实验六 激光拉曼光谱仪汇.doc

激光拉曼光谱仪 一．【目的要求】 1.学习和了解拉曼散射的基本原理； 2.学习使用激光拉曼光谱仪测量CCL4的谱线； 二．【仪器用具】 LRS-3型激光拉曼光谱仪、CCL4、计算机、打印机 三．【原 理】 1. 拉曼散射 光照射介质时，除被介质吸收、反射和透射外，总有一部分被散射。散射光按频率可分成三类：第一类，散射光的频率与入射光的频率基本相同，频率变化小于3×105HZ，或者说波数变化小于10-5cm-1，这类散射通常称为瑞利（Rayleigh）散射；第二类，散射光频率与入射光频率有较大差别，频率变化大于3×1010Hz，或者说波数变化大于1cm-1，这类散射就是所谓拉曼（Raman）散射；散射光频率与入射光频率差介于上述二者之间的散射被称为布里渊（Brillouin）散射。从散射光的强度看，瑞利散射的强度最大，一般都在入射光强的10-3左右，常规拉曼散射的强度是最弱的，一般小于入射光强的10-6。 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；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,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 E1 ,这时的光量子的频率为;当分子已经处于振动或转动的激发态 E1 时,光量子则从散射分子中取得了能量 (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。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1所示,在光谱图中有三种线，中央的是瑞利散射线，频率为，强度最强；低频一侧的是斯托克斯线，与瑞利线的频差为，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，与瑞利斯托克斯线的频差亦为 ,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 , 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所包含的物质。 斯托克斯线 瑞利散射线 反斯托克斯线 图1 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。 2. 激光拉曼光谱仪的基本结构 激光拉曼/荧光光谱仪的总体结构如图2-1所示。 外光路 单色仪 驱动电路 激光器 光电倍增管 显示器 计算机 高压电源 激光电源 光子计数器 图2-1 激光拉曼/荧光光谱仪的结构示意图 2.1 单色仪： S1 S2 M2 M1 G M3 图2-2 单色仪的光学结构示意图 S1为入射狭缝，M1为准直镜，G为平面衍射光栅，衍射光束经成像物镜M2会聚，平面镜M3反射直接照射到出射狭缝S2上，在S2外侧有一光电倍增管PMT，当光谱仪的光栅转动时，光谱讯号通过光电倍增管转换成相应的电脉冲，并由光子计数器放大、计数，进入计算机处理，在显示器的荧光屏上得到光谱的分布曲线。 2.2 激光器： 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。其操作步骤参照半导体激光器说明书。 2.3 外光路系统 外光路系统：单色仪 激光器 R M2 S C2 P2 C1 P1 主要由激发光源（半导体激光器）五维可调样品支架S，偏振 图2-3 外光路系统示意图 组件P1和P2以及聚光透镜C1和C2等组成（见图2-3）。 激光器射出的激光束被反射镜R反射后，照射到样品上。为了得到较强的激发光，采用一聚光镜C1使激光聚焦，使在样品容器的中央部位形成激光的束腰。为了增强效果，在容器的另一侧放一凹面反射镜M2。凹面镜M2可使样品在该侧的