實(shí)驗(yàn)二 紅寶石晶體吸收光譜的測量

1、實(shí)驗(yàn)二 紅寶石晶體吸收光譜的測量 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠捎诠腆w激光器一般多采用光泵浦激勵方式，這就要求激光工作物質(zhì)的吸收光譜特性與泵浦光源的光譜相匹配，因此，了解激光工作物質(zhì)的吸收譜特性是很必要的，本實(shí)驗(yàn)通過對紅寶石晶體吸收光譜的測量，達(dá)到以下目的。1學(xué)會測量吸收光譜特性的方法；2了解光柵單色儀的工作原理。二、實(shí)驗(yàn)原理紅寶石是摻有少量Cr的Al203單晶，Cr的外層電子組態(tài)為3d54S1，摻入Al203晶格后，失去外層三個(gè)電子，變成三價(jià)的Cr3+離子，紅寶石晶體的光譜就是Cr3+離子在3d殼上三個(gè)電子發(fā)生能級躍遷的反映，人們根據(jù)紅寶石晶體的吸收光譜和晶體場理論推知Cr3+離子參與激光作用的能級結(jié)構(gòu)圖如

2、圖2-1所示，圖中4A2是基態(tài)，2E能級（14400cm-1）是亞穩(wěn)態(tài)，壽命比較長，約為3ms，4F1（25000cm-1）和4F2（17000cm-1）是兩個(gè)吸收帶，紅寶石晶體的激光作用在2E和4A2能級之間產(chǎn)生，輸出的波長是694.3nm，由于2E能級的電場分裂，在2E和4A2能級之間躍遷對應(yīng)兩條強(qiáng)熒光線R1和R2，R1線的波長是694.3nm，R2線的波長是692.9nm，由于高能級粒子數(shù)少于低能級，所以激光輸出總是R1線。紅寶石晶體對不同波長的入射光吸收不同，吸收系數(shù)隨入射光波長而變化的關(guān)系就是吸收光譜特性。Cr3+所吸收中心波長為410.0nm的蘭紫光而躍遷到強(qiáng)吸收帶4F1態(tài)，也能吸

3、收波長為550.0nm的黃綠光而躍遷到另一強(qiáng)吸收帶4F2態(tài),這兩個(gè)吸收帶的帶寬都在100.0nm左右,與氙燈或汞弧燈的光譜匹配較好，所以紅寶石激光器適宜于采用氙燈或汞弧燈泵浦。由于紅寶石晶體的各向異性，它的吸收特性與光的偏振狀態(tài)有關(guān)，入射光的振動方向與晶體光軸相互垂直（EC）或相互平行（EC），其吸收曲線稍有不同，如圖22所示。通常紅寶石晶體中，其生長軸與光軸C一致的叫0°晶體，生長軸與光軸C相垂直的叫90º晶體,另外還有60º晶體,0º晶體發(fā)射無規(guī)律偏光，60º和90º晶體發(fā)射線偏振光。測量某一物質(zhì)的吸收系數(shù)時(shí)，通常將該物質(zhì)做成厚度

4、不同的兩個(gè)樣品，分別測量其透射光強(qiáng)，即可求出吸收系數(shù)。設(shè)兩個(gè)待測樣品的厚度分別為d1和d2，在某一波長時(shí)，入射光強(qiáng)為IO，透過兩個(gè)樣品后的光強(qiáng)分別變?yōu)镮1和I2，設(shè)樣品的吸收系數(shù)為K，則I1=I0e-e-kd1 （21）I2=I0e-ekd2 （22）聯(lián)立方程（21）和（22）求出 （33）如果改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL，則可以得到一條吸收系數(shù)隨入射光波長而變化的曲線。一、 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖如圖23所示樣品室光柵光譜儀光源接口電路傳感器計(jì)算機(jī)圖23 吸收光譜測量實(shí)驗(yàn)裝置框圖1.光柵單色儀的光學(xué)原理實(shí)驗(yàn)中所使用的儀器是WGD3型組合式多功能光柵光譜儀，具有波長精度高、操作簡便等特點(diǎn)，是集光學(xué)精密機(jī)

5、械，電子學(xué)，計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的設(shè)備。如圖24所示，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫S1，S1位于反射式準(zhǔn)直鏡M2的焦面上，通過S1射入的光束經(jīng)M2反射成平行光束投向平面光柵G上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡M3成像在出射狹縫S2或S3上。圖24 光學(xué)原理圖S1入射狹縫，M1反射鏡，M2準(zhǔn)直鏡，M3物鏡，M4反射鏡，S2出射狹縫（光電倍增管接收），S3出射狹縫（觀察窗）2.紅寶石樣品室紅寶石樣品室（如圖35），要有較好的密封，以免雜光進(jìn)入影響測量精度，室內(nèi)有兩塊厚度分別為d1=3mm和d2=20mm的紅寶石晶體樣品，它們安裝在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)90°的支架上，以便分別測量透過兩樣品的光強(qiáng)。紅寶石晶體圖25

6、 樣品室為了測量準(zhǔn)確，要求兩片紅寶石樣品的吸收特性一致，因此要求從同一塊晶體中切取，兩片樣品的厚度差要足夠大。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.打開光柵光譜儀的燈室電源和電箱電源開關(guān)。2.打開計(jì)算機(jī)的電源開關(guān)。3.用鼠標(biāo)雙擊桌面上WGD3圖標(biāo)。4.進(jìn)入系統(tǒng)后，馬上顯示工作界面，同時(shí)彈出一個(gè)對話框，讓用戶確認(rèn)當(dāng)前的波長位置是否有效，是否重新初始化。注意：此時(shí)！必須選確定，不允許選擇取消。5.設(shè)置測量參數(shù)進(jìn)入工作界面后，用鼠標(biāo)單擊工作界面左側(cè)的參數(shù)設(shè)置：工作方式模式：選能量（E） 間隔選 1.0nm工作范圍起始波長： 300nm 終止波長： 700nm 最大值： 500 最小值： 0工作狀態(tài)：負(fù)高壓： 3 增益： 26.確認(rèn)待測樣品。7.用鼠標(biāo)單擊工作界面上主工具欄里的單程，此時(shí)系統(tǒng)對樣品進(jìn)行測量，在測量中根據(jù)提示進(jìn)行換燈。8.測量結(jié)束后，改選另一個(gè)寄存器。9.換另一厚度的樣品。10.用鼠標(biāo)單擊主工具欄里的單程。11.測量結(jié)束后，用鼠標(biāo)單擊主工具欄里的保存，將所測量的結(jié)果保存下來。12.打開主菜單里的文件，單擊退出，則退出“WGD3”系統(tǒng)。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.