Lüminesans, ışık emisyonudur; emitleyen substansın
sıcaklığına bağlı değidir ve substans tarafından absorplanan her türlü
enerjinin optik radyasyon enerjisine dönüşmesinden kaynaklanır.
Lüminesansın mekanizması, bir dış ve iç kaynaklı enerjinin
etkisiyle atomlar, moleküller veya kristallerin uyarılmış hale geçmesi, sonra
ışık kuantumlarının (fotonlar) yayılmasını kapsar.
Fluoresans ve fosforesans, atom ve moleküllerin bir
elektromagnetik ışın demetini absorplaması ve uyarılan taneciklerin tekrar
temel hale dönerken ışın vermesi esasına dayanan, analitik olarak önemli
emisyon olaylarıdır.
Fotoluminesans iki şekilde oluşur; fluoresans
(hızlı bozunan lüminesans), ve fosforesans (uzun süreli lüminesans). Bu
olayların oluşum mekanizmaları kısmen birbirinden farklıdır ve bu fark
uyarılmış halin yaşam süresi gözlenerek anlaşılabilir. Fluoresans,
fosforesansdan çok daha hızlı oluşur ve uyarılma anından sonra 10-5
saniye veya daha kısa bir süre içinde tamamlanır; olay uyarıcı ışın demetine
göre 90 derecelik bir açıdan kolaylıkla izlenebilir. Fosforesans emisyonu, ışın
absorbsiyonundan sonra 10-5 saniyeden büyük periyotlarda başlar,
dakikalarca hatta saatlerce devam edebilir.
Uyarma mekanizmasına göre, çeşitli lüminesans sınıfları
bulunur; fotolüminesans, elektrolüminesans, kemilüminesans, katot lüminesans,
X-ışını lüminesans, radyolüminesans, sonolüminesans.
Fotonikte en yaygın kullanılanlar, elektrolüminesans (ışık
yayan diyotlar, yarıiletken enjeksiyon lazeri ve amplifikatörler) ve
fotolüminesans (lüminesant kaplamalar, lazerler ve nadir toprak elementlerine
dayanan amplifierler) kullanan ışık radyasyonu kaynakları ve dönüştürücüleridir.
Lüminesans spektrum analizi, substansların yapısını ve
kompozisyonunu incellemede kullanılan önemli spektroskopik yöntemlerden
biridir. Lüminesans tekniklerle, nanopartiküllerin uzamsal dağılımı,
konsantrasyon ve boyut tayini, uyarılmış hallerin yaşam süresinin tayini
yapılabilir.
Şekilde, tipik bir fotoluminesans molekülün
enerji seviyesi diyagramının bir kısmı gösterilmiştir. Alttaki kalın yatay
doğru molekülün temel-hal enerji seviyesidir; normal olarak bir tekli haldir ve
S0 'la gösterilir. Oda sıcaklığında temel hal, bir çözeltideki tüm
moleküllerin enerjilerini belirtir.
Üst kısımdaki kalın yatay hatlar, üç
uyarılmış elektronik halin temel titreşim hallerinin enerji seviyeleridir.
Soldaki iki hat birinci (S1) ve ikinci (S2) elektronik
tekli halleri, sağdaki hat (T1) birinci elektronik üçüz hali
gösterir. Normal olarak, birinci uyarılmış üçlü halin enerjisi, karşılığı olan
tekli hallerden daha düşüktür. Dört elektronik halin her biri için çok sayıda
titreşim enerji seviyeleri bulunur. Bunlar ince yatay çizgilerle
gösterilmiştir.
Şekilde görüldüğü gibi, bu molekülün
uyarılması, iki ışın bandının absorbsiyonu ile gerçekleştirilmiştir, bunlardan
biri l2 (S0 ® S1) dalga boyu dolayında, diğeri
daha kısa olan l2 (S0
® S2) dolayındadır. Uyarma
işlemi sonunda molekül birkaç uyarılmış titreşim hallerinden birine geçer.
Doğrudan üçüz hale uyarılma mümkün olmaz, çünkü bu işlem çoklukta bir
değişiklik gerektirir.
Şekil: Bir fotolüminesans sistem için kısmi enerji diyagramı
