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1、实验二 红宝石晶体吸收光谱的测量、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 Cr
2、3+离子参与激光作用的能级结构图如图 2-1 所示， 图中 4A 2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
3、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,0 o晶体发射无规律偏光
4、， 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 I 2，设样品的吸收系数为 K，则I 1=I 0e-e -kd1（21）I 2=I 0e-e kd2（22）联立方程（ 21）和（ 22）求出33)K In 1 d1 d2 I 2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、实验装置实验装置原理框图如图 2 3 所示光源图 2 3 吸收光谱测量实验装置框图计算机1.
5、 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，是集光学精密机械，电子学，计算机技术为一体的设 备。如图 2 4 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 M 2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 M 3成像在出射狭缝 S2或 S3上。图 2 4 光学原理图S1入射狭缝， M1反射镜， M 2准直镜， M 3物镜， M 4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 3 5），要有
6、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 2 5 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 WGD 3 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
7、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：300nm500最大值：最小值：工作状态：负高压：增益：6. 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“ WGD 3”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。
