Люминесценция, виды и применение

Что такое люминесценция?

"Люминесценция (от латинского luminare = освещать). Это собирательный термин для обозначения различных явлений, когда вещество излучает свет без сильного нагрева..."

История

История изучения люминесценции охватывает множество открытий и исследований, начиная с древних времен и до наших дней. Вот краткий обзор ключевых этапов:

• Древние времена: Первые упоминания о свете, испускаемом различными веществами, можно найти в работах древних греков, например, у Фалеса Милетского, который заметил свечение янтаря при трении.
• 17-18 века: В это время учёные, такие как Гевелий и Ньютон, начали исследовать природу света и его взаимодействие с веществами. Ньютон, в частности, изучал спектры света.
• 19 век: В 1820-х годах учёный Вильгельм Вебер и другие начали систематически исследовать флуоресценцию и фосфоресценцию. В это время также были открыты первые люминесцентные материалы.
• 20 век: С развитием квантовой механики и физики атомов учёные, такие как Мари Кюри и её муж Пьер, исследовали радиоактивные элементы, которые также проявляют люминесценцию. В 1930-х годах началось активное использование люминесцентных материалов в различных приложениях, включая освещение.
• Современные исследования: С конца 20 века и до настоящего времени изучение люминесценции стало важной частью биологии, медицины и технологий. Разработка флуоресцентных меток и наночастиц привела к революции в визуализации клеток и молекул.

Таким образом, изучение люминесценции прошло долгий путь, от первых наблюдений до современных технологий, которые находят применение в науке, медицине и промышленности.

Виды люминесценции

Виды люминесценции различаются в соответствии с различными критериями, наиболее важными из которых являются механизм возбуждения и время затухания.

Фотолюминесценция

Это излучение света, которое возникает при облучении светом (обычно видимым или ультрафиолетовым). Она включает в себя возбуждение электронов в состояния с более высокой энергией, что может привести к радиационному распаду. Время затухания обычно составляет порядка нескольких наносекунд, если задействованы разрешенные переходы, но в других случаях может быть намного больше.

В случаях, когда затухание происходит относительно быстро, за пару миллисекунд, используется термин «флуоресценция» или «фосфоресценция». Последний термин включает в себя накопление энергии в метастабильных состояниях и ее высвобождение посредством относительно медленных (часто термически активируемых) процессов. Это явление было обнаружено на ранней стадии для фосфора.

Распространенными источниками флуоресцентного света являются люминесцентные лампы, содержащие люминофор, возбуждаемый ультрафиолетовым излучением. Как правило, длины волн излучаемого света длиннее, чем длины волн возбуждения, но существуют также процессы преобразования с повышением, когда это не так.

Физические свойства

Фотолюминесценция в полупроводниках и диэлектриках обычно возникает только при освещении вещества светом, энергия фотонов которого превышает энергию запрещенной зоны.

Исключением являются случаи с многофотонным поглощением при высоких оптических интенсивностях. Фотолюминесценция обычно возникает для длин волн, близких к длине запрещенной зоны.

Во многих случаях фотолюминесценция возникает только при наличии определенных примесей или добавок в материале. Например, флуоресценция может возникать, когда лазерные усилители, легированные редкоземельными элементами, накачиваются светом, который может возбуждать ионы редкоземельных элементов.

В этом случае излучение может происходить в различных диапазонах длин волн, соответствующих оптическим переходам этих ионов. Когда есть каскад переходов, можно получить более одного фотона на поглощенный фотон.

Фотолюминесценция может быть значительно подавлена, если есть быстрые нерадиационные переходы на более низкие энергетические уровни, что приводит к очень малому времени жизни возбужденных уровней.

Флуоресценция

Флуоресценция - это короткоживущая фотолюминесценция, возбуждаемая при облучении вещества светом. 

Попадая на образец, переводит атомы, ионы или молекулы в образце в возбужденные состояния (за счет поглощения фотонов), откуда они распадаются на более низкие состояния. Например, их основные состояния за счет спонтанного излучения фотонов флуоресценции. 

Это явление используется для освещения, особенно в люминесцентных лампах. Также является побочным эффектом в различных типах лазеров и усилителей с оптической накачкой. Например, в твердотельных лазерах и усилителях на легированных изоляторах (включая волоконные лазеры и волоконные усилители), в полупроводниковых лазерах с оптической накачкой и в лазерах на красителях. Результирующее излучение называется флуоресцентным светом.

Процессы преобразования с повышением приводят к заселению относительно высоколежащих уровней энергии, откуда излучается синий и даже ультрафиолетовый свет. Такие волокна подходят для генерации в синей области спектра около 480 нм. Слабые пики около 700 нм являются артефактами, вызванными дифракцией ультрафиолетового света второго порядка на спектрографе.

Вещества, излучающие флуоресценцию, или иногда просто части более крупных молекул, называются флуорофорами. Некоторые искусственные флуорофоры могут быть добавлены к образцам при флуоресцентной спектроскопии.

Спектр флуоресценции

Оптический спектр флуоресцентного света обычно отличается от спектра света, который первоначально вызвал возбуждение среды. Значительный сдвиг Стокса (разница в энергиях фотонов поглощенного и излучаемого света) может возникнуть из-за того, что часть энергии возбуждения преобразуется в тепло в среде. 

Например, возбужденные атомы или ионы могут сначала подвергнуться оптическому или нерадиационному переходу на некоторый промежуточный уровень, прежде чем испускать флуоресцентный свет при переходе в основное состояние или на некоторый более высокий энергетический уровень. 

Также возможно, что происходит каскад эмиссионных процессов, то есть каскад переходов на более низкие энергетические уровни; в этом случае на один поглощенный фотон может излучаться более одного фотона флуоресценции.

В твердотельных средах с лазерным усилением фононы приводят к очень быстрой термализации в коллекторах уровня Штарка. Поскольку излучение происходит в гораздо более длительном масштабе времени, спектральная форма спектра излучения не зависит от точной длины волны возбуждающего света.

Случаи резонансной флуоресценции чаще всего с атомами или молекулами – это случаи, не связанные с дополнительными переходами, когда взаимодействующие атомы или молекулы можно рассматривать как простые осцилляторы с определенной резонансной частотой. В этом случае длины волн излучения близки к длине волны возбуждения.

Электролюминесценция

Это излучение света, вызванное электрическими воздействиями. Например, внутренний поток электрического тока, через p–n-переход в полупроводниковом устройстве (светоизлучающем диоде), может генерировать электронно–дырочные пары, которые производят люминесценцию при рекомбинации. Существуют также электролюминесцентные дисплеи, на которые подается относительно высокое напряжение на два электрода, между которыми находится какой-либо органический или неорганический электролюминесцентный материал (люминофор).

В случае возбуждения свободными электронами (электронным пучком) это называется катодолюминесценцией. Здесь энергия от входящих электронов в основном передается за счет событий неупругого рассеяния, обычно вызывающих большое количество возбуждений электронов на входящий электрон.

Электролюминесценция - это свечение, возникающее в результате электрических воздействий. Технологически наиболее важный тип электролюминесценции, используемый в светодиодах, возникает в полупроводниковых p–n переходах, где электрический ток может генерировать электронно–дырочные пары. Последующая рекомбинация этих пар может привести к излучению света. 

Квантовая эффективность такой электролюминесценции может быть очень высокой в полупроводниках с прямой запрещенной зоной с низкой плотностью дефектов кристалла. 

В среднем получается почти один фотон на каждую электронно–дырочную пару или на каждый электрон, отправленный в устройство. Следовательно, Энергия фотонов цвет излучаемого света по существу определяются энергией запрещенной зоны материала.

Другой вид электролюминесценции, называемый катодолюминесценцией, возникает, когда электронный луч попадает на какой-либо люминесцентный материал. Падающие электроны обеспечивают перенос электронов из валентной зоны в зону проводимости, то есть создание электронно–дырочных пар. Последующее излучение фотонов работает так, как описано выше.

Радиолюминесценция

Вызывается возбуждением ядерным излучением (α, β, γ или ионами) или рентгеновскими лучами. Это также называется сцинтилляцией. Он используется, например, в некоторых детекторах рентгеновского излучения.

Триболюминесценция

Может возникать, когда материал подвергается механической обработке, например, разрушению или полировке. Это также можно наблюдать при отслаивании клейких лент. Лежащие в основе физические механизмы часто не совсем понятны, но могут включать некоторое разделение электрических зарядов, так что электролюминесценция может быть действительно задействована.

Хемилюминесценция и биолюминесценция

Хемилюминесценция - это свет, излучаемый во время (холодных) химических реакций. Здесь продукты реакции генерируются в возбужденных состояниях, которые распадаются до основного состояния за счет люминесценции.

Биолюминесценция - это хемилюминесценция живых организмов. Хотя он редко встречается в повседневной жизни, он часто встречается у организмов, живущих в глубоком море.

Термолюминесценция

Термолюминесценция - это тип фосфоресценции, который возникает при повышенных температурах. Его не следует путать с тепловым излучением: тепловое возбуждение вызывает только выделение энергии из другого источника. Следовательно, требуемые температуры намного ниже, чем для интенсивного теплового излучения.

Применение

Люминесценция — это удивительное явление, которое находит множество применений в различных областях. Вот несколько ключевых направлений:

• Освещение: Люминесцентные лампы и светодиоды (LED) обеспечивают эффективное и экономичное освещение, что помогает снизить потребление энергии.
• Научные исследования: В биологии и медицине люминесценция используется в флуоресцентной микроскопии для изучения клеток, тканей и молекул, что значительно улучшает диагностику и исследование.
• Датчики и индикаторы: Люминесцентные материалы применяются в различных датчиках, которые реагируют на изменения температуры, pH и другие параметры, обеспечивая высокую точность измерений.
• Безопасность: Люминесцентные краски и материалы используются для создания знаков безопасности и аварийных выходов, которые светятся в темноте, обеспечивая видимость в условиях низкой освещенности.
• Технологии отображения: Люминесцентные экраны и дисплеи используются в телевизорах, мониторах и других устройствах, обеспечивая яркое и четкое изображение.
• Продукты и упаковка: Люминесцентные добавки помогают защитить упаковку от подделок, а также могут использоваться для создания привлекательного дизайна.
• Искусство и развлечения: Люминесценция применяется в художественных инсталляциях, ночных клубах и на мероприятиях для создания уникальной атмосферы и эффектных визуальных эффектов.

Эти примеры показывают, как широко и разнообразно применяется люминесценция в нашей жизни, и с развитием технологий её возможности продолжают расширяться!