Способ голографической спектроскопии твердого тела Советский патент 1991 года по МПК G01N21/39 G03H1/00 

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, пассивных лазерных затворов для модуляции добротности и синхронизации мод, при изготовлении гротохромных материалов для голографии.

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

На фиг. 1 приведена схема, с помощью которой может быть реализован предлагаемый способ; на фиг. 2 - 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 „оди- наковым углом. Длина пути лучей одинакова. Наличие четырехзеркальной схемы позволяет добиться точного совпадения волновых фронтов интерферирующих лучей. Голограшические спектры измеряют с помощью луча 9 от монохроО) 4

ю

00

со

матора или вспомогательного лазера. Интенсивность света в первом дифракционном максимуме 1. измеряют с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 10 и электронного регистрирующего устройства 11 как в процессе записи голограммы, так и после прекращения ее. Интенсивность I света, проходящего через образец под углом дифрак ции, измеряют с помощью ФЭУ 12, а интенсивность падающего света 1л - с помощью светоделителя 13, ФЭУ 14 и регистрирующего устройства 15. Для исключения фоновой засветки перед ФЭУ помещают коллиматор 16. Линейность режима работы ФЭУ и регистрирующих устройств проверяют с помощью нейтральных фильтров с известным пропусканием.

Образец 8 содержит центры окраски, которые испытывают фототермические превращения под действием лучей 3 и 4, или же центры окраски образуются в образце в процессе записи голограм- мы. Возникающая вследствие интерференции лучей 3 и 4 пространственно-пе- р-зодическая освещенность образца приводит к значительным градиентам концентрации точечных дефектов, пространственной модуляции коэффициента поглощения и показателя преломления в голограмме.

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

По закону Бугера-Ламберта

I

V

-|UX

(1)

где x d/Cos 9 d

9 путь луча в образце; глубина окрашенного слоя;

угол падения луча в образце, связанный с углом падения в воздухе, Sin (90 n Sin0 Если толщина голограммы совпадает с глубиной окрашенного слоя, а ее диаметр больше 2dtg9, то согласно

ЈОМ

где

yi0,

сивности света падающего

Lcn

ч

интен- излучения и дифрагированного в первом порядке дифракции, можно найти приведенное значение дифракционной эффективности (ДЭ):

Пример. Измеряют голргра кий спектр кристалла NaCl-Ca, ок ного аддитивно. Голограмму запис сходящимися лучами He-Cd лазера (ft, 441,6 нм) по схеме, привед на фиг.1. Температура кристалла записи голограммы 350-400°С. Ее

иСХ)«(/Д)е q, +Sin (|2 , (2) визируют с погрешностью 1°С„ При

где If, , Срг , 0 определяют по следующим формулам:

|Ud/4 cos0 ; cos6 ; jU d/cos9 5

(3) (4) (5)

5

Q P

п , d - ft О амплитуды модуляции коэффициентов поглощения и преломления ;

толщина голограммы; длина волны света, восстанавливающего голограмму; угол падения света при условии Брэгга

Q 50

30

где

Sin б

А -J- sin Q,

(ь)

fl,пространственный период го- лографической решетки Л fl(/2sin0, ;

длина волны излучения лазера, осуществляющего запись голограммы лучами, сходящимися в образце под углом 2 б,. В максимуме полосы поглощения, согласно дисперсионным соотношениям, амплитуда модуляции показателя преломления п, 0, поэтому Cf 0; .i2 0;

иОЛ) u(fl)sii tp, q.

Ј

где и

ш

- приведенная ДЭ амплитудной голограммы;

0

5

0

5

u,Ci)

Л)

sin Срг Уё -приведенная ДЭ фазовой голограммы.

На полуширине полосы поглощения n max; u max и, как правило,

U2. и| поэтому и

и Ј sin

:с.

Таким образом, каждой полосе поглощения соответствуют три максимума в топографическом спектре, измеряемом по предлагаемому способу. Центральный совпадающий с максимумом полосы поглощения , обусловлен модуляцией коэффициента поглощения. Два других, совпадающие с полушириной полосы поглощения, обусловлены модуляцией пока-за геля преломления в голограмме.

Пример. Измеряют голрграфичес- кий спектр кристалла NaCl-Ca, окрашенного аддитивно. Голограмму записывают сходящимися лучами He-Cd лазера ЛГ-3 (ft, 441,6 нм) по схеме, приведенной на фиг.1. Температура кристалла при записи голограммы 350-400°С. Ее стаонзапиэ1b42Jjl

си голограммы в качестве зондирующего луча используют луч лазера на АИГ-Nd с непрерывной накачкой (7 1064 нм) , который падает на образец под углом, соответствующим условию (5). Его интенсивность выбирают такой, чтобы влияние-на запись голограммы было несущественным. При достижении максиD - оптическая плотность в максимуме F-полосы поглощения ( fl p 465 нм), измеряемая спектрофотометром.

Ка фиг. 2 стрелками указаны положения максимумов Х-, F-, М-, R-, N-, Z - полос поглощения} измеренные дачным

мального значения величины u In/I, Q измеряемой с помощью ФЭУ 10, 12 и электронного устройства 11, кристалл охлаждают до комнатной температуры, закрепляют на столике гониометра и измеряют, зависимостью u(ft) в спектральной )5 способом, ТЦ , fl - длины волн записьдаа- области, выходящей за пределы полосы ющего и зондирующего лучей соответственно. В голограмме среднее значение концентрации F-центров составляло 2,6 При угле В{ 7° пространственный период голограшической решетки Л. 1,81 мкм. Для ft 1064 нм угол дифракции 0 17,6°. Полуширина

поглощения, на которую приходится длина излучения лазера, осуществляющего запись голограммы. При изменении ft изменяют угол падения луча на образец 20 согласно условию (6),

На фиг. 2 приведены: спектр поглощения кристалла в голограмме (кривая 17)t голографический спектр, измеренный по прототипу (кривая 18), и голо- 25 .графический спектр, измеренный по предлагаемому способу (кривая 19). Их измеряли с помощью спектрофотометра, ФЭУ и .электронной измерительной схемы.

С помощью гониометра для каждого значения фиксировали значение угла 0 из условия (6), при котором интенсивность света в первом порядке дифракции La max, и измеряли отношение ее к интенсивности csjTa, прошедшего через образец под этим же углом u la/I (фиг. 1).

кривой угловой селекции голограммы, охлажденной до 24 С, составляла 2А0(г 6,75 , а ее толщина d A/2i6 2 920 мкм совпадала с глубиной окрашенного слоя кристалла. Полуширина- кривой зависимости ДЭ от lft , где Д - отклонение от условия Брэгга (b),

30 составляла 2ДЯ„2

/A(A/d) CtgQ 6,6 мм. (9)

I

Пластинки кристалла размером 10x15x1 мм выкалывали из монокристалла, выращенного из расплава и окрашенного в парах щелочного металла. Концентрация кальция в кристаллах составляла 0,47 вес.%. Ее определяли с

При измерении томографических 35 спектров ширину щели монохрома тора брали такой, чтобы Л Ti 2Л,. Для того чтобы расходимость луча монохро- матора была равна Д0 - 2&Q 4 , применяли специальную оптическую на- 40 садку.

Таким образом, формула (9) позволяет оценить разрешающую способность голограшической спектроскопии по предлагаемому способу, которая возрастает .

/Ц - коэффициент поглощения в максимуме F-полосы,

|U 2,3 D/d;

(3)

D - оптическая плотность в максимуме F-полосы поглощения ( fl p 465 нм), измеряемая спектрофотометром.

Ка фиг. 2 стрелками указаны положения максимумов Х-, F-, М-, R-, N-, Z - полос поглощения} измеренные дачным

способом, ТЦ , fl - длины волн записьдаа ющего и зондирующего лучей соответственно. В голограмме среднее значение концентрации F-центров составляло 2,6 При угле В{ 7° пространственный период голограшической решетки Л. 1,81 мкм. Для ft 1064 нм угол дифракции 0 17,6°. Полуширина

кривой угловой селекции голограммы, охлажденной до 24 С, составляла 2А0(г 6,75 , а ее толщина d A/2i6 2 920 мкм совпадала с глубиной окрашенного слоя кристалла. Полуширина- кривой зависимости ДЭ от lft , где Д - отклонение от условия Брэгга (b),

составляла 2ДЯ„2

/A(A/d) CtgQ 6,6 мм. (9)

При измерении томографических спектров ширину щели монохрома тора брали такой, чтобы Л Ti 2Л,. Для того чтобы расходимость луча монохро- матора была равна Д0 - 2&Q 4 , применяли специальную оптическую на- садку.

Таким образом, формула (9) позволяет оценить разрешающую способность голограшической спектроскопии по предлагаемому способу, которая возрастает .

Изобретение относится к спектроскопии твердого тела, а именно.к голо- графической 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

помощью пламенного фотометра Перкин- д5 ПРИ уменьшении расходимости зондиру- Эльмер. Средняя глубина окрашенного ющего луча и повышении его монохрома- слоя в кристалле d -- 920 мкм. Исходная концентрация F-центрбв составляла 3,8 10 8 . Ее вычисляли по формуле Смакулы-Декстера

тичности.

В соответствии с формулой Вульфа- Брогга

50

2 A Sin 01 1,:

J7 п,

w

4L

(7)

2 A Sin 01 1,:

(10)

пр 0,87- 10 (n- -+2Ff где п 1,56 показатель преломлеw 0,50 в f 0,6

для каждого значения Д наблюдают несколько максимумов функции и() при

ния неокрашенного 5 различных значениях 9j , 1 1,2,3....

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

F-полосы;

полуширина F-полосы; сила осциллятора;

ПРИ уменьшении расходимости зондиру- ющего луча и повышении его монохрома-

тичности.

В соответствии с формулой Вульфа- Брогга

ПРИ уменьшении расходимости зондиру- ющего луча и повышении его монохрома

2 A Sin 01 1,:

(10)

В аддитивно окрашенных щелочно-га- лоидных кристаллах запись голограмм на F-центрах сопровождается следующими фототермическими реакциями, при водящими к коагуляции электронных центров окраски: е --Ј- FЈ, F+2 +e - F4, F2 + FA + e - F .

F,+eF +vt

et F,

F,

v.

Ffc, F,,.

2

Ca2%c vj

pH

Ca2.v+

« Г2 r2TV a и т.д Легирование кристалла щелочно-зе- мельным металлом приводит к образованию Z-центров; Са vJT + VQZ , где: F - центр в возбужденном состоя-

нии, е - электрон; анионная вакансия; 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 F-полосу поглощения, а по лосы поглощения других центров окраски выделить невозможно из-за их сильного перекрытия,

голографический спектр,, снятый по р 01 слипу (кривая 18), выделяет F-полосу поглощения лишь качественно, т.к. максимумы { ОД) не совпадают с полушириной F-полосы, а другие полосы не выделяются из-за существенного поглощения в голограмме, влияющего на величину Ч СД) согласно формулам (5), (8) и отражения света от поверхности образца.

Голограгаический спектр, снятый по предлагаемому способу (кривая 19), позволяет выделить не только отдельные полосы поглощения, но и количественно определить их полуширину и положение максимума поглощения. Это обусловлено тем, что, согласно формуз

лам (3), (4), (2), измеряемая функция д вания голограммы как пассивного моду50

u(7l) 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 Д , чем среднее значение fU в голограмме.

В таблице приведены значения полу- . ширины (W) полос поглощения и положения их максимумов С), измеренные по представленным на фиг. 2 спектрам поглощения (№1), по прототипу () , по

лятора добротности резонатора лазера. Это обусловлено тем, что функцию и ( /О измеряют в спектральной области, выходящей за пределы полосы поглощения центров окраски J, 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 отдельс

10

23318

предлагаемому способу (№3), согласно литературным данным (№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

0

5

ны волны величины u 1л/1, а не СА) I./Тй , где 1д - интенсивность света в первом порядке дифракции; I - интенсивность света, прошедшего через образец под углом дифракции;

0 интенсивность света, падаю0

5

0

,щего на образец. Поэтому в голографи- ;ческом спектре, измеряемом по предлагаемому способу, каждой полосе nor- лощения соответствуют три максимума: центральный, совпадающий с максимумом полосы поглощения и обусловленный 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 функциональные возможности, т.к. позволяет целенаправленно изменять оптические и топографические свойства образца, достигая максимального значения u(fl) в области спектра, представляющей наибольший интерес, нап например с целью дальнейшего использо0

.

лятора добротности резонатора лазера. Это обусловлено тем, что функцию и ( /О измеряют в спектральной области, выходящей за пределы полосы поглощения центров окраски J, 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,

ные полосы поглощения. Это обусловлено тем, что каждой полосе поглощения соответствуют три максимума в гологрч- Фическом спектре. Кроме того, одному спектру поглощения соответствуют несколько голографических спектров в различных порядках дифракции, согласно условию (10). Поэтому данный способ

0

окраски, включающий образование в нем объемной амплитудно-фазовой голограммы и восстановление ее монохромати15

20

позволяет в ряде случае повысить точность 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 свойства. При понижении температуры образца разрешение голографических спектров, как и спектров поглощения, увеличивается.

Так как голографическая решетка является поляризационно чувствительным элементом, то можно избирательно повысить ее ДЭ в спектральной области поглощения центров окраски, ориентированных вдоль определенного кристалле- 30 центров окраски, на которую приходит- графического направления, например, ся длина волны излучения лазера, осу- Р2-центров, ориентированных вдоль ществляющего запись голограммы, по ко- . Дпя этого вектор напряженности торым судят о концентрации ч физичес- электрического, поля световой волны и ких свойствах исследуемого образца.

25

ческим светом, измерение интенсивности в первом порядке дифракции, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения концентрации центров окраски и разрешающей способности и расширения спектральной области исследования свойств образца, измеряют интенсивность света, прошедшего через образен под углом дифракции, определяют отношение интенсивности в первом порядке дифракции к интенсивности света, прошедшего через образец под углом дифракини, и зависимость этого отношения от длины волны света, восстанавливающего голограмму, в спектральной областл, выходящей за пределы полосы поглощения

465 460 4ь5 465

0,50 725

0,50 0,47

725 728

- 630

0,18 560 0,21 640 0,16 565 - 660

интерференционные полосы ориентируют при записи голограммы вдоль направления по.

Формула изобретения

Способ голографической спектроскопии- твердого тела, содержащего центры

0

окраски, включающий образование в нем объемной амплитудно-фазовой голограммы и восстановление ее монохромати5

0

0 центров окраски, на которую приходит- ся длина волны излучения лазера, осу- ществляющего запись голограммы, по ко- торым судят о концентрации ч физичес- ких свойствах исследуемого образца.

5

ческим светом, измерение интенсивности в первом порядке дифракции, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения концентрации центров окраски и разрешающей способности и расширения спектральной области исследования свойств образца, измеряют интенсивность света, прошедшего через образен под углом дифракции, определяют отношение интенсивности в первом порядке дифракции к интенсивности света, прошедшего через образец под углом дифракини, и зависимость этого отношения от длины волны света, восстанавливающего голограмму, в спектральной областл, выходящей за пределы полосы поглощения

830

975

820 0,22 965 837

0,21

,0 1,& 1,61,Ь

П

X R,МN

nl I I

У Ј,э6

1 го

ъ 16

1, 0,8

700

900

Я.нм