Способ голографической спектроскопии твердого тела

 

Изобретение относится к спектроскопии твердого тела, а именно.к голографической спектроскопии, и может найти применение в квантовой электронике для создания активных сред лазеров с перестраиваемой частотой излучения . Цель изобретения - повышение точности опредапения концентрации центров окраски и разрешающей способности и расширение спектральной области исследования. Способ осуществляют следующим образом. Записывают объемную амплитудно-фазовую голограмму в твердом теле,, содержащем центры окраски, определяют отношение интенсивности в первом порядке дифракции и интенсивности света, прошедшего через образец под углом дифракции, определяют зависимость этого отношения от длины волны восстанавливающего света, по которым судят о концентрации и физических свойствах исследуемого образца. 2 ил. й

СОЮЗ СОВЕТСНИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 21/39 С 03 Н 1/СО

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ фав1

ОЪ

4ь

На фиг. 1 приведена схема, с помощью которой может быть реализован предлагаемый способ," на фиг. 2

СЮ спектры поглощения.

Луч 1 лазера (например, гелий-кадмиевого) с помощью светоделителя 2 делится на два луча 3 и 4 одинаковой интенсивности, которые с помощью зеркал 5 — 7 падают на образец 8 под одинаковым углом, Длина пути лучей оди- Ъ. иакова. Наличие четирехзеркальнои схемы позволяет добиться точного совпадения волновых фронтов интераерирующих лучеи, Голографические спектры измеряют с помощью луча 9 от монохроГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4669122/25 (22) 30.03.89 (46) 15.04.91. Вюл. Р 14 (71) Ковровский филиал Владимирского политехнического института (72) А.Н. Кравец (53) 772.99(088.8) (56) Кравец А,Н. Запись голограмм на

К-центрах в кристаллах NaC1 Са, — Оптика и спектроскопия, 1979, т. ч6, вып. 3, с. 616-617.

Кравец A.Н., åðåçèH П.Д. Дифракционная эафективность голограмм на кристаллах ИаС1-Са. — Оптика и спектроскопия, 1976, т. 41, вып, ч, с. 634-636. (5ч) GIOCOb ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ CIII. КТРОСКОIIИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА (э7) Изобретение относится к спектроИзобретение относится к спектроскопии твердого тела, а именно к голографическои спектроскопии, и может найти применение в квантовой электронике для создания активных сред лазеров с перестраиваемой частотой излучения, пассивных лазерных затворов для модуляции добротности и синхронизации мод, при изготовлении шотохромных материалов для голографии.

Целью изобретения является повышение точности определения концентрации центров окраски и разрешающей способности и расширение спектральной области исследования.

ÄÄSUÄÄ 1642331 А 1 скопин твердого тела, а именно к голографической спектроскопии, и может найти применение в квантовой электронике для создания активных сред лазеров с перестраиваемой частотой излучения. Цель изобретения — повышение точ— ности определения концентрации центров окраски и разрешающей способности и расширение спектральной области исследования. Способ осуществляют следующим образом. Записывают объемную амплитудно-фазовую голограмму в твердом теле, содержащем центры окраски, определяют отношение интенсивности в первом порядке дифракции и интенсивности света, прошедшего через образец под углом дифракции, определяют зависимость этого отношения от длины волны восстанавливающего света, по которым судят о концентрации и физических С свойствах исследуемого образца. 2 ил.

1642331

-рх

I= I e

40 где x=d/Cos 8 и — путь луча в образце; глубина окрашенного слоя;

8 — угол падения луча в 45 образце, связанный с углом падения в воздухе, Sin8< =n Sin9 .

Если толщина голограммы совпадает с глубиной окрашенного слоя, а ее диаметр больше 2dtgg, то согласно ((® = Т /I î,,где ?о, Ig — и сивности света падающего излучения и дифрагированного в первом порядке дифракции, можно найти "приведенное

15 значение дифракционной эффективности (ДЭ): и(%)=" (Я) е =I /I=sh P, +Sin Ц г, (2)

G матора или вспомогательного лазера.

Интенсивность света в первом дифракционном максимуме 1 измеряют с поФ мощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). 10 и электронного регистрирующе5

ro устройства 11 как в процессе записи голограммы, так и после прекращения ее. Интенсивность I света, проходящего через образец под углом дифрак- 0 ции, измеряют с помощью ФЭУ 12, а интенсивность падающего света 1ь — с помощью светоделителя 13, ФЭУ 14 и регистрирующего устройства 15. Для ис- ключения фоновой засветки перед ФЭУ помещают коллиматор 16. Линейность режима работы ФЭУ и регистрирующих устройств проверяют с помощью нейтральных фильтров с известным пропусканием. 20

Образец Я содержит центры окраски, которые испытывают фототермические превращения под действием лучеи 3 и

4, или же центры окраски образуются в образце в процессе записи голограм- 25 мы, Возникающая вследствие интерферен iJHH лучей 3 и 4 пространственно-пе— р-лодическая освещенность образца при. водит к значительным градиентам концентрации точечных дефектов, пространственной модуляции коэффициента поглощения и показателя преломления в голограмме.

Интенсивность луча 9 выбирают такой, чтобы его воздействие на центры.окраски было несущественно по сравнению с лучами 3 и 4.

11о закону Бугера-Ламберта где ф, Ц)г, Q определяют по следующим формулам: ф = Pd/4 cos 8; (юг = Тп„й/g cos 6;

= pg d/cosg; (3) (4) (5) n, — амплитуды модуляции коэффи1 циентов поглощения и преломления;

d — толщина голограммы; 11 — длина волны света, восстанавливающего голограмму;

0 — угол падения света при условии ьрэгга

Sin 9 = /2Л = —, — sin g,, (6) ф где и1 (Ъ) — приведенная ДЭ амплитудной голограммы; иг(и)

=sin g =0 0 — приведенная ДЭ фазовой roг ло rp аммы, На полуширине полосы поглощения п = max; u < = шах и, как правило, u >p и, поэтому u u г = sin Ö .

Таким образом, каждой полосе поглощения соответствуют три максимума в голографическом спектре, измеряемом по предлагаемому способу. Центральный совпадающий с максимумом полосы поглощения, обусловлен модуляцией коэф-! фициента поглощения. Два других, сов,падающие с полушириной полосы поглоще ния, обусловлены модуляциеи показателя преломления в голограмме.

Пример, Измеряют голографический спектр кристалла NaCI-Са, окрашен ного аддитивно. Голограмму записывают сходящимися лучами Не-Cd лазера ЛГ-31 (ф = 441,6 нм) по схеме, приведенной .на фиг,1. Хемпература кристалла при

) о

4 записи голограммы 350 — 400 С. Ее стабиизируют с погрешностью 1 С. При запи! !

rpe Ц вЂ” пространственный период голографической решетки /1

= ф,/2sing,;

9 — длина волны излучения лазера, осуществляющего запись голограммы лучами, сходящимися в образце под углом 2 g

В максимуме полосы поглошения, cor1 ласно дисперсионным соотношениям, амплитуда модуляции пока:зателя преломления п = О, поэтому Ц г = 0; = 0;

u(Q) = и (Q)=sh g, = g, е

1642131 (8) У = 2,3 D/d;. си голограммы в качестве зондирующего луча используют луч лазера на ЛИГ-Мд с непрерывной накачкой (ф-= 1064 нм), который падает на образец под углом, З соответствующим условию (5) . Еro интенсивность выбирают такои, чтобы влияние;на запись голограммы было несущественным. При достижении максимального значения величины u = I /I ip ,) 1 измеряемой с помощью ФЭУ 10, 12 и электронного устройства 11, кристалл ох— лаждают до комнатной температуры, закрепляют на столике гониометра и измеряют зависимостью и(Я) в спектральной 15 области, выходящей за пределы полосы поглощения, на которую приходится длина излучения лазера, осуществляющего запись голограммы, При изменении Я изменяют угол падения луча на образец согласно условию (6).

На фиг. 2 приведены: спектр поглощения кристалла в голограмме (кривая

17), голографический спектр, измерен— ный по прототипу (кривая 18), и голо,графический спектр, измеренный по предлагаемому способу (кривая 19) . Их измеряли с помощью спектрофотометра, ФЭУ и электронной измерительной схемы.

С помощью гониометра для каждого 30 значения ф фиксировали значение угла 8 из условия (6), при котором ин-. тенсивность света в первом порядке дифракции I = max, и измеряли отношение ее к интенсивности св та, прошедшего через образец под этим же углом u = I /I (фиг. 1).

Пластинки кристалла размером

10х15х1 мм выкалывали из монокрис- щ талла, выращенного из расплава и окрашенного в парах щелочного металла °

Концентрация капьция в кристаллах составляла 0,47 вес.%. Ге определяли с помощью пламенного фотометра. "Перкин- 45

Эльмер", Средняя глубина окрашенного слоя в кристалле d =- 920 мкм, Исходная концентрация F-центров составляла

3,8 ° 10 см . Ее вычисляли по формуле Смакулы-Декстера 50 о

p — коэффициент поглощения в максимуме

F-полосы, 0 — оптическая плотность в максимуме Е-полосы поглошения (h p

= 465 нм), измеряемая спектрофотсметром.

На фиг. 2 стрелками указаны положения максимумов Х-, F- М-, К-, М-, % полос поглощения, измеренные данным способом, 31, Я вЂ” дЛины волн записывающего и зондирующего лучей соответственно. В голограмме среднее значение концентрации à †центр составляло

2,6 10 см . При угле 81 = 7 пространственный период голограсрической рР щетки Л- = 1,81 мкм, Для Я = 1064 ни угол дифракции 8 = 17,6, Полуширина кривой угловой селекции голограммы, охлажденной до 24 С, составляла 2691, †вЂ

-I — 6,75, а ее толщина d=A/2Ь 9< =

920 мкм совпадала с глубиной окрашенного слоя кристалла. Полуширина . кривой зависимости ДЭ от, где отклонение от условия Брэгга (b), составляла

2И1у = A (A/d) С О = б,б мм. (9) При измерении голографических спектров ширину щели монохроматора брали такой, чтобы Ь Я 26/1, „. Дпя того чтобы расходимость луча монохроматора была равна Q 8 26 0 1, применяли специальную оптическую на-. садку.

Таким образом, формула (9) позволяет оценить разрешающую способность голографической спектроскопии по предлагаемому способу, которая возрастает при уменьшении расходимости зондирующего луча и повышении его монохроматичности.

В соответствии с формулой ВульфаБрэгга

2ЛЬ и gi = Я„ (10) п = 0,87 10

17 по w 4 — — — (7) (по +2) где n = 1,56

0,50 В

f =0,6 показатель преломления неокрашенного 55 кристалла для света

F-полосы; полуширина Г-полосы; сила осциллятора; для каждого значения Я наблюдают несколько максимумов функции ц(Я) при различных значениях 8;, i=1,2,3....

Таким образом, на каждом образце наблюдают серию голографических спектров, соответствующих различным порядком дифракции.

1642331

В аддитивно окрашенных щелочно-галоидных кристаллах запись голограмм на Р-центрах сопровождается следующими фототермическими реакциями, при5 водящими к коагуляции электронных центров окраски: F+h) F — v + е, Ф + + О

F+v -+ Р,2, Р +е F<, Рг+ v + — Р

F +e Fg, F + е — F, Р +e F

+v< Fg Р2+ а Р H ° p ° 10

31егирование кристалла щелочно-земельным металлом приводит к оЬразованию Z-центров; Са v + v - "a ч ч+

2+ — + Са v vz + е — Са гс. F= Х, гд»

F " "— Р— центр в возбужденном состоя15 нии, е — электрон; v — анионная ваканй сия; v — катионная вакансия, остальное — соответствующие центры, Вероятности указанных реакций зависят от температуры кристалла и стабильности соответствующих центров окраски.

Из приведенных на фиг, 2 спектров поглощения (кривая 17) надежно выделяют только Р-полосу поглощения, а по. лосы поглощения других центров окрас- 25 ки выделить невозможно из-за их сильного перекрытия ° . !

"олографический спектр„. снятый по р тотипу (кривая 18), выделяет Р-полосу поглощения лишь качественно, 30 т.к. максимумы (ф) не совпадают с полушириной F-полосы, а другие полосы не выделяются из-за существенного поглощения в голограмме, влияющего на величину g (Я) согласно формулам (Я, 35 (8) и отражения света от поверхности образца.

Голографический спектр, снятый по предлагаемому способу (кривая 19), позволяет выделить не только отдель- 40 ные полосы поглощения, но и количественно определить их полуширину и положение максимума поглощения. Это обусловлено тем, что, согласно формулам (3), (4), (2), измеряемая функция 45

u(A) зависит только от амплитуд модуляции коэффициентов поглощения и преломления в голограмме, которые достигают наибольшего значения в максимуме полосы поглощения и на ее полуширине соответственно. Поэтому глубина их модуляции значительно сильнее зависит от ф, чем среднее значение 11 в голограмме.

В таблице приведены значения полуширины (W) полос поглощения и положения их максимумов (ф ), измеренные по представленным на фиг. 2 спектрам поглощения (N -1), по прототипу (Р2), по предлагаемому способу (ФЗ), согласно литературным данным (К -4) .

Таким образом, из приведенных примеров следует, что предлагаемый способ имеет следующие преимущества перед.прототипом.

Предлагаемый способ позволяет более точно определить полуширину полос поглощения и положение их максимумов, а следовательно, и концентрацию центров окраски, Это обусловлено тем, что измеряют зависимость от длины волны величины и() = I /I, а не (ф) = ? /Ig где Iy — интенсивность света в первом порядке дифракции; I — интенсивность света, прошедшего через образец под углом дифракции; Т вЂ” интенсивность света, падаю;щего на образец. Поэтому в голографиl ческом спектре, измеряемом по предлагаемому способу, каждой полосе поглощения соответствуют три максимума: центральный, совпадающий с максимумом полосы поглощения и оЬусловленный модуляцией оптической плотности в голограмме, и два боковых, совпадающих с полушириной полосы поглощения и обусловленных модуляцией показателя преломления. В прототипе центральный максимум не наблюдается, а боковые смещены ввиду значительного поглощения света в голограмме, определяемого множителем е . В данном способе влияние этого множителя устранено согласно формуле (2).

Предлагаемый способ имеет более широкие рункциональные возможности, т.к. позволяет целенаправленно изменять оптические и голографические свойства образца, достигая максимального значения u(Q) в области спектра, представляющей наибольший интерес, нап например с целью дальнейшего использования голограммы как пассивного модулятора добротности резонатора лазера.

Это обусловлено тем, что функцию u(Q) измеряют в спектральной области, выходящей за пределы полосы поглощения центров окраски, на которую приходится длина волны излучения Лазера, осуществляющего запись голограммы. В прототипе это невозможно ввиду более низкой разрешающей способности.

Предлагаемый способ имеет преимущества и перед традиционным спектральным анализом вещества в тех случаях, когда из спектров поглощения невозможно или затруднительно выделить отдель-, 10

31 нм эв нм эв

T нм эв км эв нм эв км эв

630 — 830 — 975

0,50 725

0 50 725

0,47 728

1 465

2 460

3 465

4 465

0 18 560

0,16 565

820 О, 22 965

837

0,21

0,21 640

660

16423 ные полосы поглощения. Это обусловлено тем, что каждой полосе поглощения соответствуют три максимума в голографическом спектре. Кроме того, одному спектру поглощения соответствуют несколько голографических спектров в различных порядках дифракции,. согласно условию (10). 11оэтому данный способ позволяет в ряде случае повысить точ,ность абсорбционного спектрального анализа вещества вследствие более точного разделения полос поглощения, определения их полуширины и положения максимума поглощения. Это дает возможность более достоверно исследовать механизмы различных фототермических реакций, происходящих в образце, а следовательно, целенаправленно изменять его оптические и голографические своиства. 11ри понижении температуры образца разрешение голографических спектров, как и спектров поглощения, увеличивается.

Так как голографическая решетка является поляризационно чувствительным элементом, то можно избирательно повысить ее )13 в спектральной области поглощения центров окраски, ориентированных вдоль определенного кристалло- 30 графического направления, например, F<-центров, ориентированных вдоль (110 1. Для этого вектор напряженности электрического,. поля световои волны и интерфер енционкые полосы ори ен тир уют при записи. голограммы вдоль направления 1 10 1, формула изобретения

Способ голографической сне ктр ос копии. твердого тела, содержащего центры окраски, включающий образование в кем объемной амплитудно-фазовой голограммы и восстановление ее монохроматическим светом, измерение интенсивности в первом порядке дифракции, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения концентрации центров окраски и разрешающеи способности и расширения спектральной области исследования свойтв образца, измеряют интенсивность света, прошедшего через образец под уг— лом дифракции, определяют отношение интенсивности в первом порядке дифракции к интенсивности света, прошедшего через образец под углом дифракции, и зависимость этого отношения от длины волны света, восстакавливающего голограмму, в спектральной области, выходящеи за пределы полосы поглощения центров окраски, на которую приходится длина волны излученич лазера, осуществляющего запись голограммы, по которым судят о концентрации и физических свойствах исследуемого образца. g F>1 И 4 Z 4

1642331

3 25

20 18 1b

12 га

0В

500

Яа Л,ум

Составитель E. Халатова

Техред Л.Олийнык Корректор M. Максимишинец

Р едактор М. Цит кина

Тираж 414

Заказ 1142

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 .

Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Дог. 1

5uz. Г