ГЛАВА 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Решение поставленных задач в рамках диссертационной работы потребовало создание целого ряда экспериментальных установок, которые учитывали специфику оптических свойств редкоземельных примесных центров. Эта специфика состоит, прежде всего, в их атомно-подобном линейчатом спектре оптических переходов. Поэтому основу экспериментальных установок составляли узкополосные лазеры на красителях, работающие в непрерывном и импульсном режимах, способные возбуждать люминесценцию редкоземельных центров активации в широком спектральном (УФ, ИК, видимом) и временном (наносекундном, микро- и миллисекундном) диапазонах. Так как изучение оптических свойств примесных центров проводилось при низких (гелиевых и азотных) температурах, то в экспериментальных установках использовались различного рода криостаты. А учет особенностей свойств кристаллов нанометрового диапазона потребовал создание экспериментальных средств, которые включали в себя опыт регистрации оптического сигнала от объектов молекулярного размера, накопленный при изучении свойств одиночных молекул.
2.1. Измерение оптических спектров примесного центра в видимом и инфракрасном диапазонах
В качестве основной части измерительного спектрального комплекса в выполняемых экспериментах являлся монохроматор МДР-23, собранный по схеме Черни - Турнера [104,105]. При хорошей светосиле (относительное отверстие 1:6) и обратной линейной дисперсии (13нм/мм с решеткой 1200штр/мм) данный монохроматор является универсальным средством для исследования спектральных свойств линейчатых спектров в диапазоне от 0.2-1.3 мкм. Наличие шагового двигателя, вращающего дифракционную решетку монохроматора, позволяет автоматизировать проведение исследований с помощью персонального компьютера. Система автоматизации эксперимента была построена на основе электронных модулей и блоков, выполненных в стандарте КАМАК. В зависимости от требований эксперимента создавались разные наборы электронных модулей, адаптированных к стандарту КАМАК. Управление модулей КАМАК осуществлялось персональным компьютером через специально разработанный адаптер.
При проведении низкотемпературных оптических измерений кристаллы помещались либо в гелиевый, либо в азотный криостаты.
2.1.1. Измерение спектров поглощения в видимом диапазоне
Блок-схема измерения спектров поглощения в видимом диапазоне приведена на рис.2.1. В качестве источника непрерывного света применялась галогенная лампа КГМ12-100, подключенная к стабилизированному источнику тока. Свет лампы, сфокусированный на исследуемый кристалл линзой, проходил через него и затем фокусировался на входную щель монохроматора конденсором. Для регистрации спектра в видимом диапазоне в монохроматоре использовалась дифракционная решетка 1200 штр/мм. На выходе монохроматора свет регистрировался с помощью ФЭУ-100, специально отобранного и работавшего в режиме счета одиночных фотонов. Питание фотоэлектронного умножителя производилось от источника стабилизированного высокого напряжения. Перестраиваемый по напряжению блок питания ФЭУ-100 позволял выходить и поддерживать режим счета одиночных фотонов. Подавление шумов ФЭУ осуществлялась путем выбора порогового напряжения на входе усилителя дискриминатора (УД), который, кроме выбора полезного импульса, приводил их к стандартной величине амплитуды напряжения +5 вольт, необходимой для устойчивой работы микросхем ТТЛ логики счетчика импульсов МКО-101, входящего в состав крейта КАМАК. С целью настройки системы счета, во избежание прохождения спаренных импульсов и искажения результата счета, скорость счета визуально контролировалась с помощью частотомера Ч3-34А. Минимальное время счета импульсов составляло 0,1 с. В зависимости от интенсивности измеряемого светового потока, временной интервал счета фотонов задавался через персональный компьютер (ПК) и контролировался программно. Для увеличения достоверности результатов измерения полученное число импульсов на каждой длине волны усреднялось по нескольким циклам измерений. Число таких циклов измерений задавалось через ПК и зависело от соотношения сигнал-шум измеряемого сигнала.
Рис. 2.1. Блок-схема экспериментальной установки по измерению спектров поглощения в видимом диапазоне длин волн. МУШТ - модуль управления шаговым двигателем, ВБП - высоковольтный блок питания, УД - усилитель-дискриминатор.
После измерения интенсивности светового потока в заданной спектральной точке монохроматор перестраивался по длине волны шаговым двигателем. Дискретность перестройки ?? задавалась программно. Соответствующее число шагов вычислялось и автоматически выполнялось модулем управления шаговым двигателем (МУШД), входящим в состав крейта КАМАК.
2.1.2. Измерение спектров поглощения в инфракрасном диапазоне
Для измерения спектров поглощения в ИК диапазоне (рис.2.2) в монохроматор устанавливалась дифракционная решетка 600 штр/мм.
Рис. 2.2. Схема экспериментальной установки по измерению спектров поглощения в инфракрасном диапазоне.
В качестве источника непрерывного света также применялась галогенная лампа КГМ12-100, излучающая в ИК диапазоне до 1500нм. Отличие ИК измерений от измерений видимого диапазона было в системе регистрации. ФЭУ-62, предназначенный для работы в ИК области, не мог работать в режиме счета одиночных фотонов, и поэтому использовался токовый режим. В этом случае, токовый сигнал ФЭУ усиливался усилителем постоянного тока (УПТ) с широким диапазоном линейности усиления, а затем оцифровывался аналого-цифровым преобразователем (АЦП), установленным в крейт КАМАК [106,107].
2.1.3. Измерение спектров люминесценции
Схема экспериментальной установки по измерению спектров люминесценции (рис.2.3) условно можно разделить на несколько блоков: блок регистрации оптического сигнала, аналогичный схеме регистрации при измерении поглощения; блока возбуждения люминесценции, основой которого является перестраиваемый лазер на красителе, и