激光拉曼光谱实验报告---近代物理实验

激光拉曼光谱实验报告

学号：201011141054 姓名：牟蓉

实验日期：2013.3.28 指导老师：杨国建

摘要：本实验研究了用半导体激光器泵浦的3Nd +：4YVO 晶体并倍频后得到的532nm 激光作为激发光源照射液体样品的4CCL 分子而得到的拉曼光谱，确定了各个峰的退偏度，0.929752、0.629412、0.873846、0.741176、0.884774、0.757774

关键词:拉曼散射、分子振动、退偏

一、引言

1928年，印度物理学家拉曼（C.V.Raman ）和克利希南（K.S.Krisman ）实验发现，当光穿过液体苯时被分子散射的光发生频率变化，这种现象称为拉曼散射。几乎与此同时，苏联物理学家兰斯别而格（ndsberg ）和曼杰尔斯达姆（L.Mandelstamm ）也在晶体石英样品中发现了类似现象。在散射光谱中，频率与入射光频率0υ相同的成分称为瑞利散射，频率对称分布在0υ两侧的谱线或谱带01υυ±即为拉曼光谱，其中频率较小的成分01υυ-又称为斯托克斯线，频率较大的成分01υυ+又称为反斯托克斯线。这种新的散射谱线与散射体中分子的震动和转动，或晶格的振动等有关。

拉曼效应是单色光与分子或晶体物质作用时产生的一种非弹性散射现象。拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征。

20世纪60年代激光的问世促进了拉曼光谱学的发展。由于激光极高的单色亮度，它很快被用到拉曼光谱中作为激发光源。而且基于新激光技术在拉曼光谱学中的使用，发展了共振拉曼、受激拉曼散射和番斯托克斯拉曼散射等新的实验技术和手段。

拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术,其信号来源于分子的振动和转动。它提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。拉曼光谱的分析方向有定性分析、结构分析和定量分析。

本实验将用半导体激光器泵浦的3Nd +：4YVO 晶体并倍频后得到的532nm 激光作为激发光源研究液体样品的4CCL 分子的拉曼光谱。

二、实验原理

1.分子的振动

由N 个原子组成的分子具有3N 个自由度。由于分子质心有3个平移自由度，非线性分子有3个转动自由度，因此其余3N-6个自由度是描述分子中的原子振动的。分子内原子的振动很复杂，但是总可以根据运动的分解和叠加原理吧分子的振动分解为3N-6种独立的振动，称为“简正振动”。可以用“简正坐标”描述简正振动，3N-6中简正振动的简正坐标为1236(,,...,,...)i N q q q q -。每个简正坐标都以它对应的简正频率振动着，

()1cos ,1,2,...,36i i i q Q t i N ωϕ=+=- （1）

四氯化碳的分子式为4CCL ，平衡时它的分子式一

正四面体结构，碳原子处于正四面体的中央。四个氯原

子处于四个不相邻的顶角上，如图1所示，中间的A 原

子即为碳原子。它共有九个振动自由度，一个任意的振

动可以分解成九种简正振动。

（1）四个CL 原子沿各自与C 的连线同时向内或向外运动（呼吸式），振动频率相当于波数V=458/cm （为了叙述方便，记为振动模式1）。

（2）四个Cl 原子沿垂直于各自与C 原子连线的方向运动并且保持重心不变，又分两种，在一种中，两个CL 在它们与C 形成的平面内运动；在另一种中，两个CL 垂直于上述平面而运动，由于两种情形中力常数相同，振动频率是简并的，相当于波数V=218/cm （记为振动模式2）。

（3）C 原子平行于正方体的一边运动，四个CL 原子同时平行于改变反向运动，分子重心保持不变，频率相当于波数V=776/cm ，为三重简并（记为振动模式3）。

（4）两个CL 沿立方体一面的对角线作伸缩运动，另两个在对面做位相向反的运动，频率相当于波数V=314/cm ，也是三重简并（记为振动模式4）。

2.拉曼散射的经典模型

对于振幅矢量为0E ,角频率为0ω的入射光，分子受到该入射光电场作用时，将感应产

图 1 四氯化碳分子结构

生电偶极矩P ，一级近似下，。A 是一个二阶张量（两个箭头表示张量），称为极化率张量，是简正坐标的函数。对于不同频率的简正坐标，分子的极化率将发生不同的变化，光的拉曼散射就是由于分子的极化率的变化引起的。根据泰勒定理将A 在平衡位置展开，可得

（2）

由（2）可以发现，表明将产生与入射光频率0ω相同的散射光，称之为瑞利散射光。()0cos k k t ωωϕ±±⎡⎤⎣⎦表明，

散射光中还存在频率与入射光不同，大小为0k ωω±的光辐射，即拉曼散射光。且拉曼散射光一共可以有对称的3N-6种频率，但产生与否取决于极化率张量各分量对简正坐标的偏微商是否全为零。

3.半经典理论解释拉曼散射

频率为0ω的单色光，可以看做是具有能量0ω的光子，而光的散射是由于入射光子和散射物分子发生碰撞后，改变传播方向而形成的。图2是光散射机制半经典解释的一个形象表述，图中i j E E 表示分子的两个振动能级，虚线表示的不是分子可能的状态，只是用以表示入射光子和散射光子的能量。

碰撞如果是弹性的，如图（2a ）则二者不交换能量，光子只改变运动方向而频率和能量都没有改变，这就是瑞利散射。而发生非弹性碰撞时，如图（2b ），光子和物质分子交换能量，可以看成是入射光子的湮灭和另一个不同能量散射光子的产生，与此同时，分子能量状图（2a ）

图（2b ）

E j

E i

态发生了跃迁，导致拉曼散射光产生。当初态能级i E 低于末态能级j E 时产生斯托克斯拉曼散射，出射光子频率为0ij ωω-；而初态能级j E 高于末态能级i E 时产生反斯托克斯拉曼散射，出射光子频率为0ij ωω+。根据统计分布规律，较高能级上的分子数低于低能级上的分子数，所以拉曼散射中，反斯托克斯线比斯托克斯线强度要小。

4.拉曼散射的退偏度

实验所测样品中，尤其是在液态与气态的介质中，分子的取向是无规则分布的。一般情况下，如入射光为平面偏振光，散射光的偏振方向可能与入射光不同，而且还可能变为非完全偏振的。这一现象称为散射光的“退偏”。散射光的退偏往往与分子结构和振动的对称性有关。拉曼散射光的偏振性完全取决于极化率张量。非对称振动的分子，极化率张量是一个椭球，会随着分子一起翻滚，振荡的诱导偶极矩也将不断地改变方向。

为了定量描述散射光相对入射光偏振态的改变，引入退偏度的概念。退偏度ρ即为偏振方向垂直和平行于入射光偏振方向的散射光强之比。

由理论分析可得，1号振动模式（振动频率相当于波数V=458/cm ）的退偏度为0，其余三种振动模式的退偏度均为0.75。

三、实验内容及方法

1.实验装置

图3 实验装置示意图

M 1—平面反射镜 M 2——凹面反射镜 P 1 P 2——偏振片

P 3—半波片 L 1——聚光透镜 L 2——成像透镜组

实验中使用半导体激光器泵浦的3Nd +：

4YVO 晶体并倍频后得到的波长为532nm 激光。