光致发光实验

此时有
L l1 l2 0,1
S s1 s2 0,1
根据 L—S 偶合， J L S ，…， L S ，可形成的原子态有 1S0 ， 3S1 ， 1 P1 ， 3 P0,1,2 。同理可以计算 n2=3,4,…的情况。在这里只考虑与产生激光有关的 21S0 和 23S1 两个能级。 5． Ne 原子的能级
10 的-7 和-3 次方量级，故一般用短脉冲激光激励及在染料中添加三重态淬灭
剂，可有效提高染料激光的增益。连续染料激光一般用 Ar+激光器泵浦，并使染
料快速流动以补充含氧量。
激光器是一种新型光源，具有发射方向集中、亮度高、相干性优越和单色 性好等特点。
He—Ne 激光器是应用广泛的一种原子气体激光器。激光器由三部分组成： 工作物质，谐振腔和激励能源。根据使用要求的不同，有各种具体的结构形式。 图 8-3-1 是外腔式 He—Ne 激光器的示意图。R1，R2 为镀有多层介质膜的反射 镜，其中一块为部分透射，它们组成谐振腔。A 为气体放电管，内部充有一定 总气压和一定 He、Ne 混合比的气体为工作物质。D1 为阳极，D2 为阴极，与直 流高压电源相接。电源电压通过阳极钨棒和阴极铝筒加到放电管两端，形成气 体辉光放电，在毛细管中产生等离子体。等离子体中处在激发态上的氖原子是 激光工作物质，它们发生受激辐射时起光的增益放大作用。由放电管两端的高 反射膜板的反射提供光学反馈形成振荡，并从部分透射端输出，得到所需要的 激光。
3.1.1 工作原理
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
4S3/2 4F7/2 4F5/2 4A7/2
4F3/2
0.73m 0.9m 1.06m
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，电子，声子（声波）等）的新技术。
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。
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。
的三重态，由于选择定则 s=0，单重态和
三重态之间的跃迁是不允许的。在激发光源
的作用下，分子从基态 S0 激发到 S1，在很短
时间弛豫到 S1 的最低振动态，然后，跃迁到
S0 的某振动态，发射出染料激光。
S0
虽然，S 态和 T 态之间的跃迁是禁戒的，
但通过碰撞，S1 与 T1，T1 与 S0 之间还是会有 弛豫过程发生。特别是前者导致 T1 到 T2 的跃迁，这一跃迁几乎吸收了全部从 S1 跃迁到 S0 发射的染料激光，导致激光的淬灭。只有当三重态的寿命小于系间交 叉速率时，才可能实现激光振荡。在氧饱和和无氧溶液中三重态的寿命分别为
Ar+(3p5)
(Ar+)* → Ar+(4p)
c ba
激光上、下能级分别为 Ar+(4p)和 Ar+(4s)，波长在 455nm~529nm 范围内的激光 共有 10 条，较强的有 6 条，最强的两条为 514.536nm 和 478.995nm。
Ar(3p6)
3.4 基本结构
离子激光器的发光介质是离子，由于整个系统呈电中性，离子浓度 NI 与电 子浓度 Ne 相当，故激光上能级粒子数 N2 的增加与放电电流密度的平方Ｊ2 的关
3、 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。
图 1 外腔式 He-Ne 激光器的结构示意图
用受激辐射将光放大，必须使高能态的粒子数多于低能态的粒子数，即实 现上、下能级间的粒子数反转。He—Ne 激光器是通过原子碰撞实现粒子数反转 的。在放电管中充以一定比例的 He、Ne 混合气体，直流放电将 He 激发至亚稳 态。由于跃迁选择定则的限制，被激发的 He 只能通过碰撞将激发能转移给 Ne， 使 Ne 处于激光上能级，而 Ne 的激光下能级衰变很快，由此造成高、低能态之 间粒子数反转。使两能级间产生受激辐射，即可将光放大。与 He—Ne 激光器有 关的能级结构及跃迁情况如图 8-3-2 所示。图中，用符号 n2S1 LJ 表示 He 原子 的能级，采用一般激光理论中常用的帕邢(Paschen)符号标记 Ne 原子能级，它 是一种经验符号。其中基态能量取为零，纵坐标以电子伏特为单位。
染料分子的能级如右图所示。
各电子态分别由一组振动能级和转动能 S2
级组成。能级的振动间隙一般为 14001700cm-1，转动间隙一般要小 100 倍。由于
单重态
三重态
T2
液体的作用，密集的转动能级被严重展宽，
造成振动能级之间形成一个连续能带，使染 S1
料激光器具有可连续调频的特性。
T1
染料存在自旋 s=0 的单重态和自旋 s=1
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。
系为
dN 2 dt
NI Ne
N
2 e
J 2 ，即激光器的增益正比于Ｊ2。这就要求在细
的放电管内通过大电流。
大功率放电管为有效降低管壁温度，一般用高导热系数的石墨或 BeO 陶瓷 制成，并加水冷装置。为了将离子约束在放电管轴心附近，需加轴向磁场，一 般由环绕在管壁上的螺线管形成，强度一般为 400～800Gs。
为获得高重复频率短脉冲输出，一般应用调 Q 技术压缩输出激光的脉宽。 典型的常用调 Q 技术是在激光腔内插入某些具有电光效应的非线性晶体，如 KDP、LiNbO3 等，利用它们在外电场的作用下偏振面旋转，再配合起偏器和检偏 器，瞬间降低腔损耗，从而进行电光调 Q 的。如下图所示。虽然调 Q 带来约 80% 的能量损失，但其极高的脉宽压缩比，（ms／10ns）～105，还是使激光的峰值 功率提高了～104。
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．
Nd：YAG 的受激发射截面 ~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 激光器一般用氙灯作为光泵浦源，由可控硅或闸流管控制其开关， 并有予燃电路予燃。聚光腔为单、双或四个椭圆柱型，YAG 棒在椭圆公共焦点， 氙灯管，在椭圆的另一焦点，并采用全腔水冷。如下图所示。
因此，He
图 8-3-2
的基态为
1与S 0
He-Ne 激光器有关的能级结构及跃迁示意图
。He 原子的激发态是一个一个电子始终处于 1s 态，第二个电子被激发，
1 其主量子数 n2 可以任意。当 n2=2 时，由原子物理可知， l2 0,1； s2 2 ，
4． He 原子的能级 He 原子由带+2e 电荷的原子核和两个核外电子组成。处于基态时，电子组
态为1s2 。这时 n1 n2 1 ,
l1 l2 0 ,
s1
1 2
,
s2
1 2
.
He 原子的两个电子是按 L—S 耦合的，可以算出
L l1 l2 0 , S s1 s2 0 , J LS 0.
3.2 氩离子激光器
全反射镜
起 偏
Q
调检 偏
器 晶器
体
YAG 棒和 Xe 灯 半反射镜
Ar+激光器是离子气体激光器中应用最广泛的，它具有良好的单色性、稳定 性和高功率。Ar+激光器一般充纯 Ar 约 0.2 乇，弧光放电电流约数十安培。
3.3 工作原理
Ar+的能级图如下，存在三种可能的激发 过程。
3.4 染料激光器