激光拉曼光谱实验

近代物理实验报告

激光拉曼及荧光光谱实验

姓名：陈聪 091204120

付静静091204121

实验目的：

1、学习使用光谱测量中常用的仪器设备；

2、测量（液体）的拉曼光谱；

3、学习简单而常用的光谱处理方法，并对的拉曼光谱进行处理，求出的主要拉曼线的拉曼位移。

[实验装置]

拉曼光谱实验系统一般由单色激发光源、样品室、色散系统和探测记录装置等组成。本实验采用苏州大学生产的SD-RI型小型拉曼光谱仪。整个实验装置如图2所示。下面分别加以介绍。

1、激发光源

激发拉曼光谱的光源，最主要的是要具有高单色性，并能在样品上给出高辐照度。本实验采用激光器作为单色光源。其输出激光的波长为。它的使用比较简单，打开电源，调节电流至所需值（一般约为）即可。

2、样品室

前面已介绍过，拉曼散射的强度比较弱。为了有效的进行测量，样品室必须仔细设计。样品时要考虑使激发光以最有效的方式照射样品，并要尽可能地收集散射光。本实验所用的样品室（见图2），由两个凹面反射镜、和两个凸透镜、组成。这里的作用是对入射激发光进行聚焦以提高激发强度，的作用在于把透过样品的激发光反射回样品再次利用以进一步提高激发强度；、用于收集散射光。其中把向着色散系统——单色仪方向散射的光聚集起来送入单色仪，把背着单色仪方向散射的光反射回来，通过的聚焦送入单色仪。

具体实验中，对样品装置的调整以使得各光学元件达到最佳位置是一件非常困难的事，这也是本实验最关键的一步，样品装置是否能调整好直接关系着实验的成败！

3、色散系统

对色散系统的选择，主要决定于所用激发光源的波长和所研究样品

的拉曼位移的大小。目前一般采用以光栅作为色散元件的单色仪。又是为了提高光谱信号的信噪比，将两台单色仪串接起来使用，这称为双联单色仪或双光栅单色仪。

本实验所选选用的是一台小型光栅单色仪，如图3所示。

它所用的色散元件是一个凹面光栅。当光栅G绕其轴转动时，由于光栅的衍射效应，出射狭缝处所对应饿波长也随之变化，从而使探测系统测得入射辐射中不同步长成分的强度——即得到入射辐射的光谱。光栅G 由一个步进电机及相应的机械系统驱动。步进电机由一个控制器——凹面光栅单色仪控制器控制。使用时通过控制器面板上的指轮开关设置好波长范围后，把选择开关拨向“工作”档即可。

4、探测记录装置

光谱测量中一般选择光电倍增管作探测器。本装置采用华东电子管场生产的GDB-510型光电倍增管。从光电倍增管出来的信号一般是比较弱的，需要经过放大才能送给记录装置，本实验采用光子计数器作为放大器。光子计数器是通过对光电倍增管来的电脉冲进行累积计数而达到放大作用的。经过放大的信号送到记录装置——X-T记录仪，从而记下所测光谱。

拉曼散射原理：

样品分子被入射光照射时，光电场使分子中的电荷分布周期性变化，产生一个交变的分子偶极矩。偶极矩随时间变化二次辐射电磁波即形成光散射现象。单位体积内分子偶极矩的矢量和称为分子的极化强度，用P表示。极化强度正比于入射电场

（7.14.2）

被称为分子极化率。在一级近似中被认为是一个常数，则P和E的方向相同。设入射光为频率υ的单色光，其电场强度E=E0cos2πυt，则

（7.14.3）如果认为分子极化率由于各原子间的振动而与振动有关，则它应由两部分组成：一部分是一个常数0，另一部分是以各种简正频率为代表的分子振动对贡献的总和，这些简正频率的贡献应随时间做周期性变化，所以

（7.14.4）

式中，表示第n个简正振动频率，可以是分子的振动频率或转动频率，也可以是晶体中晶格的振动频率或固体中声子散射频率。因此

（7.14.5）

上式第一项产生的辐射与入射光具有相同的频率υ，因而是瑞利散射；第二项为包含有分子各振动频率信息υn在内的散射，其散射频率分别为（υ-υn）和（υ+υn），前者为斯托克斯拉曼线，后者为反斯托克斯拉曼线。

式（7.14.5）是用一般的电磁学方法解释拉曼散射频率的产生的，但并不能给出拉曼谱线的强度。能给出拉曼强度的分子被称为具有拉曼活性，但并不是任何分子都具有拉曼活性，例如，具有中心对称的分子就不是拉曼活性的，但却是红外活性的。因此，对拉曼散射的精确解释应该用量子力学。依据量子力学，分子的状态用波函数表示，分子的能量为一些不连续的能级。入射光与分子相互作用，使分子的一个或多个振动模式激发而产生振动能级间的跃迁，这一过程实际上是一个能量的吸收和再辐射过程，只不过在散射中这两个过程几乎是同时发生的。再辐射（散射光）如图7.14.2所示，可能有三种结果，分别对应斯托克斯线（图7.14.2（a））、反斯托克斯线（图7.14.2（b））和瑞利线（图7.14.2（c））。

实验步骤：

1、用瑞利线校正单色仪读数（注意避免瑞利线直接进入系统）。

2、画出（液体）在范围内的拉曼光谱，并精确标定谱峰位置。

3、求出上述范围内的拉曼位移（用表示）。

记录实验数据：

注意事项：

1、实验中眼睛不能正对着任何激光束！

2、光电倍增管接上高电压后，绝对不能曝光，以免烧毁光电倍增

管。

实验心得：

在本次实验中，虽然没有得到比较标准的数据，但通过对实验原理的分析以及查找相关资料，我们小组感觉出射入射和中间狭缝是拉曼光谱仪的重要部分。入射、出射狭缝的主要功能是控制仪器分辨率，中间狭缝主要是用来抑制杂散光。对于一个光谱仪，即使用绝对单色光照射狭缝，其出射光也总有一宽度为Δυ的光谱分布。这主要是由仪器光栅，光学系统的象差，零件加工及系统调整等因素造成的，并由此决定了仪器的极限分辨率。在实际测量中，随着狭缝宽度加大，分辨率还要线性下降，使谱线展宽。

其次，孔径角的匹配也很重要。由于分辨率是光栅宽度的线性函数，如果收集光系统不能照明整个光栅，则仪器分辨率将会下降。自己组装光谱仪系统时更应注意这一点，要使收集散射光的立体角与单色仪的集光立体角相匹配。实际测量中也应注意把散射光正确地聚焦到入射狭缝上，否则不但降低了分辨率也影响了信号灵敏度。

再者，激发功率也是一个很重要的影响因素。提高激发光强度或增加缝宽能提高信噪比，但在进行低波数测量时这样做常常会因增加了杂散光而适得其反。一般应首先尽量降低杂散光，例如，适当减小狭缝宽度，保证仪器光路准直等；然后再考虑用重复扫描，增加取样时间或计算机累加平均等方法来消除激光器、光电倍增管及电子学系统带来的噪声。

当然，激发波长，也是一个不容忽视的因素。激光波长对杂散光及信噪比的影响十分显著，当狭缝宽度不变时，用氩激光514.5nm比用