Исследование спектров и кинетики люминесценции кристалла

Внедрение: 2015 г.

Одной из самых актуальных задач в медицине и биологии на сегодняшний день является поиск новых люминесцирующих агентов для решения задач биовизуализации и ранней диагностики заболеваний.

В контексте этой глобальной задачи в Казанском федеральном университете на кафедре квантовой электроники и радиоспектроскопии защищена работа [1], посвящённая изучению люминесцентных свойств ионов: Ho³⁺ в монокристалле LiYbF₄ для возможного использования этой системы в качестве преобразователя инфракрасного (ИК) излучения в видимое излучение и влияния концентрации ионов Ho³⁺ на эффективность этого преобразования.

На рисунке 1 показана схема экспериментальной установки для регистрации спектров пропускания, спектров и кинетики люминесценции с применением модуля АЦП E20‑10.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: LDD 10 – драйвер ИК ЛД; ЗМР‑3 – призменный монохроматор; StellarNet – спектрометр на ПЗС матрице; Е20‑10 – 14‑ти разрядный быстродействующий четырехканальный аналого-цифровой преобразователь L‑Card E20‑10 с максимальной частотой опроса 10 МГц.

Источником излучения при записи спектров поглощения служила лампа SL5. Люминесценция возбуждалась излучением полупроводникового лазерного диода с мощностью 0,1-2 Вт и λ=935 нм. Спектры регистрировались спектрометром фирмы Stellar Net (спектральное разрешение 0,5 нм). Кинетика люминесценции регистрировалась спектрометром на базе призменного монохроматора ЗМР‑3 (спектральное разрешение 0,2÷0,5 нм), ФЭУ‑79, ФЭУ‑62, ФЭУ‑39 и модуля АЦП L‑Card E20‑10. Излучение полупроводникового лазерного диода модулировалось прямоугольными импульсами длительностью 0,08-90 мс с частотой 10‑100 Гц. Все исследования проводились при температуре 300 K.

Изучены спектры и кинетика люминесценции кристаллов LiYb_1-хHo_хF₄, где х=0,2÷5 ат.%. Кристаллы выращены методом Бриджмена-Стокбаргера в лаборатории роста кристаллов Казанского федерального университета Кораблевой С.Л. Образцы были вырезаны в виде параллелепипеда со сторонами ~5х2х3 мм и ориентированы так, чтобы оптическая ось С была параллельна одной из его плоскостей (рисунок 2).

Рисунок 2. Фотография кристалла LiYbF₄:Ho³⁺ на медной подложке с отверстием.

Поскольку лазерное излучение полупроводникового лазерного диода поляризовано, устанавливалась взаимная ориентация оптической оси кристалла и плоскости поляризации излучения лазерного диода (рисунок 3).

Рисунок 3. Способы взаимной ориентации оптической оси кристалла С и плоскости поляризации излучения лазерного диода, E_LED — плоскость поляризации лазерного диода.

В спектрах поглощения и люминесценции монокристалла LiYbF₄:Ho³⁺ проявляются линии, обусловленные ионами Ho³⁺ и Yb³⁺. Фрагменты этих спектров ионов Ho³⁺ (переходы: ⁵S₂+⁵F₄↔⁵I₈, ⁵F₅↔⁵I₈) и ионов Yb³⁺(²F_7/2↔²F_5/2) показаны на рисунке 4.

Рисунок 4. Спектры кристаллов LiYbF₄:Ho³⁺ (0,2% и 5%) при 300 К: поглощения ионов Ho³⁺ – (a); поглощения и люминесценции ионов Ho³⁺ – (b); люминесценции ионов Yb³⁺ – (c).

Для изучения кинетических особенностей люминесценции кристаллов LiYbF₄:Ho³⁺ излучение полупроводникового лазерного диода модулировалось прямоугольными импульсами. Их длительность и частота подбиралась в соответствии временам жизни возбужденных состояний, с которых наблюдалась люминесценция. Применение возбуждающего излучения в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов позволяет выявить динамику процессов заселения и распада возбужденных энергетических уровней.

На рисунке 5 представлена зависимость кинетики люминесценции ионов Ho³⁺ (0,2% и 5%) с возбужденного энергетического уровня ⁵F₅ (переход ⁵F₅→⁵I₈ , λ_люм=659 нм) от частоты и длительности импульсов возбуждения.

Рисунок 5. Кинетика люминесценции ионов Ho³⁺(⁵F₅→⁵I₈ , λ_люм=659 нм) в кристалле LiYbF₄Ho³⁺ при возбуждении излучением лазерного диода с λ_ЛД=934 нм; Р_ЛД=1,108 Вт: а) 0,2%; f_мод=33,3 Гц; b) 5%; f_мод=33,3 Гц; c) 5%; f_мод=10 Гц.

Полностью с этой работой и научными выводами можно познакомиться, обратившись к источнику.

Источник:

Козюров А.Д. Ап‑конверсионная люминесценция монокристалла LiYbF₄:Ho³⁺. – Казань. – 2015. – 31 с.

Разработчик: Козюров А.Д. (Казанский (Приволжский) федеральный университет)