激光拉曼光譜儀實驗報告講解

1、實驗六激光拉曼光譜儀【目的要求】1. 學(xué)習(xí)和了解拉曼散射的基本原理；2. 學(xué)習(xí)使用激光拉曼光譜儀測量 CCL 4的譜線；【儀器用具】LRS-3型激光拉曼光譜儀、CCL 4、計算機(jī)、打印機(jī)【原理】1.拉曼散射當(dāng)平行光投射于氣體、 液體或透明晶體的樣品上，大部分按原來的方向透射 而 過,小部分按照不同的角度散射開來，這種現(xiàn)象稱為光的散射。散射是光子與物質(zhì) 分子相互碰撞的結(jié)果。由于碰撞方式不同，光子和分子之間會有多種散射形式。彈性碰撞彈性碰撞是光子和分子之間沒有能量交換，只是改變了光子的運動方向，使得 散射光的頻率與入射光的頻率基本相同，頻率變化小于3 X05HZ ,在光譜上稱為瑞 利散射。瑞利散射

2、在光譜上給出了一條與入射光的頻率相同的很強(qiáng)的散射譜線，就是瑞利線。非彈性碰撞光子和分子之間在碰撞時發(fā)生了能量交換，這不僅使光子改變了其運動方 向,也 改變了其能量，使散射光頻率與入射光頻率不同，這種散射在光譜上稱為 拉曼散射， 強(qiáng)度很弱，大約只有入射線的10-6。由于散射線的強(qiáng)度很低，所以為了排除入射光的干擾，拉曼散射一般在入射 線 的垂直方向檢測。散射譜線的排列方式是圍繞瑞利線而對稱的。在拉曼散射中散射光頻率小于入射光頻率的散射線被稱為斯托克斯線；而散射光頻率大于入射 光頻率的散射線被稱為 反斯托克斯線。斯托克斯線和反斯托克斯線是如何形成的 呢?在非彈性碰撞過程中，光子與分子有能量交換，光子

3、轉(zhuǎn)移一部分能量給分子，或 者從分子中吸收一部分能量，從而使它的頻率改變，它取自或給予散射分子的 能量 只能是分子兩定態(tài)之間的差值 21E E E二？。在光子與分子發(fā)生非彈性碰撞 過程中, 光子把一部分能量交給分子時，光子則以較小的頻率散射出去，稱為頻率較低的光 （即斯托克斯線，散射分子接受的能量轉(zhuǎn)變成為分子的振動或轉(zhuǎn)動能量,從而處于激發(fā)態(tài)E1,這時的光子的頻率為vv-v?（入射光的頻率為Ov當(dāng) 分子已經(jīng)處于振動或轉(zhuǎn)動的激發(fā)態(tài) E1時，光量子則從散射分子中取得了能量E ?（振動或轉(zhuǎn)動能量，以較大的頻率散射，稱為頻率較高的光（即反斯托克斯 線，這時的光量子的頻率為vvv ?+=0'最簡單的

4、拉曼光譜如圖1所示，在光譜圖中有三種線，中央的是瑞利散射線，頻 率為Ov強(qiáng)度最強(qiáng);低頻一側(cè)的是斯托克斯線，與瑞利線的頻差為v ?強(qiáng)度比瑞利線的強(qiáng)度弱很多，約為瑞利線的強(qiáng)度的幾百萬分之一至上萬分之一；高 頻的一側(cè)是反斯托克斯線，與瑞利斯托克斯線的頻差亦為v ?和斯托克斯線對稱的分布在瑞利線兩側(cè)，強(qiáng)度比斯托克斯線的強(qiáng)度又要弱很多，因此并不容易觀察到 反斯托克斯線的出現(xiàn)，但反斯托克斯線的強(qiáng)度隨著溫度的升高而迅速增大斯托克斯線和反斯托克斯線通常稱為 拉曼線，其頻率常表示為vv ?± 0, 稱v?拉曼頻移, 這種頻移和激發(fā)線的頻率無關(guān)，以任何頻率激發(fā)這種物質(zhì)，拉曼線均能伴隨出現(xiàn)拉曼散射強(qiáng)度正比

5、于入射光的強(qiáng)度，并且在產(chǎn)生拉曼散射的同時，必然存在強(qiáng) 度大于拉曼散射至少一千倍的瑞利散射。因此，在設(shè)計或組裝拉曼光譜儀和進(jìn)行拉曼光譜實驗時，必須同時考慮盡可能增強(qiáng)入射光的光強(qiáng)和最大限度地收集散射光，又要盡量地抑制和消除主要來自瑞利散射的背景雜散光，提高儀器的信噪比。拉曼光譜在材料中的應(yīng)用：不同材料有著與其他材料不同的特征圖譜，為表征和鑒定材料提供指紋譜。(2)拉曼頻移表征了分子中不同基團(tuán)振動的特性，因此可以通過拉曼位移的測定, 對分子進(jìn)行定性和結(jié)構(gòu)分析。可通過光譜校正，得到準(zhǔn)確的應(yīng)力和濃度分布。2. 激光拉曼光譜儀的基本結(jié)構(gòu)激光拉曼/熒光光譜儀的總體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示圖2-1激光拉曼/熒光光譜

6、儀的結(jié)構(gòu)示意圖圖2-2單色儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖S1為入射狹縫，M1為準(zhǔn)直鏡，G為平面衍射光柵，衍射光束經(jīng)成像物鏡M2會聚, 平面鏡M3反射直接照射到出射狹縫 S2上,在S2外側(cè)有一光電倍增管PMT ,當(dāng)光 譜儀的光柵轉(zhuǎn)動時，光譜訊號通過光電倍增管轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖，并由光子計數(shù) 器放大、計數(shù),進(jìn)入計算機(jī)處理，在顯示器的熒光屏上得到光譜的分布曲 線。S12.2激光器:本儀器采用40mw半導(dǎo)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(dǎo)體激光器說明書2.3外光路系統(tǒng)P2外光路系統(tǒng)：主要由激發(fā)光源（半導(dǎo)體激光器五維可調(diào)樣品支架 S偏振單色儀Cl圖2-3外光路系統(tǒng)示意圖組件P1和P2以及聚

7、光透鏡C1和C2等組成（見圖2-3。激光器射出的激光束被反射鏡 R反射后，照射到樣品上。為了得到較強(qiáng)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(qiáng)效果，在容器的另一側(cè)放一凹面反射鏡 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(yīng)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?？烧{(diào)的主要是激光照射在樣品上的束腰應(yīng)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(qiáng)弱來判斷。2.4偏振部件：作

8、偏振測量實驗時，應(yīng)在外光路中放置偏振部件。它包括改變?nèi)肷涔馄穹较?的偏振旋轉(zhuǎn)器，還有起偏器和檢偏器。2.5探測系統(tǒng):拉曼散射是一種極微弱的光，其強(qiáng)度小于入射光強(qiáng)的10-6，比光電倍增管本 身的 熱噪聲水平還要低。用通常的直流檢測方法已不能把這種淹沒在噪聲中的信 號提 取出來。單光子計數(shù)器方法利用弱光下光電倍增管輸出電流信號自然離散的特征 ，采M23.用脈沖高度甄別和數(shù)字計數(shù)技術(shù)將淹沒在背景噪聲中的弱光信號提取出來。 激光拉曼光譜儀的光學(xué)原理圖光電接收圖3-1光學(xué)原理圖【實驗步驟】、準(zhǔn)備樣品：用滴管將CCL注入到藥品匙，然后將藥品匙放置在樣品架上二、打開激光器電源。三、調(diào)整外光路（由指導(dǎo)教師完

9、成，學(xué)生只需了解方法1. 放入藥品匙之前觀察激光束是否與底板垂直，若不垂直，進(jìn)行調(diào)節(jié)。2. 聚光部件的調(diào)整：將藥品匙放置在樣品架上，調(diào)節(jié)樣品臺上的微調(diào)螺釘使 聚 焦后的激光束位于樣品管的中心。3. 集光部件的調(diào)整:集光部件是為了最有效的收集拉曼光。該儀器采用一物 鏡組及物鏡2來完成。參閱下圖：光電接收首先,拿一張白紙放在單色儀的入縫處，觀察是否有綠色亮條紋象與狹縫平行。若此時綠色亮條紋清晰，并進(jìn)入狹縫，就不需再調(diào)整了。若象清晰但未進(jìn)入 狹縫 則可調(diào)整螺釘，讓象進(jìn)入狹縫。四、打開儀器的電源五、啟動應(yīng)用程序，出現(xiàn)對話框，重新初始化（光柵重新定位六、在參數(shù)設(shè)置區(qū)設(shè)置閾值和積分時間及其他參數(shù)：模式:波長方式；間隔:0.1 nm；負(fù)高壓（提供給倍增管的負(fù)高壓大?。?;閾值：27；工作波長：515nm-560nm；最大值：16500最小值:0；積分時間：120ms；如使用陷波濾波器， 選擇打勾。七、單擊 單程”掃描，獲得譜圖。八、與給定的標(biāo)準(zhǔn)譜圖對照，峰值 較低時，說明進(jìn)入狹縫的拉曼光較少，進(jìn)一步 調(diào)整外光路。方法如下：利用 自動 尋峰”找到最高峰值對應(yīng)的波長，記錄下來；單擊定點”，