Elektronika 2009-05.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

Fluorescencja jest jednym z rodzajów luminescencji (generacjazimnego światła). Fluorescencja jest związana z atomową(molekularną) absorpcją fotonu, który wyzwala emisjęinnego fotonu o większej długości fali. Różnica energii pomiędzyfotonem absorbowanym i emitowanym jest wydzielanaw szkle jako energia fali fononowej lub jako ciepło. Jeślilaser na szkle emituje promieniowanie widzialne, to zwyklepompowanie zachodzi w obszarze ultrafioletu, a gdy promieniujew podczerwieni, to pompowanie jest w zakresie widzialnym.Przesunięcie długości fali absorpcji i emisji nazywanejest przesunięciem Stokesa lub anty-Stokesa. PrzesunięcieStokesa (w dziedzinie długości fali lub w dziedzinie częstotliwości)dotyczy dwóch różnych procesów rozważanych tutajw szkle: fluorescencji oraz rozpraszania Ramana. Fluorescencjajest procesem pełnej absorpcji fotonu, związanymz aktywacją atomu w szkle do wyższego poziomu energetycznego(co trwa ok. 10 -15 s) i po pewnym czasie (co trwa ok.10 -8 s, ale zmienia się dla różnych atomów aktywnychw szkle, zazwyczaj w zakresie od ułamka do dziesiątek ns,w szkłach laserowych znacznie więcej - rzędu µs), zwanymczasem życia fluorescencji, spontaniczną lub stymulowaną(wymuszoną) emisją fotonu mniej energetycznego. Rozpraszaniestymulowane Ramana jest procesem natychmiastowego,bez opóźnienia (poniżej 10 -15 s), nieelastycznegorozpraszania fotonu na drgającej sieci molekularnej szkłaz przesunięciem Stokesa (mniejsza energia fotonu rozproszonego)lub anty-Stokesa (większa energia fotonu rozproszonego).Oba procesy emisji stymulowanej bazujące nafluorescencji i rozpraszaniu Ramana mogą prowadzić dowzmocnienia optycznego w szkle objętościowym i w światłowodzieszklanym.Czas życia fluorescencji jest ważnym parametrem dla zastosowańpraktycznych w budowie lasera na szkle. Rodzajszkła laserowego znacznie modyfikuje czas życia fluorescencjiatomu aktywnego. Dłuższe czasy życia fluorescencji jonówaktywnych w szkle laserowym są wymagane dla sprawniejszegowykorzystania procesu pompowania optycznego.Można więcej atomów wprowadzić w stan inwersji energetycznej.W szkle laserowym występuje kilka procesów skracaniaczasu fluorescencji - gaszenia fluorescencji lubzmniejszania jej sprawności energetycznej:- samogaszenie fluorescencji występuje zależnie od koncentracjiatomów aktywnych w szkle w zakresie bardzodużych koncentracji. Proces nazywa się samogaszeniemzależnym od koncentracji. Mechanizm gaszenia fluorescencjipolega na sprzężeniu energetycznym pomiędzysąsiadującymi atomami domieszki,- przejścia energetyczne nie radiacyjne; energia stanu inwersjijest przekazywana kwantowym modom radiacyjnymsieci amorficznej szkła. Proces nazywany jest relaksacjąwielofononową. Przejścia te mają tym większą energię, imwiększa jest energia fali fononowej w szkle,- transfer energii do zanieczyszczeń i innych centrów zaburzeńquasisieci amorficznej szkła laserowego, jakjonów metali przejściowych, jonów metali używanychw procesach technologicznych szkieł (np. Pt), rezydual-τ = 1/Σ -1 i dN i /dt (7) nych grup hydroksylowych (OH - ), obecnych prawie zawszew szkłach (większość szkieł jest w mniejszym lubwiększym stopniu higroskopijna); szkła laserowe powinnybyć suche i bardzo czyste.W szkłach laserowych czas życia fluorescencji jest niezależnyw bardzo szerokim zakresie od koncentracji domieszkiaktywnej. Do pewnego poziomu, nazywanego nasyceniemkoncentracji maleje. Zjawisko nazywa się gaszeniem fluorescencjiprzez nadmiar koncentracji domieszki aktywnej. Poziomnasycenia koncentracji zależy silnie od: rodzaju atomuaktywnego domieszki w szkle oraz dla danego atomu od rodzajuszkła. Jedną z najczęściej stosowanych domieszekszkieł laserowych objętościowych i światłowodowych jest Nd.Na rysunku przedstawiono zależność czasu życia fluorescencjiod koncentracji domieszki dla różnych rodzajów szkiełlaserowych. Powyżej koncentracji nasycenia, czas życia fluorescencjimaleje wykładniczo ze wzrostem koncentracji. Ponieważczas życia fluorescencji bardzo zależy od rodzajuszkła, jego składników szkłotwórczych i modyfikatorów, domieszek,zanieczyszczeń, wilgotności (poprzez koncentracjęjonów OH - ) to wybór szkła do zastosowania lasera ma podstawoweznaczenie.Czas życia fluorescencji jonów Nd w zależności od rodzaju szkłasób wymuszony. Czas życia fluorescencji, zgodnie z prawemzaniku eksponencjalnego wynosi: N(t) =N o exp(-t/τ), gdzie: N(t)- koncentracja bieżąca atomów (molekuł) w czasie t, N o - koncentracjapoczątkowa (t = t o ) po pobudzeniu szkła. Inny sposóbwyrażenia czasu życia fluorescencji jest związanyz szybkością zaniku sumy wszystkich stanów pobudzonych:laserowego oraz koncentracji domieszki jonu aktywnego. Daneuśrednione z wielu źródeł literaturowych. Szkła krzemionkowe,fosforowe, wieloskładnikowe i ołowioweFluorescence lifetime of Nd ions in different laser glasses as afunction of dopant concentration. Data averaged from different sources.Matrix glasses: silica, phosphate, multicomponent, leadSzerokość spektralna linii absorpcjii emisji w szkle laserowymSzkło laserowe jest rozpuszczalnikiem dla jonów aktywnych.Jony aktywne w szkle znajdują się w różnych, częściowo przypadkowychmiejscach sieci. Działają na nie nieco inne lokalnepola wewnętrzne w skali mikroskopowej. Zarówno atomy jaki sieć amorficzna drgają naturalnie w kierunkach przypadkowychwzględem siebie, tym silniej im wyższa jest temperaturaośrodka. W szkle istnieją makro- i mikrogradienty temperaturyi gęstości ośrodka oraz lokalne mikroróżnice składu chemicznego.Promieniowanie emitującego atomu podlega prawuDopplera. Względna zależność energetyczna fotonu absorbowanegoi emitowanego jest funkcją szeregu parametrówszkła i jonu aktywnego, jak: układu poziomów energetycznych,rozszczepienia poziomów, szerokości poziomów, wy-ELEKTRONIKA 5/2009 111