Введение к работе
Актуальность темы и состояние проблемы
Исследования типа и ориентации элементарных осцилляторов, описывающих квантовые переходы в центрах люминесценции, представляют большой интерес как для науки, так и для ряда практических приложений. Информация о характеристиках элементарных излучателей как объектов, ответственных за моделирование тех или иных центров, имеет важное значение при изучении явлений, связанных с взаимодействием света с конденсированными средами. В свою очередь, изучение механизмов создания и закономерностей поведения люминесцирующих центров необходимо для решения таких практических задач как усиление и генерация в кристаллах лазерного излучения, создание пассивных лазерных затворов на примесных центрах, центрах окраски, моделирование процессов записи и обработки информации на оптических носителях и многих других.
Проблема определения типа и ориентации элементарных излучателей исследуется давно, и результаты этих исследований отражены в многочисленных научных трудах и ряде монографий. Так, методом широкоугольной интерференции [1,2] была показана возможность разграничения излучателей различной мультипольности – электрического и магнитного диполей, квадруполя, других более сложных случаев. Так же в этой области исследований применяются методы поляризационных диаграмм (изучение зависимости наблюдаемой поляризации люминесценции от направления наблюдения и положения вектора напряженности возбуждающего света) и азимутальных зависимостей (зависимостей степени поляризации люминесценции от относительного положения вектора напряженности возбуждающего света и кристаллографических направлений) [3]. Однако следует отметить, что данные методы в ряде случаев не дают однозначного ответа о типе и ориентации элементарных излучателей.
Существенно расширить класс кристаллов, исследуемых в этом направлении, позволил пьезомодуляционный метод определения ориентации и типа излучателей, основанный на исследовании взаимосвязи глубины пространственно-периодической модуляции интенсивности люминесценции и угла между направлением оптической оси кристалла и ориентацией люминесцирующих центров [4]. В работах [4-6] были проведены теоретические и экспериментальные исследования аксиального распределения интенсивности люминесценции в кубических кристаллах с наведенной анизотропией. По результатам исследований были получены выводы о том, что аксиальное распределение интенсивности люминесценции при определенных условиях возбуждения и наблюдения носит пространственно-периодический характер. Как указывается в работе [7], конкретный вид пространственных зависимостей интенсивности люминесценции определяется типом элементарного излучателя и его ориентацией. Пространственно-модуляционный метод дополнил известные методы поляризованной люминесценции и их модификации. Кроме того, он имеет ряд других преимуществ. В частности, этот метод не требует измерения поляризационных отношений, что в ряде случаев упрощает эксперимент. Также описанный метод является универсальным, что предполагает возможность его применения и для изотропных, и для анизотропных сред.
В работе [8] при исследовании пространственно-периодического распределения интенсивности люминесценции кубических кристаллов с наведенной анизотропией наблюдалась картина удвоения частоты модуляции интенсивности для - центров окраски по сравнению с распределением интенсивности люминесценции - центров в одном и том же эксперименте. Возникновение этого эффекта не представляется возможным представить как результат переходов, моделируемых элементарными электродипольными излучателями – диполями или ротаторами, так как при определенных направлениях вектора наблюдения, согласно расчетам, пространственно-периодического распределения интенсивности не должно быть, в силу того, что суммарная поглощаемая мощность для всех возможных ориентаций осцилляторов остается величиной постоянной. В связи с этим представляло интерес исследовать механизм этого эффекта, а также более детально изучить особенности строения энергетических уровней - центров окраски.
Цель работы
Таким образом, целью данной работы является изучение пространственно-периодических распределений интенсивности люминесценции кристаллических сред, возбуждаемой лазерным излучением, для выяснения возможностей дифференциации элементарных излучателей по типу и ориентации, а также определения механизма удвоения частоты модуляции пространственно-периодических зависимостей интенсивности люминесценции.
Более конкретно, в диссертационной работе решались следующие задачи:
-
Определение оптимальных условий возбуждения и наблюдения люминесценции центров окраски, конфигурации образца и направления сжатия, при которых в максимальной степени проявляется дифференциация элементарных излучателей различных типов, ориентированных по характерным осям симметрии кристалла.
2. Исследование эффекта удвоения частоты модуляции пространственного распределения интенсивности люминесценции - центров. Определение условий, при которых данный эффект реализуется в кубических кристаллах с наведенной анизотропией.
Научная новизна работы
Предложена более совершенная модификация метода определения ориентаций и мультипольности осцилляторов центров окраски в кубических кристаллах по аксиально-периодической зависимости интенсивности их люминесценции. Показано, что по наличию или отсутствию модуляции, без измерения глубины модуляции, в двух пространственно-периодических картинах люминесценции центров однозначно определяются ориентации осцилляторов, а по положению максимумов и минимумов кривых интенсивностей - тип поглощающих и излучающих осцилляторов.
Исследован эффект удвоения частоты модуляции интенсивности люминесценции - центров в кристаллах LiF с наведенной анизотропией при лазерном возбуждении люминесценции в первое возбужденное состояние. Показано, что данный эффект возникает в результате насыщения метастабильного триплетного уровня центра окраски.
Теоретически получена зависимость глубины модуляции пространственного распределения интенсивности люминесценции от интенсивности возбуждающего света для эффекта удвоения частоты модуляции вследствие насыщения перехода. Определены условия возбуждения, наблюдения и конфигурация эксперимента, при которых наблюдается данный эффект.
Практическая значимость работы
Разработанная модификация пространственно-модуляционного метода определения типа и ориентации элементарных излучателей в кубических кристаллах может быть рекомендована к практическому применению при исследовании примесных и собственных центров люминесценции в кристаллических средах. Результаты таких исследований представляют большой интерес при разработке новых лазерных сред, насыщающихся, поглощающих оптических материалов и в других приложениях.
Защищаемые положения
1. Определение типа и ориентации элементарных осцилляторов в кубических кристаллах с наведенной анизотропией может быть произведено на основе модифицированного пьезомодуляционного метода измерения аксиально-периодических зависимостей интенсивности люминесценции путем сравнения указанных зависимостей при двух направлениях наведенной оптической оси: и . Регистрация наличия или отсутствия модуляции пространственно-периодических картин люминесценции центров в этих случаях позволяет однозначно определять ориентации осцилляторов по осям симметрии, характерным для кубической сингонии, а положение максимумов и минимумов зависимостей – тип осцилляторов.
2. Удвоение частоты модуляции пространственного распределения интенсивности люминесценции - центров в кристаллах LiF с наведенной анизотропией происходит вследствие насыщения метастабильного триплетного состояния центров.
3. Зависимость глубины пространственно-периодической модуляции интенсивности люминесценции от интенсивности возбуждающего света при реализации эффекта удвоения частоты модуляции вследствие насыщения перехода в кубических кристаллах имеет максимум в случае, когда возбуждающий свет падает по нормали к плоскости (110) при ориентации поглощающих осцилляторов вдоль и осей кристалла.
Апробация результатов
Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
1. IX Международная школа-семинар по люминесценции и лазерной физике, Иркутск, 2004.
2. Международная конференция VUVS-2005, Иркутск, 2005.
3. Третья интеграционная междисциплинарная конференция молодых ученых СО РАН и высшей школы, Иркутск, 2005.
4. X Международная школа-семинар по люминесценции и лазерной физике, Иркутск, 2006.
Диссертант принимала участие в грантах и проектах, включающих материалы диссертационной работы, как исполнитель:
1. Грант РФФИ № 04-02-16733-а по теме «Аксиальная селективность взаимодействия света и вещества»,
2. Грант Минобразования России № Е02-3.2-501 по теме «Развитие поляризационных методов исследования кубических кристаллов, изучение ориентации и типов элементарных излучателей»,
3. Проект «Университеты России» № УР.01.01.009 по теме «Пространственная модуляция интенсивности люминесценции кристаллов как метод исследования мультипольности и ориентации элементарных излучателей».
Публикации
Результаты работы по теме диссертации опубликованы в 9 научных работах, из них 5 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, («Оптика и спектроскопия», «Известия вузов. Физика»), остальные работы в сборниках трудов и тезисов всероссийских и международных научных конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа содержит 80 страниц, иллюстрируется 20 рисунками, включает 3 таблицы и состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 65 наименований.
Личный вклад автора
Исследования, составляющие основу диссертационной работы, выполнены в соавторстве с коллегами из Иркутского филиала Института лазерной физики СО РАН и Научно-исследовательского института прикладной физики Иркутского государственного университета. В частности, защищаемое положение 2 доказано в ходе совместной работы диссертанта с научным консультантом С.А. Зиловым. Расчеты, составившие основу защищаемых положений 1 и 3, выполнены соискателем самостоятельно.
