光谱法测量普通玻璃的吸收曲线

光谱法测量玻璃的的吸收曲线
王文森张希强梁绍祥
（中国石油大学（华东）材料研究室，青岛266555）Abstract: different media in different wavelength of the incident light is absorbeddegree is not the same, analysis of qualitative and quantitative information, the medium can be obtained, such as through the study of absorption curves ofordinary glass, we can analysis by silica not a specific wavelength of light isabsorbed, and the spectrum of Nd: glass is of a specific wavelength of lightabsorption, with different characteristics, for different purposes.
Keywords: glass, spectroscopy, absorption curve
摘要：不同材料的介质对不同波长的的入射光吸收程度是不相同的，定性的研究和定量的分析，可以获得介质的相关信息，如通过对普通玻璃的吸收曲线的研究，我们便可分析得到二氧化硅不对某一特定波长的光进行大量吸收，而谱钕玻璃却对某一特定波长的光进行吸收，利用不同的特性，用以不同的用途。

关键词：玻璃，光谱，吸收曲线
1.引言
光谱法是光谱分析技术的基本内容，通过实验掌握相应的研究方法，具有重要的现实意义，而研究玻璃材料对光的吸收的性质，更是对生产生活有指导作用，根据人们对不同光的需要，我们采用不同的玻璃，实现我们的目的。

2.实验原理、材料与方法
2.1实验原理
当一束光穿过有一定厚度的透明介质平板时，有一部分光被反射，另有一部分光被介质吸收，剩下的光从介质平板透射出来。

设有一束波长为λ、入射光强为I 0的单色平行光垂直入射到一块厚度为d 的透明介质平板上，如图3-2-1所示。

如果从界面1反射的光强为I R ，从界面1向介质透射光的光强为I 1，在界面2处的入射光强为I 2 ，从界面2射出的透射光的光强为I T ，则定义介质板的光谱外透射率T 和介质的光谱透射率T i 分别为
I I T T = （3-2-1） 1
2I I T i = （3-2-2） 图3-2-1 以上提到的I 1、I 2、I R 和I T 是指光在界面1和2上，以及在介质中多次反射和透射的总效果。

一般来说，介质对光的反射、透射和吸收不但与介质的材料有关，而且与入射光的波长有关。

我们将光谱透射率T i 与波长λ的关系曲线称为透射曲线。

依据朗伯-比耳定律，在均匀介质内部光谱透射率T i 与介质厚度d 有如下关系
d i
e T α-=
（3-2-3）
式中α称为介质的线性吸收系数，一般也称为吸收系
数。

吸收系数不仅与介质的材料有关，而且与入射光
的波长有关。

吸收系数α与波长λ的关系曲线称为吸
收曲线。

设光垂直入射到厚度为d 的介质上，光要从介质
前后表面发生反射。

如果α值很小，反射可以进行多
次。

若介质表面的反射系数为R ，则透过样品的光强为
()()()()d d
d d d T T T T T
e R e R I e R R I e R R I e R I I I I I I ααααα222
0542
0322020432111111-------=+-+-+-=++++=
（3-2-4） 式中I T1、I T2、I T3 … 分别表示从界面2第一次透射、第二次透射、第三次透射…的光的光
强。

所以 ()d
d
T e R e R I I T αα222011----== （3-2-5） 通常介质的光谱透射率T i 和吸收系数α是通过测试由同一材料加工成的（α相同），表面性质相同（R 相同），但厚度不同的两块试样的光谱外透射率后计算得出的。

设两块试样的厚度分别为d 1和d 2，d 2＞d 1，光谱外透射分别为T 1和T 2。

由（3-2-5）式可得
()()211222221211d d d d e R e e R e T T αααα------=
一般R 和α都很小，故上式可近似为()121
2d d e T T --=α （3-2-6） 即 1
221ln ln d d T T --=α （3-2-7） 比较（3-2-6）式和（3-2-3）式，可得 12T T T i =
（3-2-8） 在合适的条件下，光电倍增管输出的光电流与入射光的光强成正比，因而利用光电流的输出值，就可由下式计算光谱透射率和吸收系数 1
2i i T i = （3-2-9）1
221ln ln d d i i --=α （3-2-10） 式中i 1和i 2分别表示试样厚度为d l 和d 2时光电流的大小。

2.2实验器材
WGD —8A 型组合式光栅光谱仪（附录3-2-2）；汞灯及汞灯电源；溴钨灯及溴钨灯电源；普通玻璃2片（厚度分别为2.25mm 和3.20mm ）；镨钕玻璃1片
2.3实验方法
调节好光谱仪并利用汞灯波长示值进行修正，然后利用溴钨灯观察普通玻璃和谱钕玻璃的典型吸收峰，并记录500~660nm 之间的吸收曲线。

3.实验结果与分析
3.1普通玻璃
经过实验，我们得到有无玻璃时溴钨灯的透射能量，如下图所示：
蓝色——溴钨灯，绿色——2.25mm普通玻璃，红色——3.20mm普通玻璃
我们明显观察到，不同波长的溴钨灯光所对应的能量不一样，但总体上，只有一个很明显的高能量峰，当有其他介质存在时，这使得我们很容易找到该介质的吸收峰并观察出吸收能量的大小，由图像可以看出，普通玻璃没有明显的吸收峰，即普通玻璃不对某一特定波长的光进行大量吸收，当我们利用公式（3-2-7）得到其吸收曲线时，发现它并不为零，而且呈线性变换，对此，我们进行了深刻的分析。

普通玻璃的吸收曲线α（λ）——λ
普通玻璃主要是由二氧化硅组成，若我们单纯考虑二氧化硅，二氧化硅以原子形式在其平衡位置震动，在常温下，满足能量均分定理和固体热容量的爱因斯坦理论，即常温下，其震动圆频率满足下面方程：
3KT=3ωh/4π+3hω/（（eβωh/2π-1）*2π）
有证据显示，在纳米二氧化硅中存在多种具有强紫外吸收的光活性缺陷中心, 并且在从紫外到可见光区域具有发光效应, 使其在光学领域具有良好的使用性能【1】，结合求解可知，其圆频率较大，即震动较大，当光场进入之后，更多的吸收其震动附近的能量使之跃迁，因此，当波长增加时，频率逐渐减小，吸收量逐渐减小，吸收曲线出现下降。

3.2谱钕玻璃
通过实验，我们得到有无谱钕玻璃时溴钨灯的透射能量，如下图所示：
红色——溴钨灯光谱，绿色——谱钕玻璃吸收谱
我们可以观察到谱钕玻璃有明显的吸收峰，分别在429.2nm，472.3nm，512.5nm，529.4nm，583.3nm处有明显的吸收，即其对不同波长的光有选择作用，因此，利用其吸光特性，，我们可以用以光谱仪器波长的校正，实验时，可对某一波长实现过滤，进行控制变量的研究该波长光对结果的影响。

4、结论
不同材料的介质对不同波长的的入射光吸收程度是不相同的，而玻璃作为最广泛的透光介质，研究并且得到普通玻璃和镨钕玻璃的吸收性质，对生产生活有较好的帮助，通过数据，我们分析得到普通玻璃不对某一特定的波长进行大量吸收，因此，是作为透明用的极好材料，而镨钕玻璃对一定波长的光有很强的吸收性能，因此，我们可以根据生产需要，将其作为滤某一色光的绝佳材料。

[ 1] Morita M, Kajiyama S, Rau D, Sakurai T, Iwamura M 2003 J.
Luminesc. 102 608。