1、7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
2、与激光作用的能级结构图如图 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，R 1线的波长是694.3nm，R 2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。8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。
3、Cr 3+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 90 晶体,另外还有 60 晶体,0 晶体发射无规律偏光，60 和90 晶体发射线偏振
4、光。测量某一物质的吸收系数时，通常将该物质做成厚度不同的两个样品，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9（3211IndK3）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
5、有波长精度高、操作简便等特点，是集光学精密机械，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，S 1 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 光学原理图光源光栅光谱仪样品室 传感器 接口电路计算机10S1 入射狭缝， M1 反射镜，M 2 准直镜，M 3 物镜，M 4 反射镜，S 2 出射狭缝（光电倍增管接收） ，S 3 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
6、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 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
7、置：工作方式模式：选能量（E）11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.简述实验原理。2.将实验中采集到的数据进行处理，分析实验数据，作出红宝石吸收系数和波长的关系曲线及计算结果。六、思考题（1）光谱仪的作用是什么？（2）实验中所得到的吸收系数与理论值如有偏差，试分析产生的原因。
