Виды люминесценции и ее применение в технике

Люминесценцией считается излучение, избыточное над тепловым излучением тела, и имеющее длительность, прерывающую период световых колебаний. Люминесценция возникает при возбуждении вещества за счет притока энергии, и, в отличие от других видов «холодного» свечения, продолжается в течениеи некоторого времени после прекращения возбуждения.

По продолжительности после свечения выделяют флуоресценцию (менее 10 с) и фосфоресценцию; последнее продолжается в заметный промежуток времени после снятия возбуждения (от 10 с до нескольких часов).

Способностью люминесцировать обладает большая группа газообразных, жидких и твердых веществ, как органических, так и неорганических (люминофоров). Характер процесса люминесценции существенным образом зависит от агрегатного состояния вещества и типа возбуждения.

Люминофоры являются своеобразными преобразователями энергии из одного вида в другой. На входе это может быть энергия электромагнитного излучения, энергия ускоренного оттока частиц, энергия химических реакций или механическая энергия, — любой вид энергии, кроме тепловой, на выходе — световое излучение. Отдельные атомы и молекулы люминофора, поглощая один из этих видов энергии, возбуждаются, т. е. переходят на более высокие энергетические уровни по сравнению с равновесным состоянием и затем самопроизвольно совершают обратный переход, излучая избыток энергии в виде света. Способ возбуждения лежит в основе классификации различных видов люминесценции.

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, ВОЗБУЖДАЕМАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Электрохимолюминесценция — люминесценция специальных жидких люминофоров в электрическом поле.

Применение: в индикаторных устройствах, можно создать светящиеся буквы, цифры.

Фотолюминесценция — свечение, возникающее при поглощении люминофором ИК видимого или УФ-излучения. Спектр поглощения и излучения люминофоров связаны правилом Стокса-Люмиаля, согласно которому максимум спектра излучения смещен по отношению к максимуму спектра поглощения в сторону длинных волн (например, при облучении ультрафиолетом люминофор излучает видимый свет).

Пример применения фотолюминесценции:

• способ контроля герметичности сварных изделий с помощью люминофора, при котором на изделие направляют ультрафиолетовые лучи и судят о герметичности по свечению люминофора. С целью повышения производительности путем осуществления контроля непосредственно в процессе сварки, люминофорную суспензию наносят на внутреннюю поверхность свариваемых деталей перед сваркой, а в качестве источника УФ-лучей используют сварочную дугу;

• способ количественного определения горечи (кукурбитанцидов) в огурцах. С целью ускорения процесса экстракт облучают ультрафиолетовым светом, измеряют интенсивность вторичного свечения и количество кукурбитационов определяют по показаниям прибора и калибровочному графику.

Фотолюминесценция возбуждается оптическим излучением. В отличие от рассеяния света и горячей люминесценции фотолюминесценция испускается после того, как в возбужденном светом веществе закончились процессы релаксации и установилось квазиравновесие. В обычных лучах квазиравновесие устанавливается в течение времени ~ 10^-12 … 10^-10 с.

Спектр фотолюминесценции подчиняется правилу Стокса. При отсутствии тушения люминесценции квантовый выход (отношение числа испускаемых квантов к числу поглощаемых) равен единице. Зависимость квантового выхода фотолюминесценции от длины волны возбуждающего света определяется законом Вавилова. Более сложные закономерности наблюдаются при фотолюминесценции кристаллофосфоров, для которой характерна нелинейная зависимость фотолюмин от интенсивности возбуждения.

Применение: люминесцентная дефектоскопия, люминесцентный анализ.

Наиболее широко фотолюминесценция применяется в лампах дневного света. В них свечение люминофора происходит под действием ультрафиолета, которым богато излучение газоразрядной части лампы (в связи с наличием паров ртути).

Однако есть исключение из правила Стокса-Люмеля — это так называемые антистоксовские люминофоры, которые при возбуждении в ИК-области спектра излучают в видимой области.

Применение этих люминофоров связано с преобразованием ИК-излучения в видимое, например для визуализации излучения ИК-лазеров, для создания лазеров видимого диапазона с ИК-накачкой, а также светодиодов.

Рентгенолюминесценция. Специфика возбуждения рентгеновскими лучами, по сравнению с фотовозбуждением, состоит в том, что на люминофор воздействуют фотоны со значительно большей энергией. При этом свечение люминофора вызывается не непосредственным действием самих рентгеновских лучей, а воздействием электронов, вырываемых из основы люминофора рентгеновскими лучами. Вследствие этого ретгенолюминесценция имеет многие общие черты с катодолюминесценцией. Основное применение — в экранах для рентгеноскопии и рентгенографии.

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, ВОЗБУЖДАЕМАЯ КОРПУСКУЛЯРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Ионолюминесценция — свечение, возникающее при бомбардировке люминофора пучком ионов.

При ионолюминесценции, так же как при катодолюминесценции, энергия возбуждения поглощается в тонком приповерхностном слое люминофора, поэтому здесь оказывает влияние состояние поверхности, в частности хемосорбция различных газов.

Радиолюминесценция. Для создания самосветящихся красок постоянного действия, не нуждающихся в источниках внешнего возбуждения, в люминофор вводят радиоактивные изотопы, продукты распада которых (например, альфа- и бета-частицы) возбуждают в нем свечение. Время, в течение которого люминофор излучает свет, определяется периодом полураспада изотопа (десятки лет). Радиолюминесценция все более широко применяется в дозиметрии радиоактивных излучений.

Катодолюминесценция — люминесценция при возбуждении люминофора электронным пучком (катодными лучами), один из видов радиолюминесценции.

Способностью к катодолюминесценции обладают газы, молекулярные кристаллы, органические люминофоры, кристаллофосфоры, однако только последние стойки к действию электронов и дают достаточную яркость свечения.

Для возбуждения катодолюминесценции обычно применяют пучки электронов с энергией 100 эВ. Спектр катодолюминесценции аналогичен спектру фотолюминесценции, ее КПД обычно составляет 1–10 % от энергии электронного пучка, основная часть которой переходит в теплоту.

Основное применение катодолюминесценции — визуализация электронного изображения на экранах телескопов телевизоров, осциллографов и других подобных приборов, а также электронно-оптических преобразователей.

Одним из видов технических средств, в которых находит применение катодолюминесценция, — это электронно-оптический преобразователь (см. рисунок) — прибор для преобразования невидимого глазом изображения в видимое или для усиления яркости видимого.

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, ВОЗБУЖДАЕМАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ

Электролюминесценция (эффект Дестрио). Многие кристаллические порошкообразные люминофоры, помещенные в конденсатор, питаемый переменным напряжением 100–220 В с частотой 400–3000 Гц, начинают интенсивно люминесцировать. Спектральный состав и интенсивность излучения существенно зависят от частоты возбуждения. Некоторые люминофоры излучают и при возбуждении постоянным электрическим полем.

Пример применения электролюминесценции: система для измерения распределения давления на поверхности модели летательного аппарата, содержащая чувствительный элемент, оптическое сканирующее устройство и фотоэлектрический регистратор, отличающийся тем, что с целью обеспечения возможности непрерывного измерения профиля давления на исследуемой поверхности вдоль заданной линии в ней чувствительный элемент выполнен в виде электролюминесцентного конденсатора, одна обкладка которого образована поверхностью металлической модели, а другая — прозрачным электропроводящим слоем, между которыми нанесен электролюминесцентный слой и слой диэлектрика, диэлектрическая проницаемость которого зависит от давления, например слой эпоксидной смолы.

Основная область применения электролюминесценции — индикаторные устройства, подсветка шкал, преобразователи изображения. Применение электролюминофоров считают перспективным для создания телевизионных экранов.

ИНЖЕКЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ (ЭФФЕКТ ЛОСЕВА)

Свечение возникает под действием зарядов, инжектируемых в полупроводниковые кристаллы. При пропускании тока через полупроводниковый диод в области перехода инжектируются избыточные носители тока (электроны и дырки), рекомендация которых сопровождается оптическим излучением.

Широкое применение основанных на этом эффекте светодиодов обусловлено следующими их особенностями: высокой надежностью (срок службы 106 ч), малым энергопотреблением (1,5–30 В, 10 мА), малой инерционностью (10^-9 с), высокой яркостью свечения в зеленой, красной и инфракрасной областях спектра.

Пример применения инжекционной электролюминесценции: устройство для регистрации электрических сигналов на фотопленку, содержащее источник электрических сигналов; измерительный механизм и механизм протягивания пленки, отличающийся тем, что с целью повышения надежности и упрощения конструкции в нем измерительный механизм выполнен в виде полупроводникового электролюминесцентного преобразователя, состоящего из кристалла полупроводника с широкой запрещенной зоной, содержащего p-n-переход и контакты с выводами, служащими для пропускания тока электролюминесценции и тока управления площадью свечения.

ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

Люминесценция, возбуждаемая за счет энергии химических реакций, называется хемилюминесценцией. Этим видом люминесценции объясняется свечение гнилушек, светлячков, многих глубоководных рыб.

Хемилюминесценция использована фирмой «Ремингтон Армс» для создания лампы, в которой свечение возникает при воздействии кислорода воздуха на некоторые химически активные вещества.

Частным случаем хемилюминесценции является радиолюминесценция — излучение вещества-катализатора при адсорбции и рекомендации на его поверхность свободных атомов или радикалов в молекулы.

Пример применения: способ анализа загрязнения атмосферы окисями азота и серы, основанный на люминесценции между люминофором и перекисью водорода. В качестве люминофора используется 5-амино-2,3 дигидро-4-фтолозин-диол.

Если источником радикала служит пламя, то свечение называют катодолюминесценцией. Для ее возникновения необходим контакт пламени с люминофором, при этом он не должен сильно нагреваться.

ТРИБОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

Источником возбуждения люминесценции может служить и механическая энергия. Такой процесс называют рентгенолюминесценцией, или иначе — термолюминесценцией. Чаще всего возникает при трении или ударе двух тел, сопровождающихся их разрушением (так сахар при раскалывании иногда светится).

Пример применения: способ излучения структурных превращений полимерных материалов по интенсивности и характеру люминесценции, отличающийся тем, что с целью упрощения и повышения точности оценивают интенсивность и характер механолюминесценции, возбуждаемой при механической деформации и разрушении полимерных материалов.

РАДИОТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

Оказалось, что если сильно охлажденный образец вещества, предварительно облученный гамма-лучами, альфа-частицами или электронами, постепенно нагревать, то он начинает интенсивно светиться. Практически все вещества могут таким образом накапливать» в себе свет и долго сохранять его. И лишь при нагреве свет как бы «оттаивает», начинается рекомбинация «замороженных» электронов, сопровождаемая световым излучением. Цвет свечения постепенно меняется, изменяется также и его интенсивность. При этом пики интенсивности соответствуют температурам структурных переходов, что особенно заметно у различных полимеров. Даже незначительные изменения структуры вещества: повышение степени кристалличности, изменение взаимного расположения макромолекул существенно влияют на характер свечения. Радиотермолюминесценция (РТЛ) весьма чувствительна к механическим напряжениям в полимере.

Все это позволило создать на основе РТЛ простые и точные методики анализа структуры, излучения, степени однородности смесей, исследования деформационных свойств и других характеристик полимеров, причем для анализа достаточно образца весом в сотые доли миллиграмма.

Термолюминесценция — люминесценция, возникающая при нагревании вещества, предварительно возбужденного светом или жестким излучением. Наблюдается у многих кристаллофосфоров, минералов, некоторых стекол и органических люминофоров.

Применяется при исследованиях энергетического спектра электронных ловушек в твердых телах, в минералогии, для определения возраста пород и условий их образования.

Электронолюминесценция — люминесценция, возбуждаемая электрическим полем. Наблюдается в газах и твердых телах. При электронолюминесценции атомы (молекулы) вещества переходят в возбужденное состояние в результате возникновения в нем какой-либо формы электронного разряда.

Из различных видов электронолюминесценции твердых тел наиболее важны инжекционная и предпробойная.

Инжекционная люминесценция характерна для р-n-переходов в некоторых полупроводниках (SiP, GaP) в постоянном электрическом поле, включенном в пропускном направлении. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в р-n-слое.

Предпробойная электронолюминесценция наблюдается, например, в ZnS, активированном Си, А1 и др. и помещенном в диэлектрик между обкладками конденсатора, на который подается переменное напряжение звуковой частоты.

При максимальном напряжении на обкладках конденсатора в люминофоре происходят процессы, близкие к электрическому пробою: на краях частичек люминофора концентрируется сильное электрическое поле, ускоряющее свободные электроны, которые ионизуют атомы, вызывая свечение.

Применение: электронолюминесценция газов (свечение газового разряда) — используется в газоразрядных трубах-индикаторах наличия электромагнитного поля. Электронолюминесценция твердых тел используется в индикаторных устройствах (знаковые индикаторы, преобразователи изображений и пр.).

СТИМУЛЯЦИЯ И ТУШЕНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Интересной особенностью люминесценции, возбуждаемой каким-либо источником энергии, является усиление свечения при воздействии другого источника энергии. Происходит так называемая стимуляция люминесценции. Стимулирующие воздействия могут оказывать изменения температуры, видимое, ИК- и УФ-излучение, электрическое поле, присутствие некоторых газов и т. д. Стимуляция люминесценции электрическим полем называется эффектом Гуддена-Поля.

Пример применения: способ получения изображения, состоящий в том, что люминесцентный экран равномерно облучают ультрафиолетовым светом, проектируют на экран изображение в инфракрасном свете, фиксируют свечение экрана на светочувствительном материале. Отличается тем, что с целью расширения области чувствительности одновременно с облучением ультрафиолетовым светом прикладывают к экрану электрическое поле и после проектирования изображения подают переменное напряжение на экран, причем люминофор, из которого изготовлен экран, должен обладать эффектом Гуддена-Поля.

Факторы, стимулирующие люминесценцию, при определенных условиях могут дать обратный эффект, т. е. уменьшить интенсивность свечения или совсем прекратить его. Это явление называют уменьшением люминесценции. Повышение температуры, изменение влажности, ИК-облучение, электрическое поле, изменение внешнего давления, наличие некоторых газов.

Все эти факторы могут привести к «тушению люминесценции». Так, например, присутствие кислорода или йода уменьшает интенсивность фотолюминесценции, в то время как присутствие молекул воды увеличивает ее; наличие электрического поля, перпендикулярного поверхности люминофора, тушит радикалолюминесценцию, изменение же направления поля на обратное усиливает свечение.

Примеры применения:

• способ выделения жизнеспособных семян растений, включающий отбор семян по люминесценции. С целью сохранения целостности семян их обрабатывают ослабляющими люминесценцию веществами и затем отбирают семена, имеющие пониженную интенсивность свечения;

• прибор для непрерывного определения концентрации кислорода или кислородосодержащих соединений в потоке газа. Определение основано на способности указанных веществ гасить фотолюминесценцию.

ЭФФЕКТ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Люминесцентное излучение при некоторых условиях может быть поляризованным. Обычно это линейная поляризация, очень редко — циркулярная. Для поляризации люминесценции необходимо, чтобы люминофор обладал либо собственной, либо наведенной анизотропией.

Поляризованные люминофоры получаются при механических растяжениях полимерных пленок, «пропитанных» анизотропными люминесцирующими молекулами. Искусственную ориентацию таких молекул можно вызвать также с помощью сильных электрических и магнитных полей или же в потоке жидкости.

Применительно к фотолюминесценции ее поляризация обнаруживается при возбуждении поляризованным светом.