Фотолюминесценция — нетермическое испускание фотонов веществом, возникающее при возбуждении вещества электромагнитным излучением в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах длин волн. Фотолюминесценция является видом люминесценции и проявляется при возбуждении вещества фотонами, отсюда и приставка фото-. Длительность процесса излучения варьируется от фемтосекундных значений, в частности для полупроводниковых систем[1], до микросекундных, например, в органических комплексах лантаноидов[2].
Фотолюминесценция делится на флуоресценцию, фосфоресценцию и замедленную флуоресценцию в зависимости от природы первого возбужденного и основного состояний.
Флуоресценция описывается синглетным переходом, то есть на первом возбужденном уровне и на основном электроны имеют противонаправленный спин. Мультиплетность будет равна 1. Такие переходы квантовомеханически «разрешены». Для флуоресценции характерны сравнительно короткие характерные времена затухания порядка десятка наносекунд.
Фосфоресценция описывается триплетным переходом (с мультиплетностью, равной 3), меняя спин на сонаправленный с электроном на основном уровне. По правилу Хунда энергия такого перехода ниже, так как часть энергии тратится на изменение ориентации спина электрона на возбужденном уровне. Такие переходы запрещены, а константы скорости испускания малы. Характерные времена затухания фосфоресценции лежат в диапазоне от миллисекунд до секунд, что главным образом зависит от других релаксационных процессов.
Два излучательных процесса — флуоресценция и фосфоресценция — отличаются друг от друга, во-первых, длительностью испускания и, во-вторых, энергией уровня, с которого происходит испускание. Однако существует еще один вид испускания, который спектрально расположен в области флуоресценции, но имеет длительность, характерную для фосфоресценции. В отличие от обычной, быстрой флуоресценции ее называют замедленной флуоресценцией, поскольку, перед тем как испустить квант света, молекула некоторое время находится в триплетном состоянии.[3]
Простейший случай флуоресценции - резонансное излучение. В этом случае излучение на выходе среды происходит на той же частоте, что и частота падающего света. Этот случай хорошо иллюстрируют опыты американского оптика Вуда (R.Wood), наблюдавшего резонансное взаимодействие светового излучения с помещенными в кювету атомарными парами натрия.