NdLuVO4晶体吸收光谱测量

1、Nd:LuVO4晶体吸收光谱测量和光学参数计算摘要：本文对Nd:LuV04晶体的吸收谱进行测量，运用J-O公式对实验结果进行理论分析，并利用Origin软件进行拟合，最后得到Nd:LuV04晶体的J-0参数。关键词：吸收谱Nd:LuV04晶体J-O理论光学参数TheabsorptionspectrumofNd:LuV04crystalandthecalculationofitsopticalparameterAbstract:Inthispaper,wegivethemeasurementoftheabsorptionspectrumofNd:LuV04crystal,andusetheJ-O

2、theoryforopticalparameteranalysisofthiscrystal.Intheend,weuseOriginsoftwareformultipleregressionoftheparameterandgettheJ-Oparameterofthiscrystal.Keyword:absorptionspectrumNd:LuV04crystalJ-Otheoryopticalparameter当一束具有连续波长的光通过一种物质时，光束中的某些成分便会有所减弱，当经过物质而被吸收的光谱由光谱仪展成光谱时，就会得到该物质的吸收光谱。几乎所有的物质都有其独特的吸收光谱。稀土

3、离子激活的发光晶体在现代科学技术中有着广泛的应用。许多发光粉、上转换材料及激光材料都是掺稀土离子的。J-0理论用于对实际稀土发光体进行定量计算。到目前为止，J-O模型是能够在一定精度内定量计算稀土离子放光强度的唯一理论方法。在本实验中我们测量Nd:LuV04晶体的吸收谱，并利用Excel、Origin软件进行数据处理，最后运用J-O理论分析该晶体的光学参数。一、实验原理（一）吸收定律光强为I0的单色平行光束沿X方向穿过均匀各向同性介质，通过距离为x附近厚度为dx的介质薄层后，因介质的吸收，光强由I减弱到I-dl。实验证明，若入射光不是很强，则光强的相对减少量与介质薄层的厚度dx成正比，与入射光

4、强度的大小无关，即dI-=adx式中比例系数a是与光强无关的量，称为该物质的吸收系数，负号表示随传播距离的增加,光强减少。对上式积分并令x=0处IT。，可得到出射光强为：I=10eq这就是吸收定律。图1光的吸收如果介质对各种波长的光具有几乎相同的吸收程度，即介质的吸收系数a与光的波长无关，称为普遍吸收。如果介质对某些波长的光具有强烈的吸收，则称为选择吸收。普遍吸收的光谱是连续光谱，而选择吸收的光谱则为线光谱、带光谱或部分连续光谱。让具有连续谱的光通过吸收介质后，再由光谱仪将不同波长的光被吸收的情况显示出来，就得到该介质的吸收光谱。（二）稀土钒酸盐晶体的吸收光谱稀土离子的特点是拥有未完全充满的4

5、f层。4f轨道处于离子的内部，被外部的5S2和5P6轨道所屏蔽。因此，基质晶格对4Fn电子组态的光吸收跃迁的影响非常小（但不可忽略）。图2是钕离子的吸收谱，光谱项表示了其本征态，图3是钕离子掺杂在钒酸镥晶体中的吸收谱，比较两图中的吸收峰，可以看出弱晶体场的影响，尤其是其引起的吸收峰的斯塔克分裂特别显著。两图中跃迁的基态都是钕离子的基态4I理论上来说，4Fn组态内的电子跃迁是宇称选9/2。律严格禁戒的，但是由于稀土离子临近环境的对称性、所处格位及其不同对称性的格位数目对它的影响，使得禁戒跃迁被允许。当稀土离子处于偏离反演对称中心的基质格位时，晶体场势能展开式中出现奇次项。这些晶体场奇次项将少量的

6、相反宇陈的波函数例如5d混入到4f波函数中，使晶体中的宇陈禁戒选率放宽。通过这种方式，使4Fn组态内部的电子跃迁获得一些强度。20BOO0.0-200（V卩Wavelength(mm)卜del，了胡ihAU600图2自由状态的钕离子的吸收谱tlength(口阳-1,3图3Nd:LuVO4晶体中钕离子的吸收谱（三）三个量J-O公式稀土离子掺入晶体后，量子数J仍然是个较好的量子数，属于同一J值的斯塔克能级靠得很近形成一个J簇能级。与此相应地，两个J簇能级间的越迁（JfJ）给出一组靠的很近的谱线（线簇），往往不能把每根单线清晰地分辨开来。这时，可以利用三参量J-O公式计算线簇的总强度。对于发光晶体，

7、知道总强度就够了。已知的光谱学公式把吸收系数、自发发射系数同谱线强度S联系了起来。JJ一般地说，Judd-Ofelt强度参数Q反映了玻璃结构和配位对称性，有序性等特征，Q越大，玻璃的共价性越强，反之，离子性越强，而Q/Q的比值与奇晶场项的大小及跃迁分46支比有密切关系，比值越大说明晶场的五次项相对于4晶场6的三次项较小。二、实验仪器及光学系统我们采用的实验仪器为JASCOV570UV/VIS/NIR分光光度计，其分辨率在紫外/可见部分为O.lnm，近红外范围为0.5nm。整个装置由光源、分光系统、样品、检测、显示5个部分组成。光源为一个氘灯(190350nm)和一个卤灯(3302500nm)。

8、V570为双光束型分光光度计，其光学系统如图314所示。M14M12SamW1S2SIMIO19MlM61)2图314V570光学系统。W1,D2:光源；M：反射镜；S：狭缝；M8:分束器；PM：紫外/可见探测器；Pbs：近红外探测器；Sam:样品光路；Ref：参考光路。来自光源W1(可见光用)或D(紫外光用)的光用反射镜M反射，用经过滤光器消除散射光后通过狭缝S，经单色器后通过出射狭缝S，经反射镜后到1分束器M把光一分为二。然128后两束光强相等的光分别通过样品池Sam和参比池Ref，又经过反射镜入射到检测器PM或Pbs,最后检测器产生的光电流经放大输入到显示装置。三、实验数据处理本实验样品

9、为长方体Nd:LuVO4晶体，晶体的厚度为0.4厘米根据实验数据绘得的图谱如图一所示：7.告匸河qWavelength(nm)在吸收谱中选择五个吸收带（如图中一对应的4F2H4F2G4G），根据J-O理论可3/2、9/2、7/2、5/2、7/2以计算光学参数，步骤如下：1、计算积分的吸收系数fK（入）d入=fR(九)d九/(0.4343L)P(Jexp其中fr（入）d入相当于吸收曲线下的面积，在Origin中利用基线计算而得，fk（入）d入是积分的吸收系数，算得的fR（入）d入和fk（入）d入值见表一的第二和第五列。2、计算s（jtJJexp8兀3九(n2+2)21fK(九)d九=NoS(Jt

10、J)3he9n(2J+1)exp利用上式算得的fk（入）d入，根据上面的公式进行计算。上式中N0为稀土激活离子的平均浓度（Nd:LuV04晶体中Nd粒子平均浓度，本实验中为0.06056nm-3）,亍是各吸收带中心波长（如表一中第三列），h为普朗克常数（这里取h=6.62608X10-27尔格秒），c为真空中光速（这里取c=2.99792X1010em/s），n为折射率，根据公式n2=3.8714+0.0604/(入2-0.36119)-0.03961入2计算而得（如表一第七列）。最后算得的S（jt厂）如表一中第八列所示。exp3、计算唯象强度参数QtS（J/jTJ）=ZQ4fn屮J|u（t）

11、14fnWJ2ealt根据第二步算得数,据，利用上式进行计算，其中Qt是唯象强度参数（代求），4fn屮JU（t）4fn屮j|2是跃迁的约化矩阵元（如表二）。4、利用Origin软件进行拟合示。、表二中的数据进行拟合，得到的结果如表三所利用公式Sexp(JfJ)=Zqu，和表expttt=2,4,6表一：各计算结果数值L(cm).TR（入）d入平均波长入末态(10-7cm)(nm)0.45.573698804F3/20.415.351088082H9/20.416.211487524F7/20.40.9056842F9/20.428.831315964G5/2/K(入)d入(10-7cm)2J+

12、1nS(JJ)exp(cm2)32.08433101.9812663.19E-2088.3668101.9868629.52E-2093.31959101.9921761.08E-195.209533102.0003486.56E-21165.9643102.0156272.37E-190.47.082525344G7/240.76974102.0321880.41.521534764G11/28.758519102.056121表二：Nd各个末态的约化矩阵元6.4E-201.51E-20末态U2U4U64F3/200.22930.05492H9/20.01020.24510.51244F7/20.0010.04490.65972F9/20.00090.00920.04174