СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ КВАНТОВЫХ СИСТЕМ В КРИСТАЛЛАХ
METHOD FOR DETERMINING THE ORIENTATION OF QUANTUM SYSTEMS IN CRYSTALS

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при разработке кристаллических оптических элементов лазерной и другой электронно-оптической техники. Более конкретно, предлагаемым методом могут быть определены свойства примесных атомов, ионов, молекул, точечных дефектов и других квантовых систем, определяющие взаимодействие кристаллической среды с внешним оптическим излучением. Эффективность такого взаимодействия зависит от ориентации содержащихся в кристаллах квантовых систем, взаимодействующих с излучением. Поэтому при разработке кристаллических оптических элементов различного назначения необходимо иметь данные об ориентации этих квантовых систем.
Известен способ определения ориентации люминесцирующих центров, в частности, в кристаллах флюорита и фтористого натрия, описанный в книге П.П. Феофилова, стр. 198-219 [Феофилов П.П. Поляризованная люминесценция атомов, молекул и кристаллов. - М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1959. - 288 с.]. Этот способ включает изготовление трех пластинок, вырезанных из кристалла параллельно кристаллографическим плоскостям (100), (110) и (111), возбуждение люминесценции исследуемых квантовых систем в этих пластинках поляризованным оптическим излучением, измерение азимутальных зависимостей степени поляризации люминесценции и определение ориентации центров по виду этих зависимостей на основании сравнения последних с расчетными зависимостями. Данный способ позволяет определять ориентацию квантовых систем в кубических кристаллах. Недостатком этого способа является невозможность его использования для определения ориентации квантовых систем в анизотропных кристаллических средах.
2
3
В работе М.Е. Спрингиса [М.Е. Спрингис. Применение метода поляризационных отношений для исследования точечных дефектов в кристаллах Δ-AlО. - Изв. АН Латв. ССР, сер. физ. и тех. наук. №4. - 1980. - С. 38-46] описан другой способ, предназначенный для определения ориентации люминесцирующих центров в анизотропных кристаллических средах. Этот способ включает изготовление исследуемого образца в форме куба с полированными гранями, при этом оптическую ось ориентируют перпендикулярно одной паре противоположных граней, производят возбуждение люминесценции поочередно вдоль трех осей четвертого порядка этого образца, регистрируют интенсивность люминесценции в направлении, перпендикулярном направлению возбуждающего излучения, и вычисляют по полученным данным величины поляризационных соотношений по формулам
yy
yz
ху
xz
где I, I, I и I - измеренные при каждом положении кристалла интенсивности люминесценции. Здесь первый индекс указывает на поляризацию возбуждающего света, второй - на поляризацию люминесценции, прошедшей через анализатор. По полученным значениям поляризационных отношений путем их сравнения с расчетными значениями определяют ориентации дипольных моментов переходов люминесцирующих квантовых систем по отношению к оптической оси кристалла. Ориентация этих дипольных моментов совпадает с ориентацией самих квантовых систем. Недостатком указанного способа является то, что с его помощью определяется только угол между направлением, вдоль которого осциллирует дипольный момент рассматриваемого перехода в квантовой системе, и направлением оптической оси кристалла. При этом угол, определяющий ориентацию проекции данного дипольного момента на плоскость, перпендикулярную оптической оси кристалла, остается неизвестным. Таким образом, описанный метод не позволяет полностью определить ориентацию квантовых систем в одноосных кристаллах.
μ
μ
Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ, основанный на измерении пространственно-периодических зависимостей интенсивности люминесценции квантовых систем в анизотропных кристаллах, описанный в книге Е.Ф. Мартыновича, стр. 150-155 [Мартынович Е.Ф. Центры окраски в лазерных кристаллах. -Иркутск: изд-во Иркут. ун-та, 2004. - 227 с.]. Для реализации данного способа вырезают кристаллический образец в форме параллелепипеда, ориентированный по отношению к кристаллографическим направлениям так, чтобы оптическая ось была перпендикулярна двум противолежащим граням, далее производят срез кристалла перпендикулярно двум боковым граням под углом 45° относительно оптической оси кристалла. Данный срез и перпендикулярную ему грань полируют. Возбуждение люминесценции производят через полированную грань перпендикулярно оптической оси кристалла, наблюдение - через полированную грань, расположенную под углом 45° относительно оптической оси. Регистрируют продольное, вдоль направления возбуждающего излучения, распределение интенсивности люминесценции, которое имеет пространственно-модулированный характер, измеряют глубину модуляции интенсивности люминесценции и по величине глубины модуляции определяют угол β, задающий ориентацию центров по отношению к оптической оси кристалла, используя теоретическую зависимость β от глубины модуляции.
Недостатком данного способа является его неоднозначность, состоящая в том, что одному значению глубины модуляции интенсивности люминесценции исследуемых квантовых систем соответствуют две различные ориентации квантовых систем по отношению к оптической оси. Кроме того, данный способ, как и описанный выше способ по Спрингису, не позволяет определить полную ориентацию квантовой системы в кристалле. Он тоже дает значение угла ориентации квантовой системы лишь относительно оптической оси кристалла.
μ
μ
Задачей данного изобретения является разработка способа однозначного измерения полной ориентации люминесцирующих квантовых систем в одноосных кристаллах по глубине пространственной модуляции интенсивности люминесценции. Таким образом, предлагаемый способ должен обеспечить измерение угла β ориентации квантовых систем относительно оптической оси кристалла, а также направление проекции этой ориентации на плоскости, перпендикулярной оптической оси. Данная ориентация ниже в тексте задана как угол η между осью X введенной системы координат и указанным направлением проекции. Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к устранению неоднозначности результатов измерений, присущей прототипу, а также к возможности полного определения ориентации квантовых систем.
Поставленная задача решается тем, что предлагается способ определения ориентации квантовых систем в кристаллах.
Он включает ряд признаков, общих с вышеописанным прототипом. Как в известном способе, так и в предлагаемом вырезают кристаллический образец с заданной ориентацией оптической оси. Возбуждение фотолюминесценции производят излучением, волновой вектор которого ориентирован перпендикулярно оптической оси кристалла. Регистрируют продольное, вдоль направления возбуждающего излучения, распределение интенсивности люминесценции, которое имеет пространственно-модулированный характер, измеряют глубину модуляции интенсивности люминесценции.
Технический результат достигается введением новых существенных признаков, а именно:
- выбором направления наблюдения люминесценции перпендикулярно оптической оси и волновому вектору одновременно;
- дополнительной операцией вращения образца относительно оптической оси в ходе измерения глубины модуляции;
- нахождением положения образца, в котором глубина модуляции становится равной нулю, такое положение соответствует ориентации по направлению волнового вектора проекции одного из дипольных моментов квантовых переходов на плоскость, перпендикулярную оптической оси;
- фиксацией направления проекции этого дипольного момента квантового перехода меткой на образце;
- определением ориентаций проекций других дипольных моментов с учетом порядка единичной оси симметрии исследуемого кристалла;
- последующим поворотом образца в положение, соответствующее максимальному значению глубины модуляции регистрируемой люминесценции;
- измерением в этом положении зависимости глубины модуляции от угла между оптической осью кристалла и направлением электрического вектора линейно поляризованного возбуждающего излучения;
- нахождением величины угла, соответствующего максимуму этой зависимости;
μ
- нахождением по величине этого угла с помощью градуировочного графика, полученного расчетным путем, угла β ориентации квантовых систем по отношению к оптической оси кристалла.
Таким образом, совокупность этих новых признаков в сочетании с известными признаками, присущими прототипу, позволяет полностью и однозначно определить ориентацию квантовых систем в одноосных кристаллических средах.
μ
μ
μ
μ
E
μ
На Фиг. 1 показана схема устройства, с помощью которого реализуют предложенный способ определения ориентации квантовых систем в кристаллах; на Фиг. 2 - взаимная ориентация оптической оси кристалла и направления электрического вектора возбуждающего излучения на входной поверхности линзы 5; на Фиг. 3 - ориентации дипольных моментов переходов, характерные для одноосных кристаллов тригональной сингонии; на Фиг. 4 - взаимная ориентация углов, характеризующих ориентацию дипольных моментов перехода квантовых систем, где β - угол между направлением, вдоль которого осциллирует дипольный момент рассматриваемого перехода в квантовой системе, и направлением оптической оси кристалла, а η - угол, определяющий ориентацию проекции данного дипольного момента на плоскость XY, перпендикулярную оптической оси кристалла; на Фиг. 5 - зависимость глубины модуляции интенсивности люминесценции от угла η при различных ориентациях β; на Фиг. 6 - проекции векторов дипольных моментов переходов на плоскость XY; на Фиг. 7 - градуировочный график; на Фиг. 8 - семейство кривых, отображающих зависимость глубины модуляции интенсивности люминесценции m от угла ориентации β при различных значениях угла β.
E
Пример 1. Предлагаемый способ может быть реализован на примере определения ориентации центров окраски в одноосных кристаллах тригональной сингонии с радиационно наведенными центрами окраски или примесными центрами. Схема установки представлена на Фиг. 1. Из кристалла вырезают образец 1 в форме полированного цилиндра, в котором оптическая ось направлена вдоль образующей цилиндра. Боковую поверхность цилиндра используют для ввода лазерного излучения, а также вывода и регистрации люминесцентного излучения. Люминесценцию возбуждают через боковую поверхность образца перпендикулярно оптической оси кристалла с помощью лазера 2, электрический вектор β ориентирован под углом 45° относительно оптической оси кристалла (Фиг. 2). Возбуждаемую этим лазером люминесценцию через боковую поверхность цилиндра регистрируют оптическим микроскопом 3 (Фиг. 1) в направлении, перпендикулярном направлению возбуждающего излучения и оптической оси кристалла, с использованием спектрального фильтра 4, выделяющего люминесценцию исследуемого центра окраски. Для того чтобы волновой фронт при прохождении через цилиндрическую поверхность образца не искажался, используют специальные цилиндрические плоско-вогнутые линзы 5 и 6, выполненные на основе того же материала, что и исследуемый образец. Размер линзы 5 должен быть достаточным для ввода через нее возбуждающего излучения, размер линзы 6 должен быть достаточным для регистрации люминесцирующего канала в образце, вогнутая поверхность линз должна повторять форму боковой поверхности исследуемого цилиндрического образца. Оптическую ось в линзах 5, 6 ориентируют так же, как и в исследуемом образце. Изображение возбужденного лазерным излучением люминесцентного канала в образце 1 формируется микроскопом 3 на его фотоприемной матрице с пространственным разрешением, достаточным для отображения пространственной модуляции интенсивности люминесценции, переправляется в память компьютера 7 и отображается на его экране.
E
μ
μ
E
μ
μ
μ
μ
Любая возможная ориентация дипольных моментов переходов в кристаллах, имеющих единичную ось симметрии третьего порядка (оптическая ось), будет размножена до 3-х (Фиг. 3). Глубина модуляции интенсивности люминесценции каждого типа квантовых систем в кристалле будет определяться ориентацией векторов дипольных моментов переходов в кристалле (Фиг. 4), а также будет зависеть от таких параметров, как направления возбуждения и наблюдения люминесценции и ориентация электрического вектора возбуждающего излучения (β). Рассмотрим зависимость глубины модуляции интенсивности люминесценции от угла η при различных ориентациях β (Фиг.5). Из данного семейства графиков, полученных расчетным путем для случая возбуждения люминесценции вдоль оси Y и наблюдения вдоль оси X с ориентацией электрического вектора под углом β=45° относительно оптической оси (Фиг. 2), мы видим, что общее поведение глубины модуляции интенсивности люминесценции с изменением угла η одинаково при различных ориентациях β: начиная с точки 30° с периодом 60° значение глубины модуляции m во всех случаях достигает нуля, начиная с точки 0° с периодом 60° значение глубины модуляции m во всех случаях достигает максимума (интенсивность которого в значительной мере зависит от величины угла β). Здесь положения нуля глубины модуляции люминесценции будут соответствовать случаю, когда один из векторов дипольных моментов перехода будет совпадать с осью Y - направлением волнового вектора возбуждающего излучения (Фиг. 6). Эта особенность используется для однозначного определения угла ориентации η изучаемых квантовых систем. Для этого в описанной схеме при остальных фиксированных параметрах вращают исследуемый цилиндр до тех пор, пока не достигают положения, в котором отсутствует пространственно-периодические изменения интенсивности люминесценции интересующих нас квантовых систем (иначе говоря, наблюдается непрерывный люминесцирующий канал). В этом положении проекция одного из векторов дипольного момента переходов совпадает с осью Y, вдоль которой направлено возбуждающее излучение. Это положение фиксируют на образце.
μ
μ
μ
E
E
Emax
μ
E
Еmax
μ
Emax
Следующий этап эксперимента - определение угла ориентации β. Исследуемый цилиндр ориентируют так, чтобы угол ориентации проекции дипольного момента перехода η либо совпадал с направлением наблюдения люминесценции (η=0), либо был равен 60°, так как данные ориентации соответствуют максимальной глубине пространственной модуляции (Фиг. 5). Сориентировав образец, с помощью компьютера и соответствующего программного обеспечения измеряют глубину модуляции интенсивности люминесценции. Повторяя такие измерения для разных значений угла β между электрическим вектором и оптической осью, строят зависимость глубины модуляции от угла β. Далее находят значение угла β, соответствующего максимуму этой зависимости, и по величине этого угла, используя градуировочный график (Фиг. 7), предварительно рассчитанный для исследуемого кристалла с учетом его симметрии, определяют угол β, характеризующий ориентацию изучаемых центров окраски по отношению к оптической оси. Для построения градуировочного графика рассчитывают семейство зависимостей глубины модуляции интенсивности люминесценции от угла β (Фиг. 8). Для каждой зависимости этого семейства находят значение угла β, соответствующее точке максимума, как показано на Фиг. 8. Затем строят градуировочный график (Фиг. 7), связывающий значения β, показанные на Фиг. 8, и β.
μ
Как следует из градуировочного графика, каждому значению угла Реши соответствует единственное значение измеряемой величины - угла β, определяющего ориентацию квантовых систем. Таким образом, устраняется неоднозначность в определении угла ориентации, присущая прототипу, а также определен не только угол между направлением, вдоль которого осциллирует дипольный момент рассматриваемого перехода в квантовой системе, и направлением оптической оси кристалла, но и угол, определяющий ориентацию проекции данного дипольного момента на плоскость, перпендикулярную оптической оси кристалла. Следовательно, цель данного изобретения достигнута.
Пример 2. В этом примере исследуемый образец выполнен в форме шара. Его устанавливают в измерительную установку, показанную на Фиг. 1, таким образом, чтобы оптическая ось была ориентирована так же, как и в вышеописанном примере. Линзы 5 и 6 заменяют на плоско-вогнутые сферические. В остальном процедура измерения повторяет процедуру описанного выше варианта предлагаемого способа.