Способ определения ориентации квантовых систем в кристаллах

Изобретение относится к области технической физики и касается способа определения ориентации квантовых систем в кристаллах. Способ включает в себя возбуждение фотолюминесценции квантовых систем образца излучением, волновой вектор которого ориентирован перпендикулярно оптической оси кристалла, ее регистрацию с пространственным разрешением вдоль волнового вектора, измерение глубины пространственной модуляции интенсивности люминесценции. Направление наблюдения люминесценции выбирают перпендикулярным оптической оси и волновому вектору. Вращая образец относительно оптической оси, находят его положение, в котором глубина модуляции равна нулю, и фиксируют это направление. Затем образец поворачивают относительно оптической оси в положение, соответствующее максимуму глубины модуляции люминесценции, и в этом положении измеряют зависимость глубины модуляции от угла между оптической осью кристалла и направлением электрического вектора возбуждающего излучения. Находят величину угла, соответствующего максимуму этой зависимости, и по этой величине с помощью градуировочного графика определяют угол ориентации квантовых систем по отношению к оптической оси кристалла. Технический результат заключается в обеспечении возможности однозначного определения ориентации квантовых систем в одноосных кристаллах. 8 ил.

 

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.

В работе М.Е. Спрингиса [М.Е. Спрингис. Применение метода поляризационных отношений для исследования точечных дефектов в кристаллах Δ-Al₂О₃. - 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

где I_yy, I_yz, I_ху и I_xz - 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.

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_μ, задающий ориентацию центров по отношению к оптической оси кристалла, используя теоретическую зависимость β_μ 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.

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_μ 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_μ 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;

- нахождением по величине этого угла с помощью градуировочного графика, полученного расчетным путем, угла β_μ 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.

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_μ - угол между направлением, вдоль которого осциллирует дипольный момент рассматриваемого перехода в квантовой системе, и направлением оптической оси кристалла, а η_μ - 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_μ при различных ориентациях β_μ; 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_E при различных значениях угла β_μ.

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_E 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.

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_E). Рассмотрим зависимость глубины модуляции интенсивности люминесценции от угла η_μ при различных ориентациях β_μ (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_E=45° относительно оптической оси (Фиг. 2), мы видим, что общее поведение глубины модуляции интенсивности люминесценции с изменением угла η_μ одинаково при различных ориентациях β_μ: 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_μ). 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_μ 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.

Следующий этап эксперимента - определение угла ориентации β_μ. Исследуемый цилиндр ориентируют так, чтобы угол ориентации проекции дипольного момента перехода η_μ либо совпадал с направлением наблюдения люминесценции (η_μ=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_E между электрическим вектором и оптической осью, строят зависимость глубины модуляции от угла β_E. Далее находят значение угла β_Emax, 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_μ, характеризующий ориентацию изучаемых центров окраски по отношению к оптической оси. Для построения градуировочного графика рассчитывают семейство зависимостей глубины модуляции интенсивности люминесценции от угла β_E (Фиг. 8). Для каждой зависимости этого семейства находят значение угла β_Еmax, соответствующее точке максимума, как показано на Фиг. 8. Затем строят градуировочный график (Фиг. 7), связывающий значения β_μ, показанные на Фиг. 8, и β_Emax.

Как следует из градуировочного графика, каждому значению угла Реши соответствует единственное значение измеряемой величины - угла β_μ, 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.

Способ определения ориентации квантовых систем в кристаллах, включающий изготовление кристаллического образца с заданной ориентацией оптической оси, возбуждение фотолюминесценции квантовых систем излучением, волновой вектор которого ориентирован перпендикулярно оптической оси кристалла, ее регистрацию с пространственным разрешением вдоль волнового вектора, измерение глубины пространственной модуляции интенсивности этой люминесценции, отличающийся тем, что направление наблюдения люминесценции выбирают перпендикулярным оптической оси и волновому вектору, вращая образец относительно оптической оси, находят его положение, в котором глубина модуляции равна нулю, при этом одна из проекций дипольного момента квантовых переходов на плоскость, перпендикулярную оптической оси, ориентирована по направлению волнового вектора, фиксируют это направление на образце, проекции же других ориентаций квантовых систем, задаваемых законами симметрии кристалла, расположены симметрично по отношению к найденному направлению, затем образец поворачивают относительно оптической оси в положение, соответствующее максимуму глубины модуляции регистрируемой люминесценции, и в этом положении измеряют зависимость глубины модуляции от угла между оптической осью кристалла и направлением электрического вектора возбуждающего излучения, находят величину угла, соответствующего максимуму этой зависимости, и по этой величине с помощью градуировочного графика, полученного расчетным путем, определяют угол ориентации квантовых систем по отношению к оптической оси кристалла.