激光拉曼光譜實驗

1、激光拉曼光譜實驗拉曼散射是印度科學家Raman在1928年發(fā)現(xiàn)的，拉曼光譜因之得名。光和媒質(zhì)分子相互作用時引起每個分子作受迫振動從而產(chǎn)生散射光，散射光的頻率一般和入射光的頻率相同，這種散射叫做瑞利散射，由英國科學家瑞利于1899年進行了研究。但當拉曼在他的實驗室里用一個大透鏡將太陽光聚焦到一瓶苯的溶液中，經(jīng)過濾光的陽光呈藍色，但是當光束進入溶液之后，除了入射的藍光之外，拉曼還觀察到了很微弱的綠光。拉曼認為這是光與分子相互作用而產(chǎn)生的一種新頻率的光譜帶。因這一重大發(fā)現(xiàn)，拉曼于1930年獲諾貝爾獎。激光拉曼光譜是激光光譜學中的一個重要分支，應用十分廣泛。如在化學方面應用于有機和無機分析化學、生物化

2、學、石油化工、高分子化學、催化和環(huán)境科學、分子鑒定、分子結(jié)構(gòu)等研究；在物理學方面應用于發(fā)展新型激光器、產(chǎn)生超短脈沖、分子瞬態(tài)壽命研究等，此外在相干時間、固體能譜方面也有廣泛的應用。實驗目的：1、掌握拉曼光譜儀的原理和使用方法； 2、測四氯化碳的拉曼光譜，計算拉曼頻移。實驗重點：拉曼現(xiàn)象的產(chǎn)生原理及拉曼頻移的計算實驗難點：光路的調(diào)節(jié)實驗原理：儀器結(jié)構(gòu)及原理1、儀器的結(jié)構(gòu)LRS-II激光拉曼/熒光光譜儀的總體結(jié)構(gòu)如圖12-4-1所示。2、單色儀單色儀的光學結(jié)構(gòu)如圖12-4-2所示。S1為入射狹縫，M1為準直鏡，G為平面衍射光柵，衍射光束經(jīng)成像物鏡M2匯聚，經(jīng)平面鏡M3反射直接照射到出射狹縫S2上，

3、在S2外側(cè)有一光電倍增管PMT，當光譜儀的光柵轉(zhuǎn)動時，光譜信號通過光電倍增管轉(zhuǎn)換成相應的電脈沖，并由光子計數(shù)器放大、計數(shù)，進入計算機處理，在顯示器的熒光屏上得到光譜的分布曲線。3、激光器本實驗采用50mW半導體激光器，該激光器輸出的激光為偏振光。其操作步驟參照半導體激光器說明書。4、外光路系統(tǒng)外光路系統(tǒng)主要由激發(fā)光源（半導體激光器）、五維可調(diào)樣品支架S、偏振組件P1和P2以及聚光透鏡C1和C2等組成（見圖12-4-3）。激光器射出的激光束被反射鏡R反向后，照射到樣品上。為了得到較強的激發(fā)光，采用一聚光鏡C1使激光聚焦，使在樣品容器的中央部位形成激光的束腰。為了增強效果，在容器的另一側(cè)放一凹面反

4、射鏡M2。凹面鏡M2可使樣品在該側(cè)的散射光返回，最后由聚光鏡C2把散射光會聚到單色儀的入射狹縫上。調(diào)節(jié)好外光路是獲得拉曼光譜的關(guān)鍵，首先應使外光路與單色儀的內(nèi)光路共軸。一般情況下，它們都已調(diào)好并被固定在一個鋼性臺架上。可調(diào)的主要是激光照射在樣品上的束腰，束腰應恰好被成像在單色儀的狹縫上。是否處于最佳成像位置，可通過單色儀掃描出的某條拉曼譜線的強弱來判斷。5、信號處理部分：光電倍增管將光信號變成電信號并進行信號放大，最后送入電腦顯示系統(tǒng)，在電腦上顯示出拉曼光譜。拉曼光譜的特性：頻率為的單色光入射到透明的氣體、液體或固體材料上而產(chǎn)生光散射時，散射光中除了存在入射光頻率外，還觀察到頻率為的新成分，這

5、種頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象就被稱為拉曼效應。即為瑞利散射，頻率+稱為拉曼散射的斯托克斯線，頻率為-的稱為反斯托克斯線。通常稱為拉曼頻移，多用散射光波長的倒數(shù)表示，計算公式為 （）式中，和0分別為散射光和入射光的波長。的單位為cm-1。拉曼譜線的頻率雖然隨著入射光頻率而變化，但拉曼光的頻率和瑞利散射光的頻率之差卻不隨入射光頻率而變化，而與樣品分子的振動轉(zhuǎn)動能級有關(guān)。拉曼譜線的強度與入射光的強度和樣品分子的濃度成正比： 式中 k在垂直入射光束方向上通過聚焦鏡所收集的喇曼散射光的通量（W）；0入射光照射到樣品上的光通量（W）；Sk拉曼散射系數(shù)，約等于10-2810-29mol/sr；N單位體積內(nèi)的分子數(shù)；

6、H樣品的有效體積；L考慮折射率和樣品內(nèi)場效應等因素影響的系數(shù)；拉曼光束在聚焦透鏡方向上的半角度。利用拉曼效應及拉曼散射光與樣品分子的上述關(guān)系，可對物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和濃度進行分析和研究。拉曼散射原理樣品分子被入射光照射時，光電場使分子中的電荷分布周期性變化，產(chǎn)生一個交變的分子偶極矩。偶極矩隨時間變化二次輻射電磁波即形成光散射現(xiàn)象。單位體積內(nèi)分子偶極矩的矢量和稱為分子的極化強度，用P表示。極化強度正比于入射電場 （）被稱為分子極化率。在一級近似中被認為是一個常數(shù)，則P和E的方向相同。設(shè)入射光為頻率的單色光，其電場強度E=E0cos2t，則 （）如果認為分子極化率由于各原子間的振動而與振動有關(guān)，則它應

7、由兩部分組成：一部分是一個常數(shù)0，另一部分是以各種簡正頻率為代表的分子振動對貢獻的總和，這些簡正頻率的貢獻應隨時間做周期性變化，所以 （）式中，表示第n個簡正振動頻率，可以是分子的振動頻率或轉(zhuǎn)動頻率，也可以是晶體中晶格的振動頻率或固體中聲子散射頻率。因此 （）上式第一項產(chǎn)生的輻射與入射光具有相同的頻率，因而是瑞利散射；第二項為包含有分子各振動頻率信息n在內(nèi)的散射，其散射頻率分別為（-n）和（+n），前者為斯托克斯拉曼線，后者為反斯托克斯拉曼線。式（實驗步驟：（請根據(jù)你的實際操作過程，充實補充下面的實驗步驟，包括軟件的操作詳細過程）1、將四氯化碳倒入液體池內(nèi)，調(diào)整好外光路，注意將雜散光的成像對準單色儀的入射狹縫上，并將狹縫開至0.1mm左右；2、啟動LRS-II/III應用軟件；3、輸入激光的波長；4、掃描數(shù)據(jù)；5、采集信息；6、測量數(shù)據(jù)；7、讀取數(shù)據(jù)；8、尋峰；9、修正波長；10、計算拉曼頻移。實驗數(shù)據(jù)： 數(shù)據(jù)處理：實驗總結(jié)： 本次拉曼光譜實驗獲得了成功！通過該實驗，懂得了拉曼光譜實驗儀的基