Все операции по установке/снятию светофильтров производить при закрытой заслонке лазера

Лабораторная работа № 2.

Исследование явления насыщения поглощения в кристалле LiF^2-

Цель работы: Исследовать явление насыщения поглощения в кристалле LiF^2-

Краткая теория

Явление насыщения поглощения заключается в уменьшении показателя поглощения среды для электромагнитной волны при увеличении ее интенсивности.

Данный эффект может быть описан при помощи метода балансных уравнений и модели двухуровневой среды (рис.1).

Рис. 1. Взаимодействие двухуровневой системы с электромагнитной волной с интенсивностью I

Пусть в среде распространяется световая волна с интенсивностью I и частотой w, соответствующей энергетическому зазору между верхним и нижним энергетическими уровнями среды (). Взаимодействие волны и среды вызывает вынуженные переходы с верхнего энергетического уровня на нижний (вынужденное излучение) и с нижнего уровня на верхний (поглощение).

Изменение населенностей верхнего и нижнего уровней можно описать при помощи следующей системы балансных уравнений:

(1)

где W – вероятность вынужденного перехода, t - время жизни верхнего лазерного уровня.

Вероятность вынужденных переходов зависит от интенсивности излучения I и параметра среды – сечения перехода s:

(2)

где - энергия фотона.

От уравнений (1) можно перейти к одному уравнению для разности населенностей :

(3)

В стационарном случае

(4)

Как видно из (4) при увеличении интенсивности света и, соответственно W, разность населенностей уровней уменьшается и в пределе стремиться к нулю. В соответстви с (1) и (4) это означает, что N₂=N₁=N_f/2.

При этом изменение интенсивности в бесконечно тонком слое среды dz описывается выражением

(5)

Замечание

В формуле (5) для наглядности мы пренебрегли спонтанным излучением, т.к. насыщение поглощения наблюдается высоких значениях интенсивности света I.

Как видно из (5) при равенстве населенностей N₂ и N₁ интенсивность I при распространении в среде не изменяется.

Выражение (4) можно переписать в виде

, (6)

где введена величина - интенсивность насыщения.

Центры окраски

При помощи двухуровневой модели насыщающегося поглотителя хорошо описываются нелинейные свойства кристаллов с центрами окраски.

Центры окраски - дефекты кристаллической решётки, поглощающие свет в спектральной области, в которой собственное поглощение кристалла отсутствует. В качестве таких дефектов могут выступать катионные и анионные вакансии, междоузельные ионы (собственные центры окраски), а также примесные атомы и ионы (примесные центры). Центры окраски обнаруживаются у многих неорганических кристаллов и в стеклах; они широко распространены в природных минералах.

Собственные Центры окраски могут быть созданы воздействием ионизирующих излучений и света, соответствующего области собственного поглощения кристалла (фотохимическое окрашивание). Такие центры окраски называются наведёнными. При фотохимическом окрашивании неравновесные носители заряда (электроны проводимости и дырки), возникшие под действием излучения, захватываются дефектами кристалла и изменяют их заряд, что обусловливает появление новых полос в спектре поглощения и изменение окраски кристалла. Обычно появляется по крайней мере 2 типа центров окраски — с захваченным электроном (электронный центр окраски) и дыркой (дырочный центр окраски). Если частицы или фотоны, порождающие окрашивание, несут достаточно большую энергию, то они могут образовывать новые дефекты (см. Радиационные дефекты в кристаллах), которые тоже обычно возникают парами (например, вакансия — междоузельный ион).

Наведённые центры окраски могут быть разрушены при нагревании (термическое обесцвечивание) или воздействии света, соответствующего спектральной области поглощения самих центров окраски (оптическое обесцвечивание). Под действием тепла или света один из носителей заряда, например электрон, освобождается из захватившего его дефекта и рекомбинирует с дыркой. Такой процесс может сопровождаться люминесценцией, если выделившаяся при этом энергия испускается в виде кванта света. Под действием тепла могут исчезать и пары дефектов (например, междоузельный атом может заполнить соответствующую вакансию). В этом случае люминесценция, как правило, не наблюдается — вся выделившаяся энергия превращается в тепло.

При другом способе создания собственных центров окраски, называемом аддитивным окрашиванием, носители заряда, необходимые для создания центра окраски, вносятся в кристалл извне, а не образуются в нём самом (отсюда термин «аддитивное окрашивание», т. е. окрашивание при добавлении чего-либо). Это достигается прогреванием в парах металла или введением электронов в нагретый кристалл из остроконечного катода, или же при помощи электролиза. При прогреве в парах металла атомы металла диффундируют внутрь кристалла, заполняют катионные вакансии и, отдавая свои электроны анионным вакансиям, образуют F-центры. В некоторых случаях (например, в случае флюорита) собственные центры окраски могут возникать в процессе кристаллизации. Центры окраски, образующиеся при аддитивном окрашивании и кристаллизации, не могут быть уничтожены термически или оптически — для их разрушения требуются иные воздействия. Так аддитивно окрашенные щёлочно-галогенные кристаллы обесцвечиваются при нагревании в атмосфере галогена; флюорит удалось получить неокрашенным, изменив условия кристаллизации.

F-центры окраски

Рис. 2. F-центры окраски

F-центр окраски представляет собой электрон, локализованный в анионной вакансии кристалла. Если же один из шести ближайших к вакансии ионов металла посторонний (изображен на рисунке кружком меньшего диа­метра; например, Li⁺ в галогениде калия), то такой дефект называется F_A-центром. Два соседних F-центра, расположенные вдоль направления (110), образуют F₂-центр, а F₂⁺ пред­ставляет собой однократно ионизованный F₂-центр.

Наиболее полно F-центры изучены в щёлочно-галогенных кристаллах, но обнаружены они и в др. кристаллах. F-центр в щёлочно-галогенных кристаллах обусловливает селективную полосу поглощения колоколообразного вида (F-полосу), обычно, в видимой области спектра, смещающуюся для кристаллов с одинаковыми анионами (катионами) и разными катионами (анионами) в сторону длинных волн при увеличении атомного веса катиона (аннона). Например, в NaCI F-полоса имеет максимум поглощения в синей области спектра (l = 465 нм) и цвет кристалла — жёлто-коричневый (дополнительный цвет), в KCl — в зелёной области (l = 563 нм) и кристалл выглядит фиолетовым.

Схема лабораторного стенда:

Рис. 3. Схема лабораторного стенда: 1 – Nd:YLF-лазер с акустооптической модуляцией добротности, 2 – Ослабляющие светофильтры, 3 – Светоделитель, 4 – Фокусирующая линза (F=270 мм), 5 – Кристалл LiF^2-, 6 – Измеритель энергии Ophir Nova II (измерительная головка PE-10), 7 – Измеритель энергии Ophir Nova II (измерительная головка PE-9)

Набор светофильтров

Ослабляющие: ИКС-5, ИКС-7, НС-7

Или 2хИКС-5, НС-7

Порядок выполнения работы

ВНИМАНИЕ!

ВСЕ ОПЕРАЦИИ ПО УСТАНОВКЕ/СНЯТИЮ СВЕТОФИЛЬТРОВ ПРОИЗВОДИТЬ ПРИ ЗАКРЫТОЙ ЗАСЛОНКЕ ЛАЗЕРА

ВНИМАНИЕ!