光致发光实验.docx

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1、光致发光实验（凝聚态物理系北京师范大学）[摘要]本实验报告介绍了光谱学、光谱仪、激光以及电荷耦合器件工作原理，解释引起He-Ne激光器发光的原因是He、Ne原子能级间的跃迁。通过He灯和Hg灯定标，通过光栅光谱仪和电荷耦合器件（CCD）测量He-Ne激光器的旁侧光谱图。第一部分、理论1、光谱学光谱学是研究物质发射、吸收或散射的光、声或粒子来研究物质的方法。光谱学也可以被定义为研究光和物质之间相互作用的学科。历史上，光谱学指用可见光来对物质结构的理论研究和定量和定性的分析的科学分支。但是，近来，光谱学的定义已经被扩展为一种不只用可见光，也用许多其他电磁或非电磁辐射（如微波，无线电波，X射线，电

2、子，声子（声波）等）的新技术。根据研究光谱方法的不同，习惯上把光谱学区分为发射光谱学、吸收光谱学与散射光谱学。这些不同种类的光谱学从不同方面提供物质微观结构知识及不同的化学分析方法。物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。处于高能级的原子或分子在向较低能级跃迁时产生辐射，将多余的能量发射出去形成的光谱．要使原子或分子处于较高能级就要供给它能量这叫激发．被激发的处于较高能级的原子、分子向低能级跃迁放出频率为n的光子在原子光谱的研究中多采用发射光谱。吸收光谱学是指，处于基态和低激发态的原子或分子吸收具有连续分布的某些波长的光而跃迁到各激发态，形成了按波长排列的暗线或暗带组成的光谱。光谱分析由于每种原

3、子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成．这种方法叫做光谱分析．做光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用吸收光谱．这种方法的优点是非常灵敏而且迅速．散射光谱学是指，当光照射到物质上时，会发生非弹性散射，在散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。这种现象于1928年由印度科学家拉曼所发现，因此这种产生新波长的光的散射被称为拉曼散射，所产生的光谱被称为拉曼光谱或拉曼散射光谱。2、光谱仪光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。光与物质相互作用引起物质内部原子及

4、分子能级间的电子跃迁，使物质对光的吸收、发射、散射等在波长及强度信息上发生变化，而检测并处理这类变化的仪器被称为光谱仪。因此，光谱仪的基本功能，就是将复色光在空间上按照不同的波长分离/延展开来，配合各种光电仪器附件得到波长成分及各波长成分的强度等原始信息以供后续处理分析使用。光谱仪器一般都包括入射狭缝、准直镜、色散元件（光栅或棱镜）、聚焦光学系统和探测器。而在单色仪中通常还包括出射狭缝，让整个光谱中一个很窄的部分照射到单象元探测器上。单色仪中的入射和出射狭缝往往位置固定而宽度可调，可以通过旋转光栅来对整个光谱进行扫描。当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍

5、射光栅色散为分开的波长(颜色)。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。1、光谱实验中的光源光源指能发出一定波长范围的电磁波(包括可见光与紫外线、红外线和X光线等不可见光)的物体。通常指能发出可见光的发光体。光源主要分为：热辐射光源，例如，太阳、白炽灯;气体放电光源，例如，炭精灯、水银灯、荧光灯等。实验室常用激光光源简介激光是具有高亮度、高单色性、高准直性及高度的时间空间相干性的光源。3.1掺钕钇铝石榴石(Nd3+：YAG)激光器Nd：YAG激光器由于它的高效率（大于１％）、可工作于高重复率（高于每秒２０次）及可在室温下连续工作而受到高度

6、重视。其基质是在钇钕石榴石YAG（Y3Al5O12）中掺入1.0～1.2%(原子百分比)的Nd2O3，激活介质是三价钕离子Nd3+。3.1.1工作原理4S3/24F7/24F5/24A7/20.73mm0.9mm1.06mm4F3/24I11/24I9/22111cm-1激活介质Nd3+的能级结构为四能级系统，如右图。激光产生的原理大致为：闪光灯将大量粒子泵浦至两个高激发带，处于激发带的粒子迅速弛豫到激光上能级４F3/2，而激光下能级４I11/2与基态有2111cm-1的较大间隔，在室温下，二者粒子数布居的关系为，N11/2~N9/2e–10，故４I11/2能级基本上是空的，从而使弛豫到４F

7、3/2的粒子几乎全部贡献给了粒子数反转。激光跃迁发生在４F3/2与４I11/2之间，发射波长为1.0641mm。Nd：YAG的受激发射截面s~9x10-19cm2，约为红宝石激光器的75倍，从而其典型阈值约为0.3Jcm-3，比红宝石激光器的典型阈值低三个数量级。3.1.2脉冲YAG激光器脉冲YAG激光器的重复频率为数十次不等。可由单只晶体棒工作，也可由震荡级加放大级两只晶体棒工作。脉冲YAG激光器一般用氙灯