Кооперативная люминесценция. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Кооперативная люминесценция - люминесценция ,возникающая при передаче энергии от двух или более центров, поглотивших кванты возбуждающего оптич. излучения, одному центру люминесценции. К. л. является одним из видов антистоксовой люминесценции и позволяет преобразовывать более длинноволновое (обычно ИК) излучение в более коротковолновое (напр., в видимый свет). Она обнаружена экспериментально П. П. Феофиловым и В. В. Овсянкиным (1966) и одновременно и независимо Ф. Очелем (Ph. Auselle) (на разл. кристаллах с трёхвалентными редкоземельными ионами).

К. л. наблюдается при оптич. возбуждении особых, т. н. кооперативных, люминофоров. Специально подобранные пары редкоземельных ионов (Yb³⁺ и Еr³⁺; Yb³⁺ и Но³⁺; Yb³⁺ и Tm³⁺ ; Yb³⁺ и Tb³⁺ и др.). один из к-рых служит сенсибилизатором (обычно Yb³⁺ ), а другой - активатором, внедряются в кристаллич. матрицы и стёкла. При возбуждении люминофора ИК-излучением в ближней ИК-области спектра (узкие полосы с длиной волны 0,9

1,1 мкм и 1,4

1,6 мкм) возникает свечение в красной, зелёной и даже синей областях спектра. К. л. (менее эффективная) наблюдается и в отсутствие ионов сенсибилизатора.

Перенос энергии от одного или более возбуждённых оптич. центров к аккумулирующему центру осуществляется путём резонансной миграции энергии. Увеличение интенсивности возбуждения обычно приводит к росту эффективности К. л. т], типичные значения к-рой достигают 0,1 - 1% (для лучших совр. кооперативных люминофоров YOC1: Yb³⁺ , Er³⁺ и NaYF₄: Yb³⁺, Er³⁺) при плотности возбуждения I

Вт/см². Однако при более высоких I величина

стремится к предельным значениям, составляющим 10-20%.

Эти нелинейные свойства К. л. хорошо описываются кинетич. ур-ниями детального баланса для концентраций возбуждённых ионов с учётом вероятностей разл. процессов их возбуждения и релаксации. Взаимосвязь вероятностей прямых и обратных процессов (напр., коэф. поглощения возбуждающего излучения и времён жизни возбуждённых состояний) принципиально ограничивают величину h). Дополнит. потери энергии возникают из-за внутрицентровой многофононной релаксации, приводящей к существ. уменьшению энергии квантов свечения по сравнению с удвоенной (или утроенной) энергией квантов возбуждающего излучения. Сложная система уровней энергии редкоземельных ионов и участие фононов решётки в процессе переноса электронного возбуждения приводят к сосуществованию разл. каналов кооперации и релаксации электронных возбуждений, относит. вклад каждого из них сильно зависит от параметров решётки, концентрации рабочих ионов и температуры, поэтому детальное объяснение механизма К. л. встречает существ. трудности.

Кинетика послесвечения (в т. ч. нач. разгорание свечения после прекращения возбуждения), сверхлинейная зависимость яркости свечения от концентрации рабочих ионов (при малых её значениях), а также тонкая структура спектров возбуждения позволяют однозначно отделить К. л. от рассмотренного (1959) Н. Бломбергеном (N. Blombergen) и независимо Дж. Вебером (J. Weber) менее эффективного процесса последоват. поглощения неск. квантов в одном и том же центре свечения (квантовые счётчики). Вместе с тем возможны разл. механизмы К. л., а именно: последовательная сенсибилизация, т. е. последовательный перенос энергии от двух или более оптич. центров (обычно ионов сенсибилизатора) к иону активатора; кооперативная сенсибилизация, т. е. одноврем. передача энергии от двух или более центров одному центру; кооперативное испускание одного кванта двумя или более ионами (напр., двумя ионами Yb³⁺ ), к-рые с учётом их взаимодействия образуют единую квантовомеханич. систему. Все три механизма наблюдаются на опыте, но макс. эффективность преобразования обеспечивают лишь люминофоры с последовательной сенсибилизацией. Иногда под К. л. подр8азумевают только люминесценцию, идущую по третьему механизму.

Слои из поликристаллич. кооперативных люминофоров используют для изготовления светодиодов с видимым свечением на основе GaAs : Si диодов с высокой эффективностью ИК-излучения (в области 0,9

1,0 мкм), а также для приготовления экранов, визуализирующих поля излучения нек-рых ИК-лазеров (в т. ч. ИАГ: Nd³⁺ ).

Литература по кооперативной люминесценции

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.