NdLuVO4晶體吸收光譜測量

1、Nd:LuVO4晶體吸收光譜測量和光學參數(shù)計算摘要：本文對Nd:LuV04晶體的吸收譜進行測量，運用J-O公式對實驗結果進行理論分析，并利用Origin軟件進行擬合，最后得到Nd:LuV04晶體的J-0參數(shù)。關鍵詞：吸收譜Nd:LuV04晶體J-O理論光學參數(shù)TheabsorptionspectrumofNd:LuV04crystalandthecalculationofitsopticalparameterAbstract:Inthispaper,wegivethemeasurementoftheabsorptionspectrumofNd:LuV04crystal,andusetheJ-O

2、theoryforopticalparameteranalysisofthiscrystal.Intheend,weuseOriginsoftwareformultipleregressionoftheparameterandgettheJ-Oparameterofthiscrystal.Keyword:absorptionspectrumNd:LuV04crystalJ-Otheoryopticalparameter當一束具有連續(xù)波長的光通過一種物質時，光束中的某些成分便會有所減弱，當經過物質而被吸收的光譜由光譜儀展成光譜時，就會得到該物質的吸收光譜。幾乎所有的物質都有其獨特的吸收光譜。稀土

3、離子激活的發(fā)光晶體在現(xiàn)代科學技術中有著廣泛的應用。許多發(fā)光粉、上轉換材料及激光材料都是摻稀土離子的。J-0理論用于對實際稀土發(fā)光體進行定量計算。到目前為止，J-O模型是能夠在一定精度內定量計算稀土離子放光強度的唯一理論方法。在本實驗中我們測量Nd:LuV04晶體的吸收譜，并利用Excel、Origin軟件進行數(shù)據(jù)處理，最后運用J-O理論分析該晶體的光學參數(shù)。一、實驗原理（一）吸收定律光強為I0的單色平行光束沿X方向穿過均勻各向同性介質，通過距離為x附近厚度為dx的介質薄層后，因介質的吸收，光強由I減弱到I-dl。實驗證明，若入射光不是很強，則光強的相對減少量與介質薄層的厚度dx成正比，與入射光

4、強度的大小無關，即dI-=adx式中比例系數(shù)a是與光強無關的量，稱為該物質的吸收系數(shù)，負號表示隨傳播距離的增加,光強減少。對上式積分并令x=0處IT。，可得到出射光強為：I=10eq這就是吸收定律。圖1光的吸收如果介質對各種波長的光具有幾乎相同的吸收程度，即介質的吸收系數(shù)a與光的波長無關，稱為普遍吸收。如果介質對某些波長的光具有強烈的吸收，則稱為選擇吸收。普遍吸收的光譜是連續(xù)光譜，而選擇吸收的光譜則為線光譜、帶光譜或部分連續(xù)光譜。讓具有連續(xù)譜的光通過吸收介質后，再由光譜儀將不同波長的光被吸收的情況顯示出來，就得到該介質的吸收光譜。（二）稀土釩酸鹽晶體的吸收光譜稀土離子的特點是擁有未完全充滿的4

5、f層。4f軌道處于離子的內部，被外部的5S2和5P6軌道所屏蔽。因此，基質晶格對4Fn電子組態(tài)的光吸收躍遷的影響非常小（但不可忽略）。圖2是釹離子的吸收譜，光譜項表示了其本征態(tài)，圖3是釹離子摻雜在釩酸镥晶體中的吸收譜，比較兩圖中的吸收峰，可以看出弱晶體場的影響，尤其是其引起的吸收峰的斯塔克分裂特別顯著。兩圖中躍遷的基態(tài)都是釹離子的基態(tài)4I理論上來說，4Fn組態(tài)內的電子躍遷是宇稱選9/2。律嚴格禁戒的，但是由于稀土離子臨近環(huán)境的對稱性、所處格位及其不同對稱性的格位數(shù)目對它的影響，使得禁戒躍遷被允許。當稀土離子處于偏離反演對稱中心的基質格位時，晶體場勢能展開式中出現(xiàn)奇次項。這些晶體場奇次項將少量的

6、相反宇陳的波函數(shù)例如5d混入到4f波函數(shù)中，使晶體中的宇陳禁戒選率放寬。通過這種方式，使4Fn組態(tài)內部的電子躍遷獲得一些強度。20BOO0.0-200（V卩Wavelength(mm)卜del，了胡ihAU600圖2自由狀態(tài)的釹離子的吸收譜tlength(口陽-1,3圖3Nd:LuVO4晶體中釹離子的吸收譜（三）三個量J-O公式稀土離子摻入晶體后，量子數(shù)J仍然是個較好的量子數(shù)，屬于同一J值的斯塔克能級靠得很近形成一個J簇能級。與此相應地，兩個J簇能級間的越遷（JfJ）給出一組靠的很近的譜線（線簇），往往不能把每根單線清晰地分辨開來。這時，可以利用三參量J-O公式計算線簇的總強度。對于發(fā)光晶體，

7、知道總強度就夠了。已知的光譜學公式把吸收系數(shù)、自發(fā)發(fā)射系數(shù)同譜線強度S聯(lián)系了起來。JJ一般地說，Judd-Ofelt強度參數(shù)Q反映了玻璃結構和配位對稱性，有序性等特征，Q越大，玻璃的共價性越強，反之，離子性越強，而Q/Q的比值與奇晶場項的大小及躍遷分46支比有密切關系，比值越大說明晶場的五次項相對于4晶場6的三次項較小。二、實驗儀器及光學系統(tǒng)我們采用的實驗儀器為JASCOV570UV/VIS/NIR分光光度計，其分辨率在紫外/可見部分為O.lnm，近紅外范圍為0.5nm。整個裝置由光源、分光系統(tǒng)、樣品、檢測、顯示5個部分組成。光源為一個氘燈(190350nm)和一個鹵燈(3302500nm)。

8、V570為雙光束型分光光度計，其光學系統(tǒng)如圖314所示。M14M12SamW1S2SIMIO19MlM61)2圖314V570光學系統(tǒng)。W1,D2:光源；M：反射鏡；S：狹縫；M8:分束器；PM：紫外/可見探測器；Pbs：近紅外探測器；Sam:樣品光路；Ref：參考光路。來自光源W1(可見光用)或D(紫外光用)的光用反射鏡M反射，用經過濾光器消除散射光后通過狹縫S，經單色器后通過出射狹縫S，經反射鏡后到1分束器M把光一分為二。然128后兩束光強相等的光分別通過樣品池Sam和參比池Ref，又經過反射鏡入射到檢測器PM或Pbs,最后檢測器產生的光電流經放大輸入到顯示裝置。三、實驗數(shù)據(jù)處理本實驗樣品

9、為長方體Nd:LuVO4晶體，晶體的厚度為0.4厘米根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪得的圖譜如圖一所示：7.告匸河qWavelength(nm)在吸收譜中選擇五個吸收帶（如圖中一對應的4F2H4F2G4G），根據(jù)J-O理論可3/2、9/2、7/2、5/2、7/2以計算光學參數(shù)，步驟如下：1、計算積分的吸收系數(shù)fK（入）d入=fR(九)d九/(0.4343L)P(Jexp其中fr（入）d入相當于吸收曲線下的面積，在Origin中利用基線計算而得，fk（入）d入是積分的吸收系數(shù)，算得的fR（入）d入和fk（入）d入值見表一的第二和第五列。2、計算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，根據(jù)上面的公式進行計算。上式中N0為稀土激活離子的平均濃度（Nd:LuV04晶體中Nd粒子平均濃度，本實驗中為0.06056nm-3）,亍是各吸收帶中心波長（如表一中第三列），h為普朗克常數(shù)（這里取h=6.62608X10-27爾格秒），c為真空中光速（這里取c=2.99792X1010em/s），n為折射率，根據(jù)公式n2=3.8714+0.0604/(入2-0.36119)-0.03961入2計算而得（如表一第七列）。最后算得的S（jt廠）如表一中第八列所示。exp3、計算唯象強度參數(shù)QtS（J/jTJ）=ZQ4fn屮J|u（t）

11、14fnWJ2ealt根據(jù)第二步算得數(shù),據(jù)，利用上式進行計算，其中Qt是唯象強度參數(shù)（代求），4fn屮JU（t）4fn屮j|2是躍遷的約化矩陣元（如表二）。4、利用Origin軟件進行擬合示。、表二中的數(shù)據(jù)進行擬合，得到的結果如表三所利用公式Sexp(JfJ)=Zqu，和表expttt=2,4,6表一：各計算結果數(shù)值L(cm).TR（入）d入平均波長入末態(tài)(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各個末態(tài)的約化矩陣元6.4E-201.51E-20末態(tài)U2U4U64F3/200.22930.05492H9/20.01020.24510.51244F7/20.0010.04490.65972F9/20.00090.00920.04174