实验二 红宝石晶体吸收光谱的测量

1、实验二 红宝石晶体吸收光谱的测量 一、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

2、图2-1所示，图中4A2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。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

3、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,0º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

4、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I2，设样品的吸收系数为K，则I1=I0e-e-kd1 （21）I2=I0e-ekd2 （22）联立方程（21）和（22）求出 （33）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。一、 实验装置实验装置原理框图如图23所示样品室光栅光谱仪光源接口电路传感器计算机图23 吸收光谱测量实验装置框图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

5、械，电子学，计算机技术为一体的设备。如图24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M2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M3成像在出射狭缝S2或S3上。图24 光学原理图S1入射狭缝，M1反射镜，M2准直镜，M3物镜，M4反射镜，S2出射狭缝（光电倍增管接收），S3出射狭缝（观察窗）2.红宝石样品室红宝石样品室（如图35），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。红宝石晶体图25

6、 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WGD3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 终止波长： 700nm 最大值： 500 最小值： 0工作状态：负高压： 3 增益： 26.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“WGD3”系统。五、实验报告要求1.