HCl_Xe掺杂CO矩阵晶体中Xe_2Cl_电子态跃迁

HCl_Xe掺杂CO矩阵晶体中Xe_2Cl_电子态跃迁 第 16 卷 第 9 期V o l. 16, N o. 9 光 学学报 1996 年 9 月 1996 Sep tem be r, A C TA O P T ICA S IN ICA 掺杂 + 矩阵晶体中H C lX e CO 3+ -2 电子态跃迁 X eC l 盛新志 刘逢梅 胡孝勇 赵景山 马祖光 ()哈尔滨工业大学光电子技术研究所, 哈尔滨 150001 +摘 要 报道 掺杂 矩阵晶体中, 在 308 激光的激发下, 首次观测到准分子 + H C lX e CO nm X e2 Α- + - () 的特征辐射荧光谱。双光子诱导电荷转移合作吸收反应: + + 2h Μ?中, 双 C lX eH C lX eH C l- 42 4 6 光子吸收截面大于 5×10。 cm s 关键词 固态, 准分子激光, 一氧化碳。 1 引言 在新近出现的固态稀有气体卤化物准分子激光器中, 能消除碰撞对激光上能态的淬灭效 应和卤素腐蚀作用, 可得到宽带可调谐激光, 且准分子数密度比气相时高出 4, 5 个数量级, 1 增益系数很高, 将对稀有气体卤化物准分子激光器性能有很大改进。等人先后在A p k a r ian + - 2 、等稀有气体晶体矩阵中, 观测到 的电子态跃迁, 进而实现了激光作用。掺 2 A rX e X eC l 杂在晶体矩阵中的 的混合物受激光辐照, 发生双光子诱导电荷转移合作吸收反+ H C lX e 2, 3 应。理论表明, 在稀有气体矩阵中, 所以能发生双光子诱导电荷转移合作吸收反应, + 产 生 稀 有 气 体 卤 化 物 准 分 子, 是 由 于 反 应 前 ƒ体 系 的 偶 极 矩, 比 反 应 生 成 物 H C lX e X e - 5 () 的小很多。与使用非极性的稀有气体作矩阵隔离材料相比, 若使用极性分子作矩阵H C l + - () 材料隔离 掺杂物, 因极性分子对 和对 分子的偶极矩产生的作用不 ƒH C lX e X eH C lH C l 同, 使得它们之间偶极矩差进一步增大, 从而增加双光子诱导电荷转移合作吸收反应截面,提高对固态准分子激光上能级的激发效率。本文采用 气体作矩阵隔离气体, 低温隔离CO + - 掌握各2 首次观测到 的特征荧光谱。目的是寻找新的固态准分子激光介质, + , H C lX eX eC l 项反应速率常数, 为研制新型固态稀有气体卤化物准分子激光器提供必要的实验数据。 2 实验 实验装置如图 1 所示, 掺杂 的 矩阵晶体样品, 是用矩阵隔离技术在 2+ H C lX e CO G M () 冷头上的温度是制冷机 国产 型冷头蓝宝石基片 上沉积成的。最低温度可达 14 , 50 C W S K 3 国家自然科学基金资助。 收稿日期: 1996 年 1 月 14 日; 收到修改稿日期: 1996 年 5 月 2 日 用氢蒸汽压表测量的; 冷冻室的石英观测窗都是用“O ” ( ) 形 圈密封, 并由真空机组 国产 2150 型维持真空; J K 使用两个电离规监测真空度, 一个测量冷冻室, 一个测 量泵组抽气口。在开动制冷机组之前, 冷冻室真空度要 - 4 - 4 达到 6. 7×10制冷开始后,可达 1. 3×10。 , P a P a () 预先 配 制 好 的 H C l+ X e ƒCO 混 合 气 体, 存 放 在 玻璃储气瓶 中, 通过针阀和特制的针形喷口, 沉积于G 镶嵌在冷头上的蓝宝石基片上, 制成晶体样品。喷口距 基片 2 ,与基片表面法线成 45?角; 在本实验中, 蓝cm 2F ig. 1 E xp e r im en ta l d iag ram : E X eC l 宝石基片厚 3 , 喷口直径 1 。本实验采用沉积温mm mm ( ) 308, 22 , nm exc im e rM M ir ro rL 度为 14 ,脉冲频率在 0. 1 H z, 脉冲量约为 0. 08 P a K 22 , , fo cu sing len sSsub st ra teT Ξ 。实验使用的 纯度优于 99. 99% , 优于ƒm p u lse X e CO 2, , te le scop eM C m o no ch rom a to r99. 99% , 优于 99% 。H C l 22, PM p ho tom u lt ip lie rC Ibo xca r ( 用 准 分 子 激 光 器 德 国 X eC l L am b da P h y sik, 2and com p u te r in te rfacePC com 2 ) 作泵浦源, 在输出光波长 308 、重复201EM G M SC nm , 2,2p u te rO o sc illo scop e R ref r ig2 (频率 5 H z 条件下, 每个脉冲能量为 140 m J FW HM = 2, ,e ra t io n sy stem Gga s m an ifo ld 2V vacauum sy stem )一个聚焦透镜, 一个介25 。光束用两个光栏定形: n s ( ) 质膜反射镜。在激发光束的垂直方向接收荧光信号 用一石英透镜组聚光, 使用光纤传输到 () 单色仪 美国 1870 0. 25的接收狭缝上; 单色仪的输出光信号经光电倍增管放大, 输入Sp ex m ) 最后将信号输入到数(信号平均器 美国 使用光触发 162, ; Bo x ca r E G&G PA R M o de lBo x ca r ( ( ) ) 据采集系统 美国 22197中。整个系统由一台微机 控制, 并进行数据记 2250ƒH P A D PC X T () 录、分析; 用示波器 美国 进行观察。使用单色仪扫描, 荧光谱。将单色仪固定 7834T ek 在荧光峰值处, 记录荧光强度随泵浦光的变化关系。 3 结果与讨论 图 2 为 H C lƒX e 掺杂 CO 低温矩阵晶体的样品照片。 使用针孔喷气, 沉积的晶体厚薄 ( 不均, 薄处透光强, 照片中心暗斑处晶体厚。实验发现, 用 308 ) 激光辐照样品, 出现明亮可见的黄色辐射。该辐射带中心波nm 长为 573 ,随着辐照时间增加, 荧光强度增强。为排除气体杂nm 质影响, 分别对纯 固态样品、掺杂 固态样品、掺CO X e CO H C l ( ) 杂 固态样品, 进行了同样的 308 激光辐照, 均没有观察 CO nm ( 到 该 荧 光 出 现。荧 光 谱 不 随 辐 照 光 强 度、冷 冻 温 度 14 , 30K . 2 )( ) F igT h e p ho to o f c ry s2 、样品中掺杂比 [?? 50, 1? 1000而变化。图 3ƒ]= 1K H C lX e CO ta lline CO w ith X e 是记录的荧光谱。图 4 是该荧光强度随辐照时间的变化关系。在 and H C l ( ) 初 始时刻 2 , 荧光强度随辐照强度增强的对数关系曲线,m in () 钭率为 1. 84。实验结果表明,发生了光化学反应, 产生了稀在固态 + 体系中, ƒ H C lX eCO Ξ 气体在全玻璃系统中配制与混合; 配好的混合气体, 至少要放置 16 , 使之混合均匀。当要更换卤素气体时, 至少 h 要对全系统进行 2, 3 次纯化处理。 有气体卤化物准分子分子。要产生稀有气体卤化物准分子分子, 首先要对其中掺杂的 H C l 解 5 离。的解离能为 4. 4 ,在此解离态之下,不存在别的电子态。实验中所用的 308 H C l eV nm激发光, 比 的解离能量阈值低, 因此, 在实验所用的激发光波长区域, 单光子不可能解H C l 离 。双光子能量虽足以解离 但由于无中间增强电子态, 故双光子吸收过程也是很, H C lH C l 4 - 50 4 + - 弱; 在气体实验中, 该双光子吸收截面小于 10。但在固态中, 观测到的 荧 2 cm sX eC l光辐射较强,H C l 的解离效率很高。只有用双光子合作吸收解离反应, 才能解释 H C l 的高效 4 率解离。 + . 3 308F igT h e em ssio n sp ec t ra o f X e2 C l exc ited by F ig. 4 G row th o f th e 573 nm em issio n in ten sity in X e 2 ( ) ?? ? 4 ? 100141 () () H C lCO so lid a t K a s func t io n nm in aga s p h a seb so lid CO () , 308 o f ir rad ia t io n t im eT h e nm la se r f luence 3. 8 ƒ. is m J cmIn se t show s an exp an sio n o f th e 2 signa ls du r ing th e f ir st m in o f ir rad ia t io n 对荧光强度增长曲线, 做简单的动力学分析, 即可得出在 H C lƒX e 掺杂 CO 晶体矩阵中双光 () 子跃迁截面。实验中测得荧光强度随辐照强度关系, 在辐照初始时刻 2 , 近似为二次方m in 关系, 这时,可以认为激发光以双光子反应为主。可以忽略激发光单光子激发 反应,ƒ C lX e 4即假设晶体中 原子浓度很小。双光子跃迁速率 : C l 2 () ex 5 # = ΑI e - 2 - 1 4 () () 这里 I 是激发光子通量, Α〃为双光子跃迁截面。荧光信号强度, 标志着形 exe cm scm s 成三原子准分子的速率, 也是双光子反应速率。将荧光信号用荧光光子能量 h Μ换算, 时间轴 ( ) 换成辐射时间 t = f × ? t, ? t 为激光脉冲长度, f 为脉冲频率, 则相应增长曲线的初始斜率 - 42 4 为双光子反应速率。代入上式计算可得: Α= 5×10〃。由于计算中没有考虑笼蔽效应 cm s () 及 原子扩散效应, 所得 Α值是双光子反应截面的下限。可见, 在固态 + ƒ体系C l H C lC lCO 中的双光子反应截面, 略高于 A p k a r ian 等人在 H C lX e 矩阵晶体中测得的双光子反应截面 1ƒ - 42 4 7 ×10〃值, 因而对准分子激光上能态的激发效率较高。但因低温沉积 易形成多 cm sCO () 晶, 实验制出的 + ƒ矩阵晶体是多晶体, 透明性能尚不好, 光学性能较差, 要获H C lX eCO () 得作激光介质使用的 + ƒ矩阵晶体, 还需要在上不断摸索。H C lX eCO + - 结 论 作者首次在掺杂 的极性分子气体 矩阵晶体中, 观测到 的电子 + H C lX e CO X e2 C l态跃迁, 573 是本实验中观测到的唯一辐射带。在掺杂 的极性分子 矩阵晶+ nm H C lX e CO - 42 4 体中, 双光子诱导电荷转移合作吸收是一个高效过程, 双光子吸收截面大于 5×10〃cm () s, 该值高于 X e 矩阵晶体中相应的反应截面, 表明用 H C l+ X lCO 矩阵晶体做激光介质, ƒ 效率将较高, 是固态稀有气体卤化物准分子激光器理想的介质材料。 参 考 文 献 1 ( 盛新志, 刘逢梅, 胡孝勇等, 固态稀有气体卤化物准分子激光器. 激光与光电子学进展, 1995, 7 增 ) 刊?64, 65 2 V. A. A p k a r ian, M . E. F a ja rdo , L. W iedem an e t a l. , Co nden sed p h a se exc ip lex la se r s. U. S. P a ten t, 1992, 005124625,U SA A. V. D an ilych ev, V. A. A p k a r ian, A tom ic O xygen in c ry sta lline K r and X e. II A d iaba t ic Po ten t ia l () . ?5556, 5560 1994, 100 8E ne tgy Su rfaceJ . C h em . P h y s. , . , . . , . . , :3 RA m lim iVAA p k a r ianRBGe rbe rE ffec t o f p re su re o n m o lecu la r p ho to d isso c ia t io n in m a t r ic s () . 1992,m o lecu la r dynam ic s sim u la t io n s o f C l2 in X eJ . C h em . P h y s. , 98 1?331, 337 F. O k ado , V. A. A p k a r ian, E lec t ro n ic re laxa t io n o f in ga seo u s and su rp e rca it ica l f lu id xeno n. J . C h em . () P h y s. , 1990, 94 1?133, 139 21982. N ew Y o rk , U. S. A m e r ican I ns t i tu te ofC. K. R ho de s, H. E gge r, H. P umm e r, E xc im e r la se r s P h y s ics, 1983?230, 237 . , . . , 2C h em . P h y s. 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L e t t. , + lec tron ic Re la xa t ion of the Exc ip lex in HC lXe D oped Cry sta ll in e CO Sh en g X in zi L iu F en gm e i Zh ao J in g sh an M a Zu gu an g H u X iao yo n g )( , 150001 2, T ech n ology H a rbin I n s t itu te of O p toE lec t ron icsH a rbin I n s t itu te of ()14 1996; 2 1996 R ece ived J an u a ry rev ised M ay + -+ ,A bstra c t T h e em is s io n sp ec t rum o f X eC l in H C lX e dop ed c ry s ta llin e CO 2 308 , . ex c ited b y nm la se ra re f ir st ly o b se rva tedT h e coop e ra t ive ch a rge t ran sfe r Α3 2h Μ?[2: + + ƒ], , ab so rp t io n sX eH C lH C lX e is dem o n st ra ted an d th e fo u rbo dy- 42 4 ?5×10308 .tw o p ho to n ab so rp t io n c ro ss sec t io n a t nm is cm s ,,.Key word s so lid p h a se ex c im e r CO