光致发光实验

1、光致发光实验（凝聚态物理系 北京师范大学）摘要本实验报告介绍了光谱学、光谱仪、激光以及电荷耦合器件工作原理，解释引起He-Ne激光器发光的原因是He、Ne原子能级间的跃迁。通过He灯和Hg灯定标，通过光栅光谱仪和电荷耦合器件（CCD）测量He-Ne激光器的旁侧光谱图。第一部分、 理论1、 光谱学光谱学是研究物质发射、吸收或散射的光、声或粒子来研究物质的方法。光谱学也可以被定义为研究光和物质之间相互作用的学科。历史上，光谱学指用可见光来对物质结构的理论研究和定量和定性的分析的科学分支。但是，近来，光谱学的定义已经被扩展为一种不只用可见光，也用许多其他电磁或非电磁辐射（如微波，无线电波，X射线，电

2、子，声子（声波）等）的新技术。根据研究光谱方法的不同，习惯上把光谱学区分为发射光谱学、吸收光谱学与散射光谱学。这些不同种类的光谱学从不同方面提供物质微观结构知识及不同的化学分析方法。物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。处于高能级的原子或分子在向较低能级跃迁时产生辐射，将多余的能量发射出去形成的光谱要使原子或分子处于较高能级就要供给它能量这叫激发被激发的处于较高能级的原子、分子向低能级跃迁放出频率为n的光子在原子光谱的研究中多采用发射光谱。吸收光谱学是指，处于基态和低激发态的原子或分子吸收具有连续分布的某些波长的光而跃迁到各激发态，形成了按波长排列的暗线或暗带组成的光谱。光谱分析由于每种原子都有

3、自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成这种方法叫做光谱分析做光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用吸收光谱这种方法的优点是非常灵敏而且迅速散射光谱学是指，当光照射到物质上时，会发生非弹性散射，在散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。这种现象于1928年由印度科学家拉曼所发现，因此这种产生新波长的光的散射被称为拉曼散射，所产生的光谱被称为拉曼光谱或拉曼散射光谱。2、 光谱仪光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。光与物质相互作用引起物质内部原子及分子能级间的电

4、子跃迁，使物质对光的吸收、发射、散射等在波长及强度信息上发生变化，而检测并处理这类变化的仪器被称为光谱仪。因此，光谱仪的基本功能，就是将复色光在空间上按照不同的波长分离/延展开来，配合各种光电仪器附件得到波长成分及各波长成分的强度等原始信息以供后续处理分析使用。光谱仪器一般都包括入射狭缝、准直镜、色散元件（光栅或棱镜）、聚焦光学系统和探测器。而在单色仪中通常还包括出射狭缝，让整个光谱中一个很窄的部分照射到单象元探测器上。单色仪中的入射和出射狭缝往往位置固定而宽度可调，可以通过旋转光栅来对整个光谱进行扫描。当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开

5、的波长(颜色)。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。3、 光谱实验中的光源光源指能发出一定波长范围的电磁波(包括可见光与紫外线、红外线和X光线等不可见光)的物体。通常指能发出可见光的发光体。光源主要分为：热辐射光源，例如，太阳、白炽灯;气体放电光源，例如，炭精灯、水银灯、荧光灯等。实验室常用激光光源简介激光是具有高亮度、高单色性、高准直性及高度的时间空间相干性的光源。3.1 掺钕钇铝石榴石(Nd3+：YAG)激光器Nd：YAG激光器由于它的高效率（大于）、可工作于高重复率（高于每秒次）及可在室温下连续工作而受到高度重视。其基质是在钇钕石

6、榴石YAG（Y3Al5O12）中掺入1.01.2%(原子百分比)的Nd2O3，激活介质是三价钕离子Nd3+。3.1.1工作原理4S3/2 4F7/24F5/2 4A7/20.73mm0.9mm1.06mm4F3/24I11/24I9/22111cm-1激活介质Nd3+的能级结构为四能级系统，如右图。激光产生的原理大致为：闪光灯将大量粒子泵浦至两个高激发带，处于激发带的粒子迅速弛豫到激光上能级F3/2，而激光下能级I11/2与基态有2111cm-1的较大间隔，在室温下，二者粒子数布居的关系为，N11/2 N9/2 e 10，故I11/2能级基本上是空的，从而使弛豫到F3/2的粒子几乎全部贡献给了

7、粒子数反转。激光跃迁发生在F3/2与I11/2之间，发射波长为1.0641mm。Nd：YAG的受激发射截面 s9x10-19cm2，约为红宝石激光器的75倍，从而其典型阈值约为0.3Jcm-3，比红宝石激光器的典型阈值低三个数量级。3.1.2脉冲YAG激光器脉冲YAG激光器的重复频率为数十次不等。可由单只晶体棒工作，也可由震荡级加放大级两只晶体棒工作。脉冲YAG激光器一般用氙灯作为光泵浦源，由可控硅或闸流管控制其开关，并有予燃电路予燃。聚光腔为单、双或四个椭圆柱型，YAG棒在椭圆公共焦点，氙灯管，在椭圆的另一焦点，并采用全腔水冷。如下图所示。为获得高重复频率短脉冲输出，一般应用调Q技术压缩输出

8、激光的脉宽。典型的常用调Q技术是在激光腔内插入某些具有电光效应的非线性晶体，如KDP、LiNbO3等，利用它们在外电场的作用下偏振面旋转，再配合起偏器和检偏器，瞬间降低腔损耗，从而进行电光调Q的。如下图所示。虽然调Q带来约80%的能量损失，但其极高的脉宽压缩比，（ms10ns）105，还是使激光的峰值功率提高了104。3.2 氩离子激光器全反射镜半反射镜YAG棒和Xe灯起偏器检偏器调Q晶体Ar+激光器是离子气体激光器中应用最广泛的，它具有良好的单色性、稳定性和高功率。Ar+激光器一般充纯Ar约0.2乇，弧光放电电流约数十安培。3.3 工作原理Ar+的能级图如下，存在三种可能的激发过程。abcA

9、r(3p6)Ar+(3p5)Ar+(4s)Ar+(4p)Ar+(3p5M)*a) e + Ar(3p6) Ar+(3p5) + 2e，e + Ar+(3p5) (Ar+)* + eb) e + Ar(3p6) Ar+(3p5M)* + 2e，e + Ar+(3p5M)* (Ar+)* + ec) e + Ar(3p6) (Ar+)* + 2e，(Ar+)* Ar+(4p)激光上、下能级分别为Ar+(4p)和Ar+(4s)，波长在455nm529nm范围内的激光共有10条，较强的有6条，最强的两条为514.536nm和478.995nm。3.4 基本结构离子激光器的发光介质是离子，由于整个系统呈

10、电中性，离子浓度NI与电子浓度Ne相当，故激光上能级粒子数N2的增加与放电电流密度的平方2的关系为 ，即激光器的增益正比于2。这就要求在细的放电管内通过大电流。大功率放电管为有效降低管壁温度，一般用高导热系数的石墨或BeO陶瓷制成，并加水冷装置。为了将离子约束在放电管轴心附近，需加轴向磁场，一般由环绕在管壁上的螺线管形成，强度一般为400800Gs。3.4染料激光器频率可调谐是染料激光器最有意义的性质。其激活介质是某些有机染料化合物在乙醇、甲醇或水等液体中的溶液。这些染料通常有以下几类：闪烁染料(l<0.4mm) ，豆香素染料(0.40.5mm) ，咕吨染料(0.50.7mm) ，聚甲炔

11、染料(0.71mm)。染料激光器受激发射截面远较固体激光器为高，溶液制备简单，这些是染料激光器的极大优点。S0S1S2T2T1单重态三重态染料分子的能级如右图所示。各电子态分别由一组振动能级和转动能级组成。能级的振动间隙一般为1400-1700cm-1，转动间隙一般要小100倍。由于液体的作用，密集的转动能级被严重展宽，造成振动能级之间形成一个连续能带，使染料激光器具有可连续调频的特性。染料存在自旋s=0的单重态和自旋s=1的三重态，由于选择定则Ds=0，单重态和三重态之间的跃迁是不允许的。在激发光源的作用下，分子从基态S0激发到S1，在很短时间弛豫到S1的最低振动态，然后，跃迁到S0的某振动

12、态，发射出染料激光。虽然，S态和T态之间的跃迁是禁戒的，但通过碰撞，S1与T1，T1与S0之间还是会有弛豫过程发生。特别是前者导致T1到T2的跃迁，这一跃迁几乎吸收了全部从S1跃迁到S0发射的染料激光，导致激光的淬灭。只有当三重态的寿命小于系间交叉速率时，才可能实现激光振荡。在氧饱和和无氧溶液中三重态的寿命分别为10的-7和-3次方量级，故一般用短脉冲激光激励及在染料中添加三重态淬灭剂，可有效提高染料激光的增益。连续染料激光一般用Ar+激光器泵浦，并使染料快速流动以补充含氧量。激光器是一种新型光源，具有发射方向集中、亮度高、相干性优越和单色性好等特点。HeNe激光器是应用广泛的一种原子气体激光

13、器。激光器由三部分组成：工作物质，谐振腔和激励能源。根据使用要求的不同，有各种具体的结构形式。图8-3-1是外腔式HeNe激光器的示意图。R1，R2为镀有多层介质膜的反射镜，其中一块为部分透射，它们组成谐振腔。A为气体放电管，内部充有一定总气压和一定He、Ne混合比的气体为工作物质。D1为阳极，D2为阴极，与直流高压电源相接。电源电压通过阳极钨棒和阴极铝筒加到放电管两端，形成气体辉光放电，在毛细管中产生等离子体。等离子体中处在激发态上的氖原子是激光工作物质，它们发生受激辐射时起光的增益放大作用。由放电管两端的高反射膜板的反射提供光学反馈形成振荡，并从部分透射端输出，得到所需要的激光。图1 外腔

14、式He-Ne激光器的结构示意图用受激辐射将光放大，必须使高能态的粒子数多于低能态的粒子数，即实现上、下能级间的粒子数反转。HeNe激光器是通过原子碰撞实现粒子数反转的。在放电管中充以一定比例的He、Ne混合气体，直流放电将He激发至亚稳态。由于跃迁选择定则的限制，被激发的He只能通过碰撞将激发能转移给Ne，使Ne处于激光上能级，而Ne的激光下能级衰变很快，由此造成高、低能态之间粒子数反转。使两能级间产生受激辐射，即可将光放大。与HeNe激光器有关的能级结构及跃迁情况如图8-3-2所示。图中，用符号表示He原子的能级，采用一般激光理论中常用的帕邢(Paschen)符号标记Ne原子能级，它是一种经

15、验符号。其中基态能量取为零，纵坐标以电子伏特为单位。4 He原子的能级He原子由带+2e电荷的原子核和两个核外电子组成。处于基态时，电子组态为。这时,.He原子的两个电子是按LS耦合的，可以算出,.图8-3-2 与He-Ne激光器有关的能级结构及跃迁示意图因此，He的基态为。He原子的激发态是一个电子被激发至高能态而另一个电子留在基态构成的。设第一个电子始终处于1s态，第二个电子被激发，其主量子数n2可以任意。当n2=2时，由原子物理可知，；，此时有 根据LS偶合，可形成的原子态有，。同理可以计算n2=3,4,的情况。在这里只考虑与产生激光有关的和两个能级。5 Ne原子的能级Ne原子是惰性气体

16、原子，由带+10电荷的原子核和10个核外电子组成，处于基态时的电子组态为。由于10个核外电子把K壳层和L壳全部填满，形成封闭壳层，所以原子总自旋角动量S，总轨道角动量L及总角动量J均为零，其基态为。Ne原子的激发态是一个2p电子跃迁至高能级而形成的。当一个2p电子被激发跳到较高的能级上时，留下的九个电子的集体行为就相当于一个空穴，它们的角动量与一个2p电子的角动量一样。因此，我们将Ne的激发态考虑为一个2p电子的空穴与一个较高能级上电子的耦合，理论和实验证明了这种耦合是耦合。耦合方式是先把一个电子的轨道角动量与其自旋角动量耦合成这个电子的总角动量，.然后，把与另一个电子的轨道角动量合成中间角动

17、量，.最后，将与另一个电子的自旋角动量耦合成总角动量，.按上述耦合方法，对于2p电子的空穴，有, , .而跳到ns(n>2)壳层的电子，=0，=，可得原子的中间角动量，于是原子的总角动量J=2、1、1、0，原子的能级状态共有四个。我们用符号表示耦合能级，则这四个能级可表示为， ， ， 其中，带¢的ns表示相应于这一能级的。这四个能级与图8-3-2中Ne原子能级上所标的帕邢符号S项的一组四个能级对应，它们之间的对应关系为：， ， ， 如果2p电子跳到np(n>2)壳层，则该电子轨道角动量=1，自旋角动量=，对于2p电子的空穴，仍有，同理可计算出各角动量值，如表8-3-1所示

18、。表1 角动量值 j1 K 3/2 1/2 5/2 3/2 1/2 J 2,1 1,0 3,2 2,1 1,0这样得出原子的能级状态共有10个，它们与图8-3-2中氖原子能级图中p项一组10个能级相对应，对应关系是 6 粒子数反转机制HeNe激光器是通过气体放电的方式获得激励能量的。充有He、Ne气体的放电管的两个电极之间加有几千伏的直流电压，在管内的发光区有均匀的电位降梯度。气体被高度电离后，电子被电场加速获得动能，并通过第一类非弹性碰撞将能量转移给He原子，使它们跃迁至激发态。一般情况下，激发态的原子可以通过光辐射过渡到低能态或基态，因此，原子处于高能态的平均寿命非常短。但是，有一些激发态

19、与所有低于它们的能级之间都不满足跃迁的选择定则，不能通过光辐射跃迁至低能态，这种激发态称为亚稳态。处于亚稳态的原子寿命比较长。He的和就是这种亚稳态。态的S=L=J=0，比它能量低的态只有基态，S=L=J=0，它们之间的辐射跃迁不满足跃迁选择定则同理，与之间的辐射跃迁也不能实现。这样，被激发到和态的He原子就不能经过辐射跃迁回到基态。另一方面，被激发到更高能态上去的He原子有相当一部分经跃迁后会落到这两个亚稳态上。所以放电一旦建立，就会有大量He原子处在和两个能级上。这两个亚稳态不能靠辐射光子回到基态，只能通过与其它粒子发生第二类非弹性碰撞把能量转移给其它粒子，再回到基态。尤其当两种粒子相应能

20、级间的能量差DE很小时，这种过程特别容易发生，称为能量的共振转移过程。从图8-3-2中可以看到Ne的能级(19.78eV)和能级(20.66eV)正好分别与He的（19.82eV）和（20.61eV）能量相差很少，所以处于和态的He原子很容易通过同Ne原子碰撞把Ne原子激发到和能级上去。这就是HeNe激光器充He的原因，通过He将Ne激发到激光上能级，实现粒子数的反转分布。Ne原子的激光上能级寿命短，所以通过直接和电子发生第一类非弹性碰撞使Ne原子向激光上能级集居的贡献很小。而激光下能级和的寿命很短，到达这两个能级上的粒子通过自发辐射很快降落到1S能级上。1S是个亚稳态，寿命较长，它不能靠辐射

21、跃迁回到基态，只能靠跟管壁的碰撞放出能量，回到基态。这就是所谓的“管壁效应”，选毛细管作放电管有利于增强这种效应。7 激光跃迁激光跃迁发生在Ne原子能级之间。在耦合中，比较严格的选择定则如下,.在满足这两条的可能跃迁中，的跃迁较强，其它跃迁较弱。又由于跃迁是之间的跃迁，原子状态的变化只涉及一个激发电子状态的变化，发生几率较大，而跃迁是之间的跃迁，原子状态的变化不仅和激发电子状态的变化有关，也和其它电子状态的变化有关，发生的几率较小。下面，由图8-3-2分析与形成激光有关的能级跃迁。能级在向10个3P能级的跃迁中除去向的跃迁不许可外，（因为，不符合选择定则），向其余9个能级的跃迁都是允许的。在这

22、9个跃迁中，跃迁，满足的要求，谱线较强，且跃迁属于之间的跃迁，所以，这条光谱线最强，其余的都比较弱。同样，的可能跃迁中，跃迁最强。同样，的可能跃迁中，跃迁最强。所以这三条谱线是HeNe激光器中最强的激光谱线。附录8-3-列出了部分能级之间可能发生的跃迁及跃迁所对应的波长值。8 光谱强度与能级粒子数的关系当激光管放电但无激光输出时，粒子数在Ne的激光上能级高度聚集，这时激光管的旁侧光谱就是通常在相同条件下的放电管光谱，它反映了3S向低能级自发辐射跃迁的情况。设满足辐射跃迁选择定则的两个能级i和j之间的自发辐射光谱强度Iij为. （8-3-1）实验测量系统最终记录的光谱线强度（谱线高度或面积）Hi

23、j与Iij成正比，比例系数是测量系统的总效率，即，（8-3-2）， （8-3-）其中Ni为上能级的粒子数。如果知道能级间的自发辐射系数Aij和测量系统的总效率，就可通过测量激光旁侧光谱线的强度得到对应于各个辐射跃迁的上能级的粒子数及各能级之间的粒子数差。当有激光输出时，旁侧光谱的强度会发生变化，这是由于有关能级的粒子布居数发生了变化。由于能级上的粒子通过受激辐射产生激光输出，并以极大的优势向跃迁，造成能级上的粒子数减少很多，造成向， 跃迁产生的三条谱线旁侧光减弱。有激光输出时，跃迁减弱，使得能级上粒子数减少，于是跃迁的自发辐射强度减弱。受激发射的结果还使得能级粒子转移至能级，减少了向的跃迁，也

24、使得跃迁减弱。而另一方面，大量粒子的跃迁发生于，造成能级上粒子数大大增加，这时以为上能级的跃迁必然会得到加强。从上面分析可知，HeNe激光器旁侧光谱的强度及其变化直接反映了Ne原子与激光跃迁相关的能级上的粒子数分布及其变化。9.光学多道分析仪光学多道分析仪OMA（Optical Multi-channel Analyzer）是采用电荷耦合器件（CCD）和计算机控制的新型光谱分析仪器，由光栅单色仪、CCD接收单元、扫描系统、电子放大器组成，它集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。目前，它已被广泛使用于几乎所有的光谱测量、分析及研究工作中，特别适应于对微弱信号、瞬变信号的检测。而电荷耦合器件

25、(Charge Coupled Devices, 简称CCD)是20世纪70年代发展起来的新型半导体集成光电器件。它是由美国贝尔电话实验室W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年首先提出的。由于CCD器件的结构特点它可以同时探测到分布在空间的多个信号，如一排光谱。因此它也称为“同时型”或“并行接收型”的探测器件。CCD探测器件具有高灵敏度，低噪声，快速读出，高动态范围和宽光谱响应范围等优点。经过30年的研发，CCD器件及其应用技术取得惊人的进展，已经成为集光学，电子学，精密机械与计算机技术为一体的综合性技术。在光谱学实验中，摄谱仪得到广泛的应用。传统的摄谱实验，将样品光谱和标准光谱记

26、录在照相干板上，经过装底片，长时间暴光，暗房冲洗，投影仪识谱、比长仪测定波长等步骤才能完成。这种摄谱方法步骤繁杂，耗时冗长，拍摄成功不易把握。在计算机和CCD系统的性能不断提高的同时，其价格在不断降低，以新的光电计算机技术代替传统的照相分析方法不仅成为可能而且正在众多物理，化学、生物等光谱实验中得到迅速普及。第二部分、实验修正波长、用已知光谱的He灯Hg灯来标定未知的He-Ne激光器的旁侧光谱。1、实验仪器He灯、Hg灯、He-Ne激光器、光栅光谱仪、电荷耦合器件（CCD）、计算机2、实验步骤(1)了解整个实验过程，学习软件的使用。“检索”选项：改变中心波长；“背景”选项：去除背景噪声；“实时”选项：开始测量；“停止”：停止测量；左侧的任务栏中可以改变一些设定值；屏幕底下的一行工具栏中含有读取图中点的位置和手动定标项。(2)对照He、Hg的光谱图，分析并确定整个标定过程将分5次完成：中心波长依次取420nm、490nm、560nm、590nm和670nm。420nm 、470nm和670nm使用He 灯定标，560nm、590nm使用Hg灯定标。(3)开始实验，先对软件进行设定：曝光时间15，平均次数1，累加次数1，纵轴最大值选择4000左右，最小值为0，检索波长范围设置为80nm。接着将He灯正对光栅光谱仪的入射狭缝中心。