НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2004, том 40, № 6, с. 716-719
УДК 375.372
СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ВРЕМЕНИЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ КРИСТАЛЛОВ ЛЕЙКОСАПФИРА ПРИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМ ЛАЗЕРНОМ ВОЗБУЖДЕНИИ
© 2004 г. В. С. Горелик, И. А. Рахматуллаев
Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва Поступила в редакцию 10.12.2003 г.
Получены спектры фотолюминесценции лейкосапфира, подвергнутого различным дозам радиации, при возбуждении второй гармоникой (255.3 нм) излучения лазера на парах меди. Исследовано изменение вида спектров в зависимости от времени задержки. Установлено, что время релаксации фотолюминесценции для максимума, соответствующего длине волны 385 нм, составляет 19 нс.
ВВЕДЕНИЕ
Свойства спектров поглощения и люминесценции в кристаллах а-А1203 (лейкосапфир) к настоящему времени изучены в широком диапазоне. В частности, спектры люминесценции центров окраски в а-А1203 исследовались в [1], оптические свойства облученных монокристаллов а-А1203 в видимой и ультрафиолетовой областях - в [2, 3].
После появления лазерных ультрафиолетовых источников света открылись новые возможности для изучения спектров люминесценции широкого круга веществ - органических и неорганических. В последнее время был предложен новый метод фотовозбуждения люминесценции, основанный на использовании импульсно-периодичес-ких лазерных источников света (в частности, лазера на парах меди) [4]. Хотя исходное излучение этого лазера расположено в видимой области спектра (510.6 и 578.2 нм), использование удвоителей и смесителей частот лазерного излучения в виде нелинейно-оптических кристаллов, а также достаточно высокое значение пиковой и средней мощности лазерного излучения для такого типа лазеров позволяют получать достаточно интенсивное излучение в ультрафиолетовой области спектра (255.3, 271.2, 289.1 нм).
Цель данной работы - исследование особенностей спектров фотолюминесценции (ФЛ) кристаллов лейкосапфира при их возбуждении второй гармоникой (255.3 нм) излучения лазера на парах меди.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Излучение от активного элемента лазера на парах меди, работающего в режиме неустойчивого резонатора, фокуси-
ровалось длиннофокусной линзой в нелинейно-оптическом кристалле ВаВ204. Кристалл ВаВ204 был вырезан таким образом, что условие синхронизма выполнялось для удвоения частоты исходного лазерного излучения с длиной волны 510.6 нм. Таким образом, на выходе кристалла возникало ультрафиолетовое излучение с длиной волны 255.3 нм. Излучение лазера видимого диапазона устранялось с помощью абсорбционного фильтра, помещенного сразу после нелинейно-оптического кристалла. Коэффициент преобразования видимого излучения в ультрафиолетовое был ~1%; полная средняя мощность генерации в двух
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки для наблюдения спектров ФЛ: 1 - активный элемент лазера; 2 - блок питания лазера; 3, 8 - диэлектрические зеркала; 4 - длиннофокусный стеклянный конденсор; 5 - нелинейно-оптический кристалл; 6 -абсорбционный светофильтр; 7, 10, 11 - кварцевые конденсоры; 9 - кювета с исследуемым веществом; 12 -монохроматор; 13 - фотоумножитель; 14 - система регистрации; 15 - компьютер; 16 - блок формирования строб-импульса; 17 - принтер.
I, отн. ед
600 ь
400
200
385 нм
400
600
X, нм
Рис. 2. Спектры ФЛ лейкосапфира, облученного дозой 106 (2), 107 (3), 108 Р (4); 1 - необлученный кристалл.
линиях составляла 3 Вт; частота следования импульсов генерации - 10 кГц, длительность импульса - 20 нс. Ультрафиолетовое излучение направлялось на плоскопараллельную кювету с окошками из кварца КУ (см. рис. 1). Рассеянное излучение собиралось системой кварцевых линз на входной щели монохроматора МСД-2. Излучение после монохроматора регистрировалось с помощью фотоумножителя ФЭУ-106, работающего в режиме счета фотонов. За счет отвода малой доли возбуждающего излучения в специальном блоке формировался строб-импульс длительностью 30 нс. Этот импульс вводился в систему регистрации для синхронизации с импульсом люминесценции и позволял регистрировать спектры люминесценции при различных временах задержки (0-300 нс). Дифракционная решетка спектрометра поворачивалась с помощью шагового двигателя, управляемого с помощью компьютера. Время накопления сигнала при фиксированном положении дифракционной решетки изменялось в диапазоне 0.1-100 с в зависимости от интенсивности регистрируемого сигнала ФЛ. Информация от регистрирующего устройства подводилась к компьютеру, накапливалась в цифровом виде и выводилась на экран монитора компьютера.
Для исследования были использованы чистые кристаллы лейкосапфиров1, а также образцы,
1 Кристаллы лейкосапфиров выращены в НПО "Фонон" (Республика Узбекистан).
подвергнутые у-облучению, при нескольких дозах облучения. Эти кристаллы облучались источником 60Со мощностью 1380 Р/с. Исследования проводились при комнатной температуре.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 приведены спектры ФЛ необлучен-ного (кривая 1) и у-облученных различными дозами кристаллов (кривые 2-4) лейкосапфира. Видно, что спектр ФЛ необлученного кристалла представляет собой широкую бесструктурную полосу со слабым максимумом в фиолетовой области спектра. При дозе 106 Р (кривая 2) также обнаруживается слабо выраженный максимум (показан стрелкой) с длиной волны 385 нм. Из сравнения кривых 1-4 следует, что при увеличении дозы облучения интенсивность ФЛ возрастает. Кроме того, при этом происходит "деформация" контура с возрастанием относительной интенсивности коротковолнового крыла.
Оптические свойства облученных кристаллов лейкосапфира в видимой и ультрафиолетовой областях спектра ранее были исследованы в [1-3, 5]. В частности, в [5] было отмечено, что реакторное облучение лейкосапфира приводит к появлению трех интенсивных полос поглощения с максимумами около 294, 331, 470 и 620 нм.
0
718
ГОРЕЛИК, РАХМАТУЛЛАЕВ
I, отн. ед.
Рис. 3. Спектры ФЛ лейкосапфира, полученные при временах задержки 25 (2), 50 нс (3); 1 - без задержки (доза облучения 107 Р).
Относительно природы дефектов, ответственных за наблюдаемое поглощение, можно высказать следующие соображения. Как было показано в [2, 6], облучение монокристаллов сапфира может приводить к образованию точечных дефектов структуры, являющихся центрами захвата электронов. В результате возникают ^-цент-ры, представляющие собой в случае сапфира анионные вакансии, захватившие два электрона, обусловливающие полосу поглощения с максимумом при 204 нм. Одновременно образуются ,Р+-цен-тры (анионная вакансия, захватившая один электрон) с полосами возбужденного поглощения в области 230 и 255 нм.
В [1, 2] идентифицированы полосы поглощения и излучения ^-центров. Результаты этих работ согласуются с полученными нами данными. Поэтому нет сомнений в принадлежности возбуждаемых в этих условиях полос люминесценции к ^-центрам.
На рис. 3 приведены спектры ФЛ у-облученно-го лейкосапфира при дозе 107 Р, измеренные при различных временах задержки по отношению к возбуждающему импульсу генерации. Кривая 1 получена при нулевой задержке. При задержках 25 и 50 нс интенсивность сигнала ФЛ резко падает. Спектр 2 оказывается аналогичным спектру люминесценции, полученному для необлученного кристалла (рис. 2).
На основании данных о спаде интенсивности максимума в области 385 нм, предполагая релак-
сационный механизм изменения заселенности возбужденного ^+-центра, можно оценить время релаксации (т) из соотношения
I = /„ехрИ/т), (1)
где £ - время задержки, а I и /0 - интенсивности максимума ФЛ.
Следует отметить, однако, что в наших экспериментах наблюдалось резкое уменьшение интенсивности ФЛ даже при минимально возможных задержках (25 нс), обеспечиваемых используемой им-пульсно-периодической системой возбуждения и стробирования. В связи с этим в результате наших измерений могла быть проведена лишь оценка величины времени релаксации. С учетом этого замечания, исходя из измерений интенсивности ФЛ лейкосапфира на длине волны 385 нм, значение времени релаксации в соответствии в формулой (1) составило т = 19 нс.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изучены спектры лейкосапфира, подвергнутого различным дозам радиации, при возбуждении импульсно-периодическим ультрафиолетовым (255.3 нм) второй оптической гармоники лазера на парах меди. Оценено время релаксации ФЛ лейкосапфира.
Показано, что предложенная методика оказывается весьма эффективной для анализа спектров ФЛ лейкосапфира в ультрафиолетовой области.
Полученные результаты могут быть использованы для диагностики дозы облучения в ядерных реакторах, а также для создания новых лазерных материалов на базе облученных кристаллов лейкосапфира.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 02-02-16221).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Григоров В.А., Мартынович Е.Ф., Токарев А.Г. Люминесценция центров окраски в a-Al203 // Укр. физ. журн. 1983. Т. 28. № 5. С. 784-785.
2. Evans BD, Sapelbrock M. Optical Properties of the F+-Center in Crystalline Al2O3 // Phys. Rev. B. 1977. V. 18. № 12. P. 7089-7098.
3. Draeger B. G., Summers G.P Defect in Irradiated a-Al2O3 // Phys. Rev. B. 1978. V. 19. № 2. P. 1172-1177.
4. Агалъцов A. M., Горелик B.C., Рахматуллаев И.А. Двухфотонно-возбуждаемая флуоресценция в ультрадисперсных алмазных порошках // Журн. техн. физики. 1997. Т. 67. № 11. С. 113-115.
5. Михнов C.A., Гринкевич В.Э. Термические преобразования центров окраски в облученном нейтронами сапфире // Журн. прикл. спектр. 1992. Т. 56. № 2. C. 268-272.
6. Чайковский Э.Ф, Батуричева З.Б, Шахнович М.И., Таран А.А. Образование центров окраски в монокристаллах лейкосапфира, облученных ионами аргона // Журн. прикл. спектр. 1982. Т. 37. № 5. С. 860-862.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.