激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)報(bào)告- 阿布都卡衣木·阿布都拉 11180126

1、近代物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)報(bào)告 學(xué) 院 數(shù)理與信息工程學(xué)院 班 級(jí) 物理111班姓 名 學(xué) 號(hào) 時(shí) 間 激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)報(bào)告摘要：本實(shí)驗(yàn)研究了用半導(dǎo)體激光器泵浦的：晶體并倍頻后得到的532nm激光作為激發(fā)光源照射液體樣品的分子而得到的拉曼光譜，確定了各個(gè)峰的退偏度，0.929752、0.629412、0.873846、0.741176、0.884774、0.757774關(guān)鍵詞:拉曼散射、分子振動(dòng)、退偏一、引言1928年，印度物理學(xué)家拉曼（C.V.Raman）和克利希南（K.S.Krisman）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光穿過液體苯時(shí)被分子散射的光發(fā)生頻率變化，這種現(xiàn)象稱為拉曼散射。幾乎與此同時(shí)，

2、蘇聯(lián)物理學(xué)家蘭斯別而格（G.Landsberg）和曼杰爾斯達(dá)姆（L.Mandelstamm）也在晶體石英樣品中發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。在散射光譜中，頻率與入射光頻率相同的成分稱為瑞利散射，頻率對(duì)稱分布在兩側(cè)的譜線或譜帶即為拉曼光譜，其中頻率較小的成分又稱為斯托克斯線，頻率較大的成分又稱為反斯托克斯線。這種新的散射譜線與散射體中分子的震動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，或晶格的振動(dòng)等有關(guān)。拉曼效應(yīng)是單色光與分子或晶體物質(zhì)作用時(shí)產(chǎn)生的一種非彈性散射現(xiàn)象。拉曼譜線的數(shù)目，位移的大小，譜線的長度直接與試樣分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)。因此，與紅外吸收光譜類似，對(duì)拉曼光譜的研究，也可以得到有關(guān)分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的信息。目前拉曼光譜分析技術(shù)已廣泛

3、應(yīng)用于物質(zhì)的鑒定，分子結(jié)構(gòu)的研究譜線特征。20世紀(jì)60年代激光的問世促進(jìn)了拉曼光譜學(xué)的發(fā)展。由于激光極高的單色亮度，它很快被用到拉曼光譜中作為激發(fā)光源。而且基于新激光技術(shù)在拉曼光譜學(xué)中的使用，發(fā)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實(shí)驗(yàn)技術(shù)和手段。拉曼光譜分析技術(shù)是以拉曼效應(yīng)為基礎(chǔ)建立起來的分子結(jié)構(gòu)表征技術(shù),其信號(hào)來源于分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。它提供快速、簡單、可重復(fù)、且更重要的是無損傷的定性定量分析，無需樣品準(zhǔn)備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。拉曼光譜的分析方向有定性分析、結(jié)構(gòu)分析和定量分析。本實(shí)驗(yàn)將用半導(dǎo)體激光器泵浦的：晶體并倍頻后得到的532nm激光作為激

4、發(fā)光源研究液體樣品的分子的拉曼光譜。二、實(shí)驗(yàn)原理1.分子的振動(dòng)由N個(gè)原子組成的分子具有3N個(gè)自由度。由于分子質(zhì)心有3個(gè)平移自由度，非線性分子有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，因此其余3N-6個(gè)自由度是描述分子中的原子振動(dòng)的。分子內(nèi)原子的振動(dòng)很復(fù)雜，但是總可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)的分解和疊加原理吧分子的振動(dòng)分解為3N-6種獨(dú)立的振動(dòng)，稱為“簡正振動(dòng)”。可以用“簡正坐標(biāo)”描述簡正振動(dòng)，3N-6中簡正振動(dòng)的簡正坐標(biāo)為。每個(gè)簡正坐標(biāo)都以它對(duì)應(yīng)的簡正頻率振動(dòng)著， （1）圖 1 四氯化碳分子結(jié)構(gòu)四氯化碳的分子式為，平衡時(shí)它的分子式一正四面體結(jié)構(gòu)，碳原子處于正四面體的中央。四個(gè)氯原子處于四個(gè)不相鄰的頂角上，如圖1所示，中間的A原子即為

5、碳原子。它共有九個(gè)振動(dòng)自由度，一個(gè)任意的振動(dòng)可以分解成九種簡正振動(dòng)。（1）四個(gè)CL原子沿各自與C的連線同時(shí)向內(nèi)或向外運(yùn)動(dòng)（呼吸式），振動(dòng)頻率相當(dāng)于波數(shù)V=458/cm（為了敘述方便，記為振動(dòng)模式1）。 （2）四個(gè)Cl原子沿垂直于各自與C原子連線的方向運(yùn)動(dòng)并且保持重心不變，又分兩種，在一種中，兩個(gè)CL在它們與C形成的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；在另一種中，兩個(gè)CL垂直于上述平面而運(yùn)動(dòng)，由于兩種情形中力常數(shù)相同，振動(dòng)頻率是簡并的，相當(dāng)于波數(shù)V=218/cm（記為振動(dòng)模式2）。（3）C原子平行于正方體的一邊運(yùn)動(dòng)，四個(gè)CL原子同時(shí)平行于改變反向運(yùn)動(dòng)，分子重心保持不變，頻率相當(dāng)于波數(shù)V=776/cm，為三重簡并（記為振

6、動(dòng)模式3）。（4）兩個(gè)CL沿立方體一面的對(duì)角線作伸縮運(yùn)動(dòng)，另兩個(gè)在對(duì)面做位相向反的運(yùn)動(dòng)，頻率相當(dāng)于波數(shù)V=314/cm，也是三重簡并（記為振動(dòng)模式4）。2.拉曼散射的經(jīng)典模型對(duì)于振幅矢量為,角頻率為的入射光，分子受到該入射光電場作用時(shí)，將感應(yīng)產(chǎn)生電偶極矩，一級(jí)近似下，。是一個(gè)二階張量（兩個(gè)箭頭表示張量），稱為極化率張量，是簡正坐標(biāo)的函數(shù)。對(duì)于不同頻率的簡正坐標(biāo)，分子的極化率將發(fā)生不同的變化，光的拉曼散射就是由于分子的極化率的變化引起的。根據(jù)泰勒定理將A在平衡位置展開，可得 （2）由（2）可以發(fā)現(xiàn)，表明將產(chǎn)生與入射光頻率相同的散射光，稱之為瑞利散射光。表明，散射光中還存在頻率與入射光不同，大小為

7、的光輻射，即拉曼散射光。且拉曼散射光一共可以有對(duì)稱的3N-6種頻率，但產(chǎn)生與否取決于極化率張量各分量對(duì)簡正坐標(biāo)的偏微商是否全為零。3.半經(jīng)典理論解釋拉曼散射頻率為的單色光，可以看做是具有能量的光子，而光的散射是由于入射光子和散射物分子發(fā)生碰撞后，改變傳播方向而形成的。圖2是光散射機(jī)制半經(jīng)典解釋的一個(gè)形象表述，圖中表示分子的兩個(gè)振動(dòng)能級(jí)，虛線表示的不是分子可能的狀態(tài)，只是用以表示入射光子和散射光子的能量。圖（2a）圖（2b）EjEi碰撞如果是彈性的，如圖（2a）則二者不交換能量，光子只改變運(yùn)動(dòng)方向而頻率和能量都沒有改變，這就是瑞利散射。而發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，如圖（2b），光子和物質(zhì)分子交換能量，可

8、以看成是入射光子的湮滅和另一個(gè)不同能量散射光子的產(chǎn)生，與此同時(shí)，分子能量狀態(tài)發(fā)生了躍遷，導(dǎo)致拉曼散射光產(chǎn)生。當(dāng)初態(tài)能級(jí)低于末態(tài)能級(jí)時(shí)產(chǎn)生斯托克斯拉曼散射，出射光子頻率為；而初態(tài)能級(jí)高于末態(tài)能級(jí)時(shí)產(chǎn)生反斯托克斯拉曼散射，出射光子頻率為。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，較高能級(jí)上的分子數(shù)低于低能級(jí)上的分子數(shù)，所以拉曼散射中，反斯托克斯線比斯托克斯線強(qiáng)度要小。4.拉曼散射的退偏度實(shí)驗(yàn)所測樣品中，尤其是在液態(tài)與氣態(tài)的介質(zhì)中，分子的取向是無規(guī)則分布的。一般情況下，如入射光為平面偏振光，散射光的偏振方向可能與入射光不同，而且還可能變?yōu)榉峭耆竦摹＿@一現(xiàn)象稱為散射光的“退偏”。散射光的退偏往往與分子結(jié)構(gòu)和振動(dòng)的對(duì)稱性有

9、關(guān)。拉曼散射光的偏振性完全取決于極化率張量。非對(duì)稱振動(dòng)的分子，極化率張量是一個(gè)橢球，會(huì)隨著分子一起翻滾，振蕩的誘導(dǎo)偶極矩也將不斷地改變方向。為了定量描述散射光相對(duì)入射光偏振態(tài)的改變，引入退偏度的概念。退偏度即為偏振方向垂直和平行于入射光偏振方向的散射光強(qiáng)之比。由理論分析可得，1號(hào)振動(dòng)模式（振動(dòng)頻率相當(dāng)于波數(shù)V=458/cm）的退偏度為0，其余三種振動(dòng)模式的退偏度均為0.75。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法1.實(shí)驗(yàn)裝置激光器成像透鏡組單色儀PMT光子計(jì)數(shù)器計(jì)算器打印機(jī)M2樣品池M1P3L1P1P2L2圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖M1平面反射鏡 M2凹面反射鏡 P1 P2偏振片P3半波片 L1聚光透鏡 L2成像透鏡組

10、實(shí)驗(yàn)中使用半導(dǎo)體激光器泵浦的：晶體并倍頻后得到的波長為532nm激光。樣品是液態(tài)分子，裝在樣品池中。光經(jīng)透鏡聚焦在樣品池中心，成像透鏡組對(duì)光進(jìn)行收集。然后單色儀收集散射光，再使用光電倍增管和光子計(jì)數(shù)器吃力拉曼散射信號(hào)。2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 調(diào)節(jié)光路，讓足夠多的散射光入射到單色儀中。（2） 確定拉曼譜線的退偏度。實(shí)驗(yàn)中使用調(diào)節(jié)偏振片P1對(duì)光源進(jìn)行起偏，使入射光成為平面偏振光，通過轉(zhuǎn)動(dòng)半波片P3改變偏振方向，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光和散射平面所成角度的控制。對(duì)于出射光，可以通過調(diào)節(jié)偏振片P2控制出射光與散射平面所成的角度，這樣便可以對(duì)退偏度進(jìn)行測量。四、數(shù)據(jù)處理及分析1.測量分子的拉曼散射光譜并分辨出各

11、種振動(dòng)模式。下圖即為實(shí)驗(yàn)中測量出的拉曼散射光譜。圖4 液態(tài)分子的拉曼散射光譜由圖中可以看出一共有9個(gè)峰值，強(qiáng)度最大的峰值對(duì)應(yīng)的散射光即為瑞利散射。除瑞利散射，剩下的8個(gè)峰值正好對(duì)應(yīng)理論分析中的8種振動(dòng)。同時(shí)還有一種震動(dòng)無法在途中顯現(xiàn)。由圖中也可以明顯地看出，瑞利散射左側(cè)的反斯托克斯線的峰值高度要低于右側(cè)的斯托克斯線。從圖中讀出各個(gè)峰值，計(jì)算各個(gè)散射線與瑞利散射的頻移，便可以判斷出液態(tài)分子的各種振動(dòng)模式表1 峰值強(qiáng)度表波長(nm）強(qiáng)度519.02582.7525.84507.8537.89443.4540.89421.3545.213170.32.確定各拉曼譜線的退偏度在實(shí)驗(yàn)過程中，儀器出現(xiàn)較大

12、問題導(dǎo)致接下來的實(shí)驗(yàn)無法完成，以下采用的圖像和數(shù)據(jù)是第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)所測得的不標(biāo)準(zhǔn)的圖像和數(shù)據(jù)，因此接下來我們只討論比較符合的數(shù)據(jù)忽略誤差較大的數(shù)據(jù)。圖5 退偏度圖像由圖像可以看出545nm左右有多出一個(gè)峰，存在較大錯(cuò)誤，以下數(shù)據(jù)為排除這個(gè)峰的數(shù)據(jù)。波長nm強(qiáng)度519.21384.5523.01834.6525.82319.7538.24906.9540.64794.6545.26703.4554.82802.0表2 峰波長和退偏度計(jì)算表所測退偏度都較標(biāo)準(zhǔn)值大的原因主要應(yīng)該是這樣的：出射光出的偏振片角度調(diào)節(jié)存在不可避免的人為誤差和儀器本身的誤差，導(dǎo)致出射光和入射光所成的夾角不能做到準(zhǔn)確的垂直。而起

13、偏器的方向影響不是很大，因?yàn)榫退闫鹌鞑粫?huì)與散射平面準(zhǔn)確地垂直或平行，但是它所在的平面永遠(yuǎn)與散射平面垂直。所以只要保證出射光的偏振方向準(zhǔn)確，退偏度也不會(huì)有很大的誤差。所以是出射光出偏振片的方向不是嚴(yán)格真確導(dǎo)致退偏度計(jì)算公式分子上的數(shù)值偏大，因而退偏度偏大。當(dāng)然，背景的影響會(huì)使得強(qiáng)度的讀取有偏差。五、誤差分析及錯(cuò)誤總結(jié)1.實(shí)驗(yàn)過程中儀器較精密，在進(jìn)行光路調(diào)節(jié)時(shí)，將凹面反射鏡取下，光路調(diào)好后無法將其安回，導(dǎo)致退偏度實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行。這次實(shí)驗(yàn)使我深刻的意識(shí)到儀器的重要性，在調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)應(yīng)盡量注意儀器的可拆卸性，有些部件在實(shí)驗(yàn)過程中并不宜拆卸。而這次實(shí)驗(yàn)的失敗則是實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)儀器的不經(jīng)心造成的，在今后的實(shí)驗(yàn)中要加強(qiáng)對(duì)儀器的認(rèn)識(shí)，認(rèn)真愛護(hù)實(shí)驗(yàn)器材。2.拉曼光譜中的背景對(duì)譜線強(qiáng)度的讀取有影響，會(huì)造成誤差。而且背景的剔除是人為讀取的，帶有主