Оптические свойства ХГС

Люминесцентные свойства халькогенидных стекол стехиометрического и нестехиометрического составов, легированных редкоземельными элементами.

Методическое пособие для лабораторного практикума

Санкт-Петербург

Введение

Последнее десятилетие отмечается значительным интересом ученых к исследованию стеклообразного состояния вещества, что в основном обусловлено выявлением новых перспективных областей практического применения стекол. Среди обширного класса стеклообразных материалов интересными и перспективными в практическом отношении являются халькогенидные стёкла, активированные ионами редкоземельных элементов (РЗЭ).

Работы по исследованию халькогенидных стеклообразных систем, активированных ионами РЗЭ, ведутся на протяжении уже достаточно длительного времени. Интерес к ним связан с широкими возможностями практического использования данных материалов в устройствах интегральной и волоконной оптики. Благодаря высокому значению показателя преломления на основе ХГС могут быть изготовлены линзы с малой толщиной и кривизной поверхности. Кроме того, относительная легкость изготовления ХГС и их оптические свойства (прозрачность в видимой и ИК-диапазонах, высокий показатель преломления, низкая энергия фононов), сделали ХГС привлекательной основой для легирования редкоземельными элементами. На базе ХГС, легированных, например Nd³⁺, Er³⁺ разрабатываются волоконно-оптические усилители, волоконно-оптические лазеры и т.д. Возможность введения в ХГС редкоземельных элементов обуславливает практический интерес к ХГС как к материалам, люминесцирующим в инфракрасной области спектра. Именно поэтому, в последнее время чрезвычайно активизировались работы по исследованию редких земель в полупроводниковых матрицах различной природы. Глобальная задача, которую пытаются решить в результате таких исследований – получение генерации лазеров на основе активированных полупроводников на оптических переходах редкоземельного иона.

Оптические свойства ХГС

Первые стёкла на основе мышьяка и серы были получены ещё в начале XX века. Позднее были синтезированы и более сложные стеклообразные системы. Класс стеклообразных систем на основе халькогенов (серы, селена, теллура) получил название – халькогенидные стёкла (ХГС). ХГС образованны при объединении халькогена с одним или несколькими элементами As, Ge, Ga, и др. Несмотря на то, что в настоящее время ХГС считаются достаточно хорошо изученными (определены области стеклообразования, исследованы их физико-химические и оптические свойства, отработаны методики синтеза) интерес исследователей к ХГС не уменьшается именно благодаря возможности изменения в широких пределах их параметров. Халькогенидные стёкла обладают определенными оптическими свойствами, которые делают их привлекательными с точки зрения практического использования.

· Низкая энергия фононов (400 см^-1), характерная для ХГС обеспечивает низкую вероятность многофононной безызлучательной релаксации редкоземельных ионов [1-5].

· Широкая область прозрачности (от видимой до ИК области) позволяет использовать ХГС в качестве оптических материалов для среднего и дальнего ИК диапазонов. Изменением состава ХГС можно добиться значительного смещения границ области прозрачности [6].

· Халькогенидные стёкла сохраняют стеклообразующую способность при введении больших концентраций РЗИ [6, 7].

· Высокая температурная и химическая стойкость, позволяет использовать ХГС для изготовления волокон и плёнок [1-5].

· ХГС обладают полупроводниковыми свойствами: фотопроводимостью, полупроводниковой проводимостью, наблюдается фотолюминесценция [1-5].

· Высокий показатель преломления обеспечивает большую вероятность излучательного перехода РЗИ в ХГС.

· ХГС характеризуются высоким коэффициентом нелинейности третьего порядка, что позволяет создавать на их основе высокоскоростные оптические затворы, модуляторы.

Явление Люминесценции

Термин ”люминесценция” был впервые введен Видеманом в 1888 г. Он предложил называть люминесценцией свечение, которое возникает под действием внешних причин без повышения температуры светящегося тела. Сейчас люминесценцией называют избыток излучения над тепловым излучением тела, соответствующим его температуре. Затем Вавилов обратил внимание на то, что определение понятия люминесценции, данное Видеманом, не позволяет отличить люминесценцию от отражения и рассеяния света. Он предложил дополнить определение люминесценции критерием длительности. Согласно Вавилову люминесценцией следует называть избыток над тепловым излучением тела, если после выключения возбуждения свечение продолжается в течение некоторого времени [10].

Определение Видемана-Вавилова сохранило свое значение и широко используется. Однако неопределенность критерия длительности и возможность применять это определение только к телам, состояние которых можно охарактеризовать определенной температурой, привели к появлению другого подхода к вопросу об определении понятия люминесценции. Этот подход основан на анализе элементарных процессов, обуславливающих вторичное излучение. Согласно этому люминесценцией следует называть спонтанное испускание, происходящее после того, как все процессы релаксации, кроме электронного перехода, закончились, и установилось тепловое квазиравновесие в возбужденном электронном состоянии.

Явления люминесценции классифицируют по способу возбуждения. Так люминесценцию, возбуждаемую светом, называют фотолюминесценцией, возбуждаемую электрическим полем – электролюминесценцией, рентгеновскими лучами - рентгенолюминесценцией [10].