Ап-конверсионная люминесценция монокристаллов и наночастиц, активированных редкоземельными ионами (РЗИ), обусловлена заселением электронных состояний активаторных ионов, энергии которых значительно превышают энергии квантов возбуждающего излучения [1-3].
Ап-конверсионная люминесценция нашла широкое практическое применение в цветных дисплеях, солнечных батареях, ИК-индикаторах и т.д. [4-10]. Благодаря процессам ап-конверсионной передачи энергии, реализовано множество лазеров, использующихся в различных областях науки и техники [11-16].
Несмотря на широкое практическое применение ап-конверсионной люминесценции, на данный момент нет целостной картины понимания механизмов ап-конверсионной передачи энергии. Так, в работе [17] было выдвинуто теоретически обоснованное предположение о существенной роли вынужденного излучения ионов Yb в формировании ап-конверсионной люминесценции в кристалле LiY08Yb02F4:Tm3+.
Традиционно при исследовании ап-конверсионной люминесценции изучают зависимость спектрально-кинетических характеристик люминесценции от мощности возбуждающего излучения при постоянной фокусировке лазерного излучения на образце [18, 19]. При этом пренебрегают пространственным распределением мощности возбуждающего излучения и люминесценции в кристалле. Однако, для правильного понимания механизмов возбуждения ап-конверсионной люминесценции необходимо учитывать это пространственное распределение. Кроме того, процессы ап-конверсионной передачи энергии изучались, в основном, либо при возбуждении импульсным излучением наносекундной длительности, либо при непрерывном возбуждающем излучении. В работах [20, 21] была предложена методика изучения ап-конверсионной люминесценции, в основе которой лежит использование модулированного прямоугольными импульсами возбуждающего излучения. Эта методика позволила получить дополнительную информацию о механизмах возникновения ап-конверсионной люминесценции в кристаллах, активированных РЗИ.
В настоящей работе исследовано влияние пространственного распределения возбуждающего излучения в кристалле LiYbF4:Ho (0.2ат.%) на спектрально-кинетические характеристики люминесценции. Пространственное распределение интенсивности ап-конверсионной люминесценции изучалось по фотографиям ее продольных сечений при различных положениях перетяжки лазерного луча относительно образца (аналог техники Z-сканирования [22, 23]). Одновременно со спектрами регистрировалась кинетика люминесценции по методике, предложенной в [20, 21].
Актуальность данной работы заключается, во-первых, в том, что на данный момент нет теоретической модели, описывающей все многообразие процессов ап-конверсионной передачи энергии в кристаллах, активированных редкоземельными ионами (РЗИ) и, во-вторых, существует прикладная задача оптимизации ап-конверсионных процессов заселения электронных состояний РЗИ.
Цель настоящей работы: исследовать процессы ап-конверсионной передачи энергии в кристалле LiYbF4:Ho (0.2 ат. %).
Задачи настоящей работы:
• исследовать влияние пространственного распределения возбуждающего излучения инфракрасного лазерного диода (ИК ЛД) в кристалле LiYbF4:Ho (0.2 ат. %) на спектрально-кинетические характеристики люминесценции этого кристалла;
• исследовать спектрально-кинетические характеристики люминесценции
кристалла LiYbF4:Ho (0.2 ат. %), используя модулированное
прямоугольными импульсами излучение ИК ЛД;
• экспериментально проверить предположение о наличии усиленной спонтанной люминесценции в кристалле LiYbF4.
Представлены результаты комплексного исследования ап-конверсионной люминесценции кристалла LiYbF4:Ho (0.2ат.%).
• Изучено пространственное распределение интенсивности ап- конверсионной люминесценции по фотографиям продольных сечений при различных положениях перетяжки лазерного луча относительно изучаемых кристаллов.
• Обнаружена зависимость продольных сечений люминесценции кристалла и спектрально-кинетических характеристик люминесценции ионов Ho3 и Yb3+ от положения перетяжки лазерного луча.
• Выявлены два различных механизма заселения энергетических уровней ионов Ho3+, с которых происходит зеленая и красная люминесценция: кооперативная сенсибилизация люминесценции и поглощение индуцированных фотонных групп. Показано, что вклады этих механизмов по-разному проявляются как во времени, так и по объему кристалла. В частности, преобладающим механизмом передачи энергии ионам Ho3+ является поглощение индуцированных фотонных групп, создаваемых ионами Yb3+.
• Впервые получены экспериментальные данные, доказывающие существование усиленной спонтанной люминесценции ионов Yb3+ в кристалле LiYbF4.
Таким образом, в настоящей работе показано, что для построения теоретической модели процессов ап-конверсионной передачи энергии необходимо учитывать пространственное распределение плотности мощности возбуждающего ИК излучения и эффект усиленной спонтанной люминесценции.
В заключение, хочу выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю Казакову Б.Н. за приобретенные навыки экспериментатора, Кораблевой С.Л. за выращенные и предоставленные для экспериментов кристаллы.
Огромная благодарность Семашко В.В. за помощь в интерпретации полученных результатов, многочисленные консультации и конструктивную критику.
