосфоренцією. Фотолюмінісцентні матеріали містять два компонента - кристалічну основу ZnS, CaWO4, Zn2SiO4, і др. і активатор, добавлений в малій кількості до основи катіони Mn2 , Sn2 , Pb2 ,Eu2 деколи вводять другу добавку - сенсибілізатор.

В загальному випадку енергія випромінюваного світла менше енергії , випромінювання зсуното в довгохвильову область відносно возбуждаючого випромінювання . Це зростання довжини хвилі називається стоксковським зсувом. В люмінесцентних лампах возбуждаючим випромінюванням є УФ - світло ртутні джерела світла . Ртутна лампа являє собою скляну трубку, внутрішня поверхня якої покрита люмінофором.Трубка заповнена сумішшю парів Ar і Hg. При пропусканні електричного току через лампу електрони вдаряються в атоми ртуті , які збуджуються і електрони переходять на більш високий рівень. Зворотній перехід в основний стан відбувається з випромінюванням УФ - променів двух характеристичних довжин хвиль 2540 і 1850 А.Ці промені попадають на фосфоренцируюче покриття внутрішньої поверхні скляної трубки, яке випромінює біле світло. Матеріали основи, що використовують для добування кристалів люмінофорів, можна поділити на дві групи 1 діелектрики, характеризуються іонним типом зв,язку , наприклад Cd2B2O5, Zn2SiO4, апатит 3Ca3 PO4 2 Ca Cl,F 2 . При введені активаторів в такі речовини виникає серія дискретних енергетичних рівнів , місце яких модифікується локальним обсягом кристалічної гратки основи . Для якісного опису люмінесценції в цих іонних сполуках слугує модель конфігураційних координат 1 напівпровідникові сульфіди з ковалентним характером зв,язку , наприклад ZnS. В них зона структура основи модифікується шляхом добавляння локалізованих енергетичних рівнів, виникаючих при введені іонів активаторів. На даний час вивчено багато систем типу основа - активатор з метою визначення їх основних характеристик як люмінофорів. Багато з цих систем виявились досить перспективними практичного використовування.

Приведем приклади застосування люмінофорів. В люмінесцентних лампах використовуються люмінофори на основі апатиту з домішками Mn2 і Sb3 . Сам фтороапатит має формулу Са5 РО4 3F. При введені іонів Sb3 він світиться синім кольором, а при введені Mn2 дає оранжево жовте світіння. Разом ці іони приводять до широкого спектру випромінювання фосфоресцентного матеріалу, який займає всю область білого світла. Шляхом часткової заміни іонів F- в фтор апатиті на іони Cl- можна досягнути деякої зміни розподілення хвиль в спектрі випромінювання.

Такий ефект пояснюеться тим що подібне заміщення веде до зміни положення енергетичних рівнів іонів активатора.

Таким чином вар,ювання хімічного складу люмінофора - ефективний засіб досягнення даного забарвлення випромінювання.

В таб.1 наведені люмінофори, використані в люмінесцентних лампах. Таб.1 Деякі люмінофори , що використовуються в люмінесцентних лампах Люмінофор Активатор Колір Вілеміт Zn2SiO4 Mn2 Зелений Y2O3 Eu3 Червоний Діопсид CaMg SiO3 2 Ti Синій Волластоніт CaSiO3 Pb, Mn Оранжево-жовтий Sr, Zn 3 PO4 2 Sn Оранжевий Фтороапатит Ca3 PO4 2 Ca Cl,F 2 Sb, Mn Білий Головне значення має іон Eu3 . Його введення в люмінофор дає червоне світіння , що використовують у виготовлені екранів кольорових телевізорів. В люмінофор YVO4 Eu3 і група VO4 3- поглинає енергію катодних променів в електронно-променевих трубках, емітером випромінювач енергії є іон Еu3 . Перенесення енергії в люмінофорах по замінному механізму є дуже ефективним, якщо хімічні зв язки метал-кисень-метал будуть направлені вздовж однієї лінії. Саме в цьому випадку досягається максимальне перекриття атомних орбіталей.

В люмінофорі YVO4 Eu3 кут між зв язками ванадій-кисень-європій складає 170 , тому перенос енергії здійснюється дуже швидко.

При виготовленні екранів кольорових телевізорів використовують люмінофори трьохз кольорів 1 червоний як правило використовують згаданий раніше YVO4 Eu3 2 синій ZnS Ag 3 зелений ZnS Cu . При виготовленні екранів чорно-білих телевізорів використовують суміші синього ZnS Ag і жовтого Zn, Cd S Ag катодолюмінофорів. АНТІСТОКСОВСЬКІ ЛЮМІНОФОРИАнтістоксовські люмінофори - відносно новий клас матеріалів, що світяться, до яких в останні роки виявляється велика увага.

Відмінна властивість цих речовин складається в тому, що вони випромінюють потік фотонів великої енергії меншої довжини хвилі , ніж первинне збуджуюче опромінення. Використання антистоксовських люмінофорів дозволяє трансформувати інфрачервоне випромінення в електромагнітне випромінення великої енергії, в видиме світло. Закон збереження енергії - не порушується. Додаткова енергія поглинається люмінофором, але процес збудження протікає у дві або більше стадії. В даний час найбільш детально вивчені антистоксовські люмінофори на основі YF3, NaLa WO4 2 і б-NaYF4, які леговані іонами Yb3 сенсибілізатор і Er3 активатор . При опроміненні таких люмінофорів інфрачервоним світлом виникає світіння зеленого кольору.

При цьому відбувається переніс двох фотонів, поглинутих іонами Yb3 в процесі ІЧ- опромінення матеріалу, на сусідні іони Er3 . Після двох стадійного процесу збудження активатора відбувається генерування електромагнітних хвиль видимої частини спектру.

ЛАЗЕРИ Робота твердотільних лазерів основана на використанні люмінофорів, задовольняючи деяким особливим вимогам.

Термін лазер складається з перших букв англійських слів Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation підсилення світла симульованим випусканням випромінення . Процес збудження оснований на переведенні активних центрів в збуджений стан так називаємо накачка , в якому вони можуть бути достатньо довгий час. Стан, характеризується тим, що велика частина активних центрів знаходиться в збудженому стані, називається інверсійною заселеністю . В лазерах випромінення фотона світла одним активним центром стимулює випромінювання світла іншими центрами, при чому випромінені електромагнітні хвилі поширюються в одній фазі. Таким чином виникає інтенсивний пучок чи імпульс когерентного випромінювання.

В 1960 році Мейман повідомив про винахід першого рубінового лазера. В теперішній час можна сказати про існування самостійного направлення науки і техніки, зв язаного з дослідженням і використанням лазерів у різних областях людської діяльності фотографії, хірургії, засобах телекомунікації, для точних вимірів та багато чого іншого.

Відкрито багато типів лазерних систем. Всі лазери, що використовуються можна поділити на три типа газові, лазери на барвниках з настроюваною довжиною хвилі і твердотілі лазери. РУБІНОВИЙ ЛАЗЕР Рубіновий лазер був першим оптичним квантовим генератором.Найбільш важлива частина рубінового лазера - монокристал Al2O3, легований невеликою кількістю 0,05 мас. Cr3 . Іони Cr3 замінюють іони Al3 у викривлених октаедрах кристалічної гратки корунда.

При введенні Cr2O3 в монокристали Al2O3 білого кольру, останній забарвлюється в червоний при малій концентрації іонів Cr3 або зелений при великих концентраціях іонів Cr3 колір. На рис. Схематично показано положення енергетичних рівнів іона Cr3 в рубіні. Накачку лазера проводять за допомогою потужного спалаху світла, наприклад ксенонової лампи.

При цьому d-електрони іонів Cr3 можуть переходити з основного стану 4А2 у більш високі стани 4F2 і 4F1. Потім швидко протікає безвипромінювальний процес на рівень 2Е. Час перебування електрону в збудженому стані 2Е дуже великий і складає 5 10-3с. Це означає, що встигає утворюватись стан інверсійної заселеності. Лазерне випромінення виникає при переході електронів зі збудженого стану 2Е в основний стан. Цей перехід симулюється одночасно для багатьох іонів, при чому випромінювані електромагнітні хвилі поширюються в одній фазі. Довжина хвилі потужного когерентного імпульса червоного світла складає 6934 А. На рисунку 2 показана схема будови рубінового лазера.

Основна частина лазера - рубіновий стержень довжиною декілька сантиметрів і діаметром 1-2 см. Як показано на рисунку рубіновий стержень оточує у вигляді спіралі газорозрядна імпульсна лампа. Можливе і інше роз положення лампи поряд із стержнем.В цьому випадку лампа та рубіновий стержень розташовані всередині світло відбиваючого кожуха так, щоб стержень інтенсивно опромінювався з усіх сторін. З одного торця стержня встановлюється дзеркало для відбування імпульсу випромінюваного світла назад в сторону рубінового стержня.

З іншого кінця стержня ставлять спеціальний прилад - так званий Q-перемикач, який може або випускати промінь лазера з системи, або відбивати його назад для нового циклу.Q-перемикач, звичайно, являє собою дзеркало, що обертається, яке в точно заданий час випускає лазерний промінь з системи.

Така конструкція дозволяє отримати випромінювання оптимальної інтенсивності, оскільки імпульс випромінюваного світла, пройшовши після відбивання у дзеркалі вперед та назад, вздовж стержня, збільшує інтенсивність випромінення. Це зв2язано з тим, що лазерний промінь стимулює випускання новими активними центрами, при чому стимульоване випромінюння когерентно початковому імпульсу світла. НЕОДИМОВІ ЛАЗЕРИ За основу люмінофорів, використаних в неодимових лазерах, служить або скло, або алюмоітрієвий гранат Y3Al5O12. Збуджуюче опромінення люмінофора проводять за допомогою потужної лампи.

При поглинанні енергії можливі переходи на декілька енергетичних рівнів. Далі слідує безвипромінювальний перехід на збуджений рівень 4F3 2, з якого відбувається перехід в стан 4I11 2. Останній перехід супроводжується лазерним випромінюванням з довжиною хвилі 10600 А для неодимового скла або 10640А для Y3Al5O12 Nd3 . Час перебування в стані 4F3 2 достатньо великий 10-4с. і залежить від концентрації іонів Nd3 . Це дозволяє виникати стану інверсійної заселеності. На основі матеріалів, що містять іони Nd3 в якості активаторів, створені лазери великої потужності. Національний Університет ім.Т.Г.Шевченка Реферат Тема оптичні властивості речовин Виконав студент Богдан Олександр Київ-2002.