b) Mạng tinh thể nền là H, đưa thờm chất hoạt hoỏ A và chất tăng nhạy S.
4.3.1.3 Một số vật liệu phỏt lõn quang
Hiện nay đó nghiờn cứu thực nghiệm rất nhiều hệ kiểu “nền-chất hoạt hoỏ” với mục đớch xỏc định cỏc đặc tớnh chủ yếu của chỳng như là những chất phỏt lõn quang. Trong đú cú nhiều hệ tỏ ra cú triển vọng sử dụng thực tế. Tuy nhiờn, cỏc tiến bộ trong việc tạo ra nhiều vật liệu phỏt quang mới đều liờn quan đến việc giải thớch một cỏch lớ thuyết mối quan hệ giữa cấu trỳc tinh thể và vị trớ mức năng lượng của cỏc ion tạp chất.
Dưới đõy đưa ra vài vớ dụ của việc sử dụng chất phỏt quang. Trong cỏc búng đốn huỳnh quang sử dụng rộng rói chất phỏt quang trờn nền apatit với cỏc phụ gia là ion Mn2+ và Sb3+. Fluoapatit cú cụng thức Ca5(PO4)3F, đưa thờm Sb3+ thỡ sẽ phỏt ra màu vàng da cam, đồng thời đưa cả hai ion Mn2+ và Sb3+ sẽ cho một phổ phỏt xạ khỏ rộng của vật liệu phỏt quang bao gồm toàn vựng phỏt ỏnh sỏng trắng.
Thay thế một phần F− trong fluoapatit bằng ion Cl− cú thể thay đổi sự phõn bố độ dài súng của phổ bức xạ. Hiệu ứng này được giải thớch như sau: thay thế Cl− vào vị trớ F− làm thay đổi vị trớ mức năng lượng của cỏc ion hoạt hoỏ và do đú làm thay đổi độ dài súng bức xạ. Như vậy, sự thay đổi thành phần hoỏ học của chất phỏt sỏng là một biện phỏp cú hiệu quả để đạt màu mong muốn khi chiếu sỏng.
Bảng 40.
Một số chất phỏt quang sử dụng trong đốn huỳnh quang
Chất phỏt quang Hoạt hoỏ Màu
Villemit Zn2SiO4 Mn 2+ Xanh da trời
Y2O3 Eu3+ Đỏ
Điopzit CaMg(SiO3)2 Ti Xanh
Vollastụnit CaSiO3 Pb, Mn Xanh
(Sr,Zn)3(PO4)2 Sn Da cam
Fluoapatit Ca5(PO4)3(F,Cl) Sn, Mn Trắng
Ion hoạt hoỏ là Eu3+ cú giỏ trị quan trọng nhất. Khi đưa nú vào chất phỏt quang sẽ cho ỏnh sỏng màu đỏ, điều này được sử dụng cho màn ảnh vụ tuyến màu. Trong chất phỏt quang YVO4:Eu3+, nhúm [VO4]3− hấp thụ năng lượng tia õm cực trong ống phỏt electron, ion Eu3+ là ờmitơ (cực phỏt) phỏt năng lượng. Việc chuyển điện tớch từ nhúm VO43− cho Eu3+ hỡnh như là quỏ trỡnh khụng phỏt xạ xảy ra theo cơ chế trao đổi qua ion O2−. Sự phỏt sinh trật tự phản sắt từ của cỏc ion Ni2+ trong NiO cũng giải thớch bằng cơ chế của sự tương tỏc trao đổi như vậy. Sự chuyển năng lượng trong cỏc chất phỏt quang theo cơ chế trao đổi đặc biệt cú hiệu quả nếu liờn kết hoỏ học kim loại − oxi – kim loại dọc theo một đường. Chớnh trong trường lực đú mới đạt được sự xen phủ cực đại cỏc obitan nguyờn tử. Trong chất phỏt quang YVO4:Eu3+ gúc giữa cỏc liờn kết vanađi − oxi − ơropi bằng 170o, do đú việc chuyển năng lượng được thực hiện một cỏch nhanh chúng.
Khi dựng chất hoạt hoỏ là ion Eu3+ thỡ về nguyờn tắc cú thể thực hiện sự chuyển năng lượng lờn cỏc mức f khỏc nhau. Những sự chuyển khỏc nhau như vậy cú thể quan sỏt được vỡ rằng màu của cỏc chất phỏt quang đú phụ thuộc vào cấu trỳc của tinh thể nền, đặc biệt là vào vị trớ đối xứng mà ion Eu3+ chiếm. Nếu Eu3+ nằm ở tõm đối xứng (vớ dụ khi hoạt hoỏ cỏc tinh thể NaLuO2 và Ba2GdNbO6 bằng Eu3+) thỡ xỏc suất lớn nhất là kiểu chuyển 5D0→7F1. Kết quả chất phỏt quang này phỏt ra ỏnh sỏng màu da cam. Nếu Eu3+ khụng nằm ở tõm đối xứng (như trường hợp NaGdO2-Eu3+) thỡ xỏc suất lớn nhất là kiểu chuyển 5D0→7F2 và ỏnh sỏng là màu đỏ. Như vậy cấu trỳc tinh thể nền cú giỏ trị bậc nhất đối với màu của chất phỏt quang.
Để chuẩn bị làm màn hỡnh của cỏc vụ tuyến màu người ta sử dụng cỏc chất phỏt quang õm cực cú ba màu:
- Đỏ (thụng thường là YVO4-Eu3+) - Xanh (ZnS:Ag+)
- Da trời (ZnS:Cu+).
Để chuẩn bị làm màn hỡnh của vụ tuyến đen trắng, sử dụng hỗn hợp xanh (ZnS – Ag+) và vàng ((Zn, Cd)S:Ag+) làm chất phỏt õm cực. 4.3.1.4 Chất phỏt quang phản tớch trữ Giai đoạn kích thích thứ nhất Giai đoạn kích thích thứ hai Trạng thái cơ bản Phát quang (a) Trạng thái cơ bản Phát quang Kích thích (b) Hỡnh 190.
Sơđồ của quỏ trỡnh xảy ra trong chất phỏt quang phản tớch trữ (a) và trong chất phỏt quang thường (b)
Chất phỏt quang phản tớch trữ là một loại chất phỏt sỏng gần đõy đang được lưu ý nhiều. Nột khỏc biệt của loại chất này là nú phỏt ra một dũng photon cú năng lượng lớn (bước súng ngắn) hơn năng lượng kớch thớch ban đầu. Ứng dụng của chất phỏt quang phản tớch trữ là cho phộp biến đổi bức xạ hồng ngoại thành bức xạ điện tử cú năng lượng lớn hơn (thành ỏnh sỏng thấy được). Dĩ nhiờn ở đõy định luật bảo toàn năng lượng vẫn khụng bị vi phạm. Ở đõy quỏ trỡnh kớch thớch xảy ra hai hoặc nhiều giai đoạn.
Hiện nay đó nghiờn cứu khỏ kĩ cỏc chất phỏt quang phản tớch trữ trờn cơ sở YF3, NaLa(WO4)2 và α-NaYF4 với chất tăng nhạy là Yb3+, chất hoạt hoỏ là Er3+. Khi chiếu ỏnh sỏng vào cỏc chất phỏt quang đú bằng ỏnh sỏng hồng ngoại thỡ nú phỏt quang màu xanh da trời. Trong đú thực hiện chuyển 2 phụtụn bị Yb3+ hấp thụ trong quỏ trỡnh chiếu sỏng vật liệu bằng tia hồng ngoại lờn ion Er3+ bờn cạnh. Sau hai giai đoạn kớch thớch chất hoạt hoỏ bắt đầu phỏt ra súng điện từ trong vựng thấy được.
4.3.2 Laze
Laze rắn làm việc dựa trờn cơ sở sử dụng cỏc chất phỏt quang phải thoả món một số đũi hỏi đặc biệt. Tờn gọi laze được rỳt ra từ cỏc chữ đầu tiờn của Ligh Amplification by Stimulated Emission of Radiction (cú nghĩa là khuếch đại ỏnh sỏng bằng bức xạ do kớch thớch của sự phỏt xạ). Quỏ trỡnh kớch thớch bao gồm sự chuyển cỏc tõm hoạt hoỏ sang trạng thỏi kớch thớch (gọi là quỏ trỡnh bơm nạp), cú thể lưu lại ở trạng thỏi này một thời gian khỏ lõu. Trạng thỏi được đặc trưng bằng phần lớn cỏc tõm hoạt động đều bị kớch thớch được gọi là trạng thỏi kớch đảo. Trong laze sự phỏt một photon ỏnh sỏng bằng một tõm hoạt động sẽ kớch thớch sự phỏt sỏng bằng nhiều tõm hoạt động khỏc, và tất cả cỏc súng điện từ phỏt ra đều cựng pha. Do đú phỏt sinh ra một chựm rất mạnh hoặc một xung bức xạ kết hợp.
Năm 1960 Meiman lần đầu tiờn chế tạo ra laze rubi. Hiện nay lĩnh vực này đó trở thành một mụn khoa học kĩ thuật độc lập liờn quan đến việc sử dụng laze trong nhiều lĩnh vực khỏc
nhau như: chụp ảnh, giải phẫu, cỏc phương tiện liờn lạc, đo lường chớnh xỏc… Người ta đó chế tạo thành cụng rất nhiều kiểu laze, cú thể phõn tớch thành 3 kiểu: laze khớ, laze trờn cỏc thuốc màu sử dụng súng dài và laze rắn. Ở đõy chỉ núi đến laze rắn.
4.3.2.1 Laze rubi
Laze rubi là mỏy phỏt lượng tử quang học đầu tiờn. Đến nay đó trờn nửa thế kỷ qua rồi mà vẫn đang được sử dụng rộng rói. Quan trọng nhất của laze rubi là đơn tinh thể Al2O3 cú chứa khoảng 0,05% khối lượng Cr3+. Ion Cr3+ thay thế Al3+ trong cỏc bỏt diện biến dạng của tinh thể corun làm cho corun cú màu hồng (ớt Cr3+) hoặc xanh da trời (nhiều Cr3+).
Hỡnh 191 biểu diễn vị trớ mức năng lượng của ion Cr3+ trong rubi. Việc bơm nạp laze được thực hiện nhờ nguồn ỏnh sỏng mạnh, vớ dụ búng đốn xenon. Khi đú electron d của Cr3+ cú thể chuyển từ trạng thỏi cơ bản 4A2 sang trạng thỏi cao hơn 4F2, 4F1. Sau đú xảy ra sự chuyển khụng bức xạ đến mức 2E. Thời gian lưu electron lại ở trạng thỏi kớch thớch 2E khỏ lõu khoảng 5.10−3 giõy. Điều đú cú nghĩa là đủ kịp để tạo nờn một trạng thỏi kớch đảo. Bức xạ laze phỏt ra khi chuyển electron từ trạng thỏi kớch thớch 2E về trạng thỏi cơ bản. Sự chuyển này kớch thớch đồng thời nhiều ion và bức xạ điện từ phỏt ra cựng truyền theo một pha.
2E F 1 F 1 4 F 2 4 A 2 4 bức xạ lade 6934Å Năngl−ợng1 0 3cm-1 hấp thụ Chuyển không bức xạ 0 10 20 30 Hỡnh 191.
Mức năng lượng của Cr3+ và bức xạ laze trong tinh thể rubi
Hỡnh 192 biểu diễn sơ đồ thiết bị laze rubi. Phần chớnh của thiết bị này là một thỏi rubi dài vài centimet, đường kớnh 1 ữ 2 cm. Thỏi rubi được bao quanh bằng cỏc búng đốn phỏt xung. Một đầu thỏi rubi được đặt gương để phản chiếu cỏc xung đi vào ống rubi. Đầu kia thỏi rubi đặt một thiết bị đặc biệt gọi là chuyển mạch Q. Cỏi chuyển mạch Q này cú phỏt ra tia lade, hoặc phản chiếu trở lại để tạo một chu kỡ mới. Chuyển mạch Q cú thể là một gương quay. Cấu trỳc như vậy cho phộp đạt được bức xạ cú cường độ tối ưu, vỡ rằng cỏc xung ỏnh sỏng phỏt ra được phản xạ từ gương trước ra sau qua thỏi rubi làm tăng cường độ lờn.
Hỡnh 192.
Sơđồ thiết bịđo laze rubi