《激光拉曼光谱》.(DOC)

激光拉曼光谱实验讲义

引言

一 实验目的

1、了解拉曼散射的基本原理

2、学习使用拉曼光谱仪测量物质的谱线，知道简单的谱线分析方法。

二 实验原理

当波束为0ν的单色光入射到介质上时，除了被介质吸收、反射和透射外，总会有一部分被散射。按散射光相对于入射光

波数的改变情况，可将散射光分为三类：第一类，其波数基本不变或变化小于5110cm --，这类散射称为瑞利散射；第二类，

其波数变化大约为10.1cm -，称为布利源散射；第三类是波数变化大于11cm -的散射，称为拉曼散射；从散射光的强度看，

瑞利散射最强，拉曼散射最弱。

在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子内部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。

在量子理论中，把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程。当入射的光量子与分子相碰撞时，可以是弹性碰撞的散射也可以是非弹性碰撞的散射。在弹性碰撞过程中，光量子与分子均没有能量交换，于是它的频率保持恒定，这叫瑞利散射，如图（1a ）；在非弹性碰撞过程中光量子与分子有能量交换，光量子转移一部分能量给散射分子，或者从散射分子中吸收一部分能量，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值12E E E ?=-，当光量子把一部分能量交给分子时，光量子则以较小的频率散射出去，称为频率较低的光（斯托克斯线），散射分

子接受的能量转变成为分子的振动或转动能量，从而处于激发态

1E ，如图（1b ），这时的光量子的频率为0ννν'=-?；当分子已经处于振动或转动的激发态1E 时，光量子则从散射分子中取得

了能量E ?（振动或转动能量），以较大的频率散射，称为频率较

高的光（反斯托克斯线），这时的光量子的频率为

0ννν'=+?。如果考虑到更多的能级上分子的散射，则可产生更多的

斯托克斯线和反斯托克斯线。

最简单的拉曼光谱如图2所示，在光谱图中有三种线，中央的是瑞利散射线，频率为0ν，强度最强；低频一侧的是斯托克斯线，与瑞利线的频差为ν?，强度比瑞利线的强度弱很多，约为瑞利线的强度的几百万分之一至上万分之一；高频的一侧是反斯托克斯线，与瑞利线的频差亦为ν?，和斯托克斯线对称的分布在瑞利线两侧，强度比斯托克斯线的强度又要弱很多，因此并不容易观察到反斯托克斯线的出现，但反斯托克斯线的强度随着温度的升高而迅速增大。斯托克斯线和反斯托克斯线通常称为拉曼线，其频率常表示为0νν±?，ν?称为拉曼频移，这种频移和激发线的频率无关，以任何频率激发这种物质，拉曼线均能伴随出现。因此从拉曼频移，我们又可以鉴别拉曼散射池所包含的物质。

拉曼散射强度正比于入射光的强度，并且在产生拉曼散射的同时，必然存在强度大于拉曼散射至少一千倍的瑞利散射。因此，在设计或组装拉曼光谱仪和进行拉曼光谱实验时，必须同时考虑尽可能增强入射光的光强和最大限度地收集散射光，又要尽量地抑制和消除主要来自瑞利散射的背景杂散光，提高仪器的信噪比。拉曼光谱仪一般由图3所示的五个部分构成。

1．光源

它的功能是提供单色性好、功率大并且最好能多波长工作的入射光。目前拉曼光谱实验的光源己全部用激光器代替历史上使用的汞灯。本仪器采用40mw 半导体激光器，该激光器输出的激光为偏振光。

2．外光路

外光路部分主要有激发光源，五维可调样品支架S ，偏振组件P1和P2以及聚光透镜C1和C2等组成。

3. 滤光

安置滤光部件的主要目的是为了抑制杂散光以提高拉曼散射的信噪比。在样品前面，典型的滤光部件是前置单色器或干涉滤光片，它们可以滤去光源中非激光频率的大部分光能。小孔光栏对滤去激光器产生的等离子线有很好的作用。在样品后面，用合适的干涉滤光片或吸收盒可以滤去不需要的瑞利线的一大部分能量，提高拉曼散射的相对强度。

4． 偏振：

做偏振谱测量时，必须在外光路中插入偏振元件。加入偏振旋转器可以改变入射光的偏振方向；在光谱仪入射狭缝前加入检偏器，可以改变进入光谱仪的散射光的偏振。

5．接收系统

拉曼散射信号的接收类型分单通道和多通道接收两种。光电倍增管接收就是单通道接收。信息处理与显示为了提取拉曼散射信息，常用的电子学处理方法是直流放大、选频和光子计数，然后用记录仪或计算机接口软件画出图谱。拉曼散射是一种极其微弱的光，其强度小于入射光强的10-6 ，比光电倍增管本身的热燥声水平还要低。单光子计数器方法利用弱光下光电倍增管输出电流信号自然离散的特征，采用脉冲高度甄别和数子计数技术将淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。

图3 拉曼光谱仪的基本结构

三实验装置

(一)、仪器结构

LRS-2/3型激光拉曼分光计仪器的总体结构如图4所示。

仪器的外形示意图见图4所示。光学原理图如图5所示。仪器配套实验台，各分部件安装于实验台上，实验台结实平稳，满足精度光学实验的要求。

图4.LRS-2/3型激光拉曼分光计仪器的总体结构

图5.光学原理图

四实验内容

1.开机步骤（激光对人眼有害，请不要直视）

1、检查电源前面板开关是否出于关闭状态，按下标记“0”为关闭状态。

2、检查锁开关是否处于关闭状态，锁开关逆时针转到垂直为关闭状态。

3、检查电源后面板输入电压值，按标明值插入供电电压插座。

4、稳流电源输出插头与激光器插头对接，对接要牢固。

5、打开电源开关。按下标记“-”为工作状态，红指示灯亮。

6、打开锁开关。顺时针转到水平位“ON”为工作状态

7、使用后必须先关闭锁开关，逆时针转到垂直位。

8、再关闭电源总开关，按下标记“0”

9、取下电源输入插头。

2.外光路的调整

外光路包括聚光，集光，样品架，偏振等部件。调整外光路前，先检查一下外光路是否正常。如正常立即可以测量。其方法是：在单色仪的入射狭缝处放一张白纸观察瑞利光的成像，即一绿光量条纹是否清晰。若清晰并也进入狭缝就不需要调整。若不正常，即可按下面的方法调整。

2.1 聚光部件的调整

聚光部件是为了增强样品上入射光的辐照功率。本设备聚光部件有二组：一为正入射法，二为背入射法。

正入射法的调整

（1）.图3-5中的搬手是专门用来转动转换镜组的。当面对仪器，打开外光路罩，观察搬手位置，若已位于正入射位置即不要调整；若不对需要将搬手推到推不动为止，此时即为正入射位置。

（2）.让激光通过图3-5中的正入射反射镜中心，将光向上反射并垂直入射到试管中心。用眼睛观察激光要与主机底面垂直。如不垂直，先取出试管，而后观察激光是否通过聚光镜的中心。若不是通过中心，请调整正入射反射镜架。

（3）.观察激光束的最细部分是否位于试管中心。若不是在中心，请细调聚光镜的焦点，聚光镜的调整事螺纹调整，上，下调整直到满意为止。

完成以上几步，正入射聚光部分调整完成。