Калининградские ученые обнаружили эффект люминесценции — свечения вещества без его нагрева — при воздействии инфракрасным излучением на оксид иттербия. Раньше это явление наблюдалось только при сочетании нескольких редкоземельных металлов. Открытие позволит значительно удешевить и упростить производство лазерной оптики, а также поможет добиться большей мощности излучения.

Работа выполнена в рамках проекта Российского фонда фундаментальных исследований при поддержке правительства Калининградской области (проект № 19–42–390002). Статья исследователей опубликована в журнале Optics Communications.

При нагревании до определенных температур вещества начинают излучать свет — электромагнитную энергию в видимой области спектра. Электроны, находясь на одном из высших энергетических уровней, самопроизвольно переходят на более низкие, испуская часть энергии в виде кванта света. Однако существуют виды свечения, возбуждаемые за счет любого другого вида энергии, кроме теплового. Они называются люминесценцией. Люди используют люминесцирующие вещества для создания источников света, стараясь минимизировать другие виды выделения энергии — нагрев, химические реакции и так далее.

При кооперативной люминесценции поглощенная в двух или более активных центрах люминесцирующей молекулы энергия передается в одно место, из которого испускается. В процессе длинноволновое (обычно инфракрасное) излучение преобразуется в более высокоэнергетическое коротковолновое (например, в видимый свет).

Это явление наблюдается при оптическом возбуждении особых «кооперативных» люминофоров — специально подобранных пар редкоземельных ионов — иттербия, тулия, гольмия, эрбия и других. В такой паре (Yb³⁺ и Еr³⁺; Yb³⁺ и Но³⁺; Yb³⁺ и Tm³⁺ или Yb³⁺и Tb³⁺) один из ионов служит сенсибилизатором, то есть усиливает восприимчивость к свету, а другой — активатором, то есть образует в основном веществе центры свечения. Редкоземельные металлы внедряют в кристаллические матрицы, стекло или керамику и используют при производстве излучателей, лазеров, волноводов, преобразователей энергии и биосенсоров. Оптические свойства этих объектов во многом обусловлены их размерами, формой и структурой поверхности, а процесс их создания довольно дорогостоящий и трудоемкий.

Ученые из Балтийского федерального университета имени И. Канта совместно с коллегами из Калининградского государственного технического университета выяснили, что такой же механизм свечения реализуется при взаимодействии двух ионов иттербия Yb³⁺. Исследователи обнаружили, что при воздействии инфракрасным излучением на порошок его оксида Yb₂O₃возникает красное свечение, то есть люминесценция не требует использования второго вещества. Они показали, что оптические свойства этого эффекта можно контролировать, изменяя мощность возбуждающего излучения и его поляризацию — плоскость, в которой распространяется электромагнитная волна.

Учитывая дороговизну редкоземельных металлов, использование только оксида иттербия в производстве лазерной оптики дает перспективы для его существенного упрощения и удешевления. Кроме того, устойчивость иттербия к экстремальным температурам позволит материалу выдерживать мощное излучение. Также полученные результаты могут быть полезны при создании преобразователей энергии в области ближнего ИК-диапазона и использованы в оптосенсорике.

«Полученный эффект может применяться для улучшения приборов ночного видения. Оптика улавливает инфракрасное излучение — тепло — и на его основе формирует изображение, а способность оксида иттербия усиливать сигнал поможет сформировать более сильный поток, что сделает изображение гораздо четче, чем в приборах, линзы которых изготовлены с помощью традиционных технологий», — рассказала одна из исследователей, старший научный сотрудник научно-образовательного центра «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника» БФУ Анна Цибульникова.