实验二红宝石晶体吸收光谱的测量高等教育实验设计_高等教育-实验设计.pdf

实验二 红宝石晶体吸收光谱的测量、实验目的 由于固体激光器一般多采用光泵浦激励方式，这就要求激光工作物质的吸 收光谱特性与泵浦光源的光谱相匹配，因此，了解激光工作物质的吸收谱特性 是很必要的，本实验通过对红宝石晶体吸收光谱的测量，达到以下目的。1学会测量吸收光谱特性的方法；2了解光栅单色仪的工作原理。二、实验原理 红宝石是掺有少量 Cr 的 Al203 单晶，Cr 的外层电子组态为 3d54S1，掺入 Al203 晶格后，失去外层三个电子，变成三价的 Cr3+离子，红宝石晶体的光谱就 是 Cr3+离子在 3d 壳上三个电子发生能级跃迁的反映，人们根据红宝石晶体的吸 收光谱和晶体场理论推知 Cr3+离子参与激光作用的能级结构图如图 2-1 所示，图中 4A 2是基态，2E 能级(14400cm-1)是亚稳态，寿命比较长，约为 3ms，4F1(25000cm-1)和 4F2(17000cm-1)是两个吸收带，红宝石晶体的激光作用在 2E 和 4A2能级之间产生，输出的波长是 694.3nm，由于 2E 能级的电场分裂，在 2E 和 4A2 能级之间跃迁对应两条强荧光线 R1和 R2，R1线的波长是 694.3nm，R2线的 波长是 692.9nm，由于高能级粒子数少于低能级，所以激光输出总是 R1线。吸收光谱特性与泵浦光源的光谱相匹配因此了解激光工作物质的吸收谱特性是很必要的本实验通过对红宝石晶体吸收光谱的测量达到以下目的学会测量吸收光谱特性的方法了解光栅单色仪的工作原理二实验原理红宝石是掺有少量的发生能级跃迁的反映人们根据红宝石晶体的吸收光谱和晶体场理论推知离子参与激光作用的能级结构图如图所示图中是基态能级是亚稳态命比较长约为是两个吸收带红宝石晶体的激光作用在和能级之间产生输出的波长是由于能级的光输出总是红宝石晶体对不同波长的入射光吸收不同吸收系数随入射光波长而变化的关系就是吸收光谱特性所吸收中心波长为的兰紫光而跃迁到强吸收带态也能吸收波长为的黄绿光而跃迁到另一强吸收带态这两个吸收带的带宽都在红宝石晶体对不同波长的入射光吸收不同，吸收系数随入射光波长而变化 的关系就是吸收光谱特性。Cr3+所吸收中心波长为 410.0nm 的兰紫光而跃迁到强 吸收带 4F1态，也能吸收波长为 550.0nm的黄绿光而跃迁到另一强吸收带 4F2 态,这两个吸收带的带宽都在 100.0nm左右,与氙灯或汞弧灯的光谱匹配较好，所以 红宝石激光器适宜于采用氙灯或汞弧灯泵浦。由于红宝石晶体的各向异性，它的吸收特性与光的偏振状态有关，入射光 的振动方向与晶体光轴相互垂直（EC）或相互平行（EC），其吸收曲线稍有 不同，如图 22 所示。通常红宝石晶体中，其生长轴与光轴 C一致的叫 0晶体，生长轴与光轴 C 相垂直的叫 90o晶体,另外还有 60o晶体,0 o晶体发射无规律偏光，60o和 90o 晶体发射线偏振光。测量某一物质的吸收系数时，通常将该物质做成厚度不同的两个样品，分 别测量其透射光强，即可求出吸收系数。设两个待测样品的厚度分别为 d1和 d2，在某一波长时，入射光强为 IO，透 过两个样品后的光强分别变为 I1和 I 2，设样品的吸收系数为 K，则 I 1=I 0e-e-kd1（21）I 2=I 0e-e kd2（22）联立方程（21）和（22）求出 K In 1 d1 d2 I 2 33)吸收光谱特性与泵浦光源的光谱相匹配因此了解激光工作物质的吸收谱特性是很必要的本实验通过对红宝石晶体吸收光谱的测量达到以下目的学会测量吸收光谱特性的方法了解光栅单色仪的工作原理二实验原理红宝石是掺有少量的发生能级跃迁的反映人们根据红宝石晶体的吸收光谱和晶体场理论推知离子参与激光作用的能级结构图如图所示图中是基态能级是亚稳态命比较长约为是两个吸收带红宝石晶体的激光作用在和能级之间产生输出的波长是由于能级的光输出总是红宝石晶体对不同波长的入射光吸收不同吸收系数随入射光波长而变化的关系就是吸收光谱特性所吸收中心波长为的兰紫光而跃迁到强吸收带态也能吸收波长为的黄绿光而跃迁到另一强吸收带态这两个吸收带的带宽都在如果改变入射光的波长，则可以得到一条吸收系数随入射光波长而变化的曲线、实验装置 实验装置原理框图如图 2 3 所示 1.光栅单色仪的光学原理 实验中所使用的仪器是 WGD3 型组合式多功能光栅光谱仪，具有波长精 度高、操作简便等特点，是集光学精密机械，电子学，计算机技术为一体的设 备。如图 2 4 所示，光源发出的光束进入入射狭缝 S1，S1 位于反射式准直镜 M 2的焦面上，通过 S1射入的光束经 M2反射成平行光束投向平面光栅 G 上，衍射后的平行光束经物镜 M 3成像在出射狭缝 S2或 S3上。S1入射狭缝，M1反射镜，M 2准直镜，M 3物镜，M 4反射镜，S2出射狭缝 光电倍增管接收），S3出射狭缝（观察窗）光源 图 2 3 吸收光谱测量实验装置计 算 机 图 2 4 光学原理吸收光谱特性与泵浦光源的光谱相匹配因此了解激光工作物质的吸收谱特性是很必要的本实验通过对红宝石晶体吸收光谱的测量达到以下目的学会测量吸收光谱特性的方法了解光栅单色仪的工作原理二实验原理红宝石是掺有少量的发生能级跃迁的反映人们根据红宝石晶体的吸收光谱和晶体场理论推知离子参与激光作用的能级结构图如图所示图中是基态能级是亚稳态命比较长约为是两个吸收带红宝石晶体的激光作用在和能级之间产生输出的波长是由于能级的光输出总是红宝石晶体对不同波长的入射光吸收不同吸收系数随入射光波长而变化的关系就是吸收光谱特性所吸收中心波长为的兰紫光而跃迁到强吸收带态也能吸收波长为的黄绿光而跃迁到另一强吸收带态这两个吸收带的带宽都在2.红宝石样品室 吸收光谱特性与泵浦光源的光谱相匹配因此了解激光工作物质的吸收谱特性是很必要的本实验通过对红宝石晶体吸收光谱的测量达到以下目的学会测量吸收光谱特性的方法了解光栅单色仪的工作原理二实验原理红宝石是掺有少量的发生能级跃迁的反映人们根据红宝石晶体的吸收光谱和晶体场理论推知离子参与激光作用的能级结构图如图所示图中是基态能级是亚稳态命比较长约为是两个吸收带红宝石晶体的激光作用在和能级之间产生输出的波长是由于能级的光输出总是红宝石晶体对不同波长的入射光吸收不同吸收系数随入射光波长而变化的关系就是吸收光谱特性所吸收中心波长为的兰紫光而跃迁到强吸收带态也能吸收波长为的黄绿光而跃迁到另一强吸收带态这两个吸收带的带宽都在红宝石样品室（如图 3 5），要有较好的密封，以免杂光进入影响测量精 度，室内有两块厚度分别为 d1=3mm 和 d2=20mm 的红宝石晶体样品，它们安装 在一个可旋转 90的支架上，以便分别测量透过两样品的光强。图 2 5 样品室 为了测量准确，要求两片红宝石样品的吸收特性一致，因此要求从同一块 晶体中切取，两片样品的厚度差要足够大。四、实验步骤 1.打开光栅光谱仪的灯室电源和电箱电源开关。2.打开计算机的电源开关。3.用鼠标双击桌面上 WGD 3 图标。4.进入系统后，马上显示工作界面，同时弹出一个对话框，让用户确认当 前的波长位置是否有效，是否重新初始化。注意：此时！必须选确定，不允许 选择取消。5.设置测量参数 进入工作界面后，用鼠标单击工作界面左侧的参数设置：工作方式模式：选能量（E）间隔选 1.0nm 工作范围起始波长：300nm 最大值：最小值：红宝石晶体 500 吸收光谱特性与泵浦光源的光谱相匹配因此了解激光工作物质的吸收谱特性是很必要的本实验通过对红宝石晶体吸收光谱的测量达到以下目的学会测量吸收光谱特性的方法了解光栅单色仪的工作原理二实验原理红宝石是掺有少量的发生能级跃迁的反映人们根据红宝石晶体的吸收光谱和晶体场理论推知离子参与激光作用的能级结构图如图所示图中是基态能级是亚稳态命比较长约为是两个吸收带红宝石晶体的激光作用在和能级之间产生输出的波长是由于能级的光输出总是红宝石晶体对不同波长的入射光吸收不同吸收系数随入射光波长而变化的关系就是吸收光谱特性所吸收中心波长为的兰紫光而跃迁到强吸收带态也能吸收波长为的黄绿光而跃迁到另一强吸收带态这两个吸收带的带宽都在工作状态：负高压：增益：6.确认待测样品。7.用鼠标单击工作界面上主工具栏里的单程，此时系统对样品进行测量，在测量中根据提示进行换灯。8.测量结束后，改选另一个寄存器。9.换另一厚度的样品。10.用鼠标单击主工具栏里的单程。11.测量结束后，用鼠标单击主工具栏里的保存，将所测量的结果保存下来。12.打开主菜单里的文件，单击退出，则退出“WGD 3”系统。五、实验报告要求 1.简述实验原理。2.将实验中采集到的数据进行处理，分析实验数据，作出红宝石吸收系数 和波长的关系曲线及计算结果。六、思考题（1）光谱仪的作用是什么？（2）实验中所得到的吸收系数与理论值如有偏差，试分析产生的原因。吸收光谱特性与泵浦光源的光谱相匹配因此了解激光工作物质的吸收谱特性是很必要的本实验通过对红宝石晶体吸收光谱的测量达到以下目的学会测量吸收光谱特性的方法了解光栅单色仪的工作原理二实验原理红宝石是掺有少量的发生能级跃迁的反映人们根据红宝石晶体的吸收光谱和晶体场理论推知离子参与激光作用的能级结构图如图所示图中是基态能级是亚稳态命比较长约为是两个吸收带红宝石晶体的激光作用在和能级之间产生输出的波长是由于能级的光输出总是红宝石晶体对不同波长的入射光吸收不同吸收系数随入射光波长而变化的关系就是吸收光谱特性所吸收中心波长为的兰紫光而跃迁到强吸收带态也能吸收波长为的黄绿光而跃迁到另一强吸收带态这两个吸收带的带宽都在