激光喇曼光譜課件

1、激光喇曼光譜背景 散射光按相對于入射光波數(shù)（1/）的改變情況，可將散射光分為三類：由某種散射中心(分子或塵埃粒子)引起，其波數(shù)基本不變，這類散射稱為米氏散射；由入射光波場與介質(zhì)內(nèi)的彈性波發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的散射，其波數(shù)變化大約為0.1cm-1，稱為布里淵(Brillouin)散射；以上兩類散射通常難以分辨合稱為瑞利散射。波數(shù)變化大于lcm-1的散射，相當(dāng)于分子轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)能級和電子能級間躍遷范圍，稱為喇曼散射。第一類第二類第三類 喇曼散射現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)上是1928年首先由印度科學(xué)家喇曼(CVRaman)和前蘇聯(lián)科學(xué)家曼杰斯塔姆(.-)發(fā)現(xiàn)的，因此稱為喇曼散射。散射光強(qiáng)：米氏散射入射光強(qiáng)的10-310

2、-5喇曼散射僅為入射光強(qiáng)的10-710-9 為了有效地記錄到喇曼散射，要求有高強(qiáng)度的入射光去照射樣品。氬離子激光照射四氯化碳樣品，得到的喇曼光譜原 理頻率為0的光波其電場強(qiáng)度可用下式表示式中為極化率張量。一般來說，極化率是坐標(biāo)的函數(shù)。由分子振動(dòng)所引起的極化率的變化，可以通過將極化率的變化，可以通過將極化率張量的每一分量ij按簡正 當(dāng)這樣一束單色光入射到分子上時(shí)，其分子內(nèi)部電荷將發(fā)生相應(yīng)位移而引起分子極化，感生出電偶極矩P，它與電場強(qiáng)度E的關(guān)系為一、喇曼散射的經(jīng)典理論 對于諧振性近似，只保留一級項(xiàng)，并且考慮某一個(gè)振動(dòng)簡正模qk，則坐標(biāo)展開為如下的泰勒級數(shù)在簡諧振動(dòng)條件下，qk的時(shí)間依賴關(guān)系為得到

3、利用三角恒等變換，得可知感生偶極子有三個(gè)不同的頻率分量：按經(jīng)典輻射理論，它將有三種頻率的電磁幅射： 喇曼位移只與分子自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與入射光的頻率無關(guān)。0產(chǎn)生與入射光同頻率的散射0+k分子振動(dòng)的喇曼散射0-k分子振動(dòng)的喇曼散射瑞利散射反斯托克斯斯托克斯 按量子論的觀點(diǎn)，頻率為0的入射單色光可以看作是具有能量為0的光子。當(dāng)光子與物質(zhì)分子碰撞時(shí)有兩種可能：二、喇曼散射的半徑典量子解釋一種是彈性碰撞，沒有能量交換，光子只改變運(yùn)動(dòng)方向另一種是非彈性碰撞，有能量交換，光子改變運(yùn)動(dòng)方向瑞利散射喇曼散射 根據(jù)玻爾茲曼分布，在常溫下，處于基態(tài)的分子占絕大多數(shù)，所以通常斯托克斯線比反斯托克斯線強(qiáng)很多，經(jīng)典理論

4、則不能正確解釋這一現(xiàn)象。光散射的半經(jīng)典量子解釋示意圖斯托克斯線反斯托克斯線瑞利散射光強(qiáng)I左上標(biāo)表示入射光電矢量與散射平面的關(guān)系，I的右下標(biāo)表示散射光的電矢量與散射平面的關(guān)系。 當(dāng)電磁輻射與一系統(tǒng)相互作用時(shí)，偏振態(tài)常發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為退偏。三、喇曼散射的退偏度 在喇曼散射中，散射光的退偏往往與分子的對稱性有關(guān)。散射平面入射光傳播方向和觀測方向組成的平面當(dāng)入射光為平面偏振光，且偏振方向平行于散射平面，而觀測方向在散射平面內(nèi)與入射光傳播方向成角時(shí)，定義退偏度為/()；當(dāng)入射光偏振方向垂直于散射平面時(shí)，定義退偏度()，即：當(dāng)入射光為自然光時(shí)，退偏度為例如，入射光沿直角坐標(biāo)的z軸入射，沿y方向觀測時(shí)

5、，幾種退偏度的情況。當(dāng)入射光沿x軸方向偏振時(shí)，散射平面為y-z平面，其退偏度為當(dāng)入射光沿y方向偏振時(shí)，退偏度為當(dāng)入射光為自然光時(shí)，退偏度為由理論計(jì)算可得，入射光為平面偏振光時(shí)入射光為自然光時(shí) 為平均電極化率的值在0和3/4之間，完全退偏為各向異性率完全偏振的值在0和6/7之間，這時(shí)散射光是部分偏振光。四、CCL4（四氯化碳）分子的對稱結(jié)構(gòu)及振動(dòng)方式 CCL4分子為四面體結(jié)構(gòu)，一個(gè)碳原子在中心，四個(gè)氯原子在四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，共有9種簡正振動(dòng)，除去簡并，可歸成四種 上面所說的“簡并”，是指在同一類振動(dòng)中，雖然包含不同的振動(dòng)方式但具有相同的能量，它們在喇曼光譜中對應(yīng)同一條譜線。因此，CCl4分子振動(dòng)喇曼光譜應(yīng)有4個(gè)基本譜線，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測得各譜線的相對強(qiáng)度依次為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1先依次打開，喇曼光譜儀、計(jì)算機(jī)電源。2打開激光器電源，打開LD開關(guān)，調(diào)節(jié)激光器電流到1A左右。3根據(jù)說明書，參照儀器，搞清計(jì)算機(jī)喇曼光譜儀窗口，各個(gè) 開關(guān)的功能、掃描閾值。4完整記錄CCl4分子的振動(dòng)喇曼光譜。5在光譜圖上標(biāo)出各譜線的波間距及相對強(qiáng)度，根據(jù)它們的強(qiáng) 度差別，辨認(rèn)各譜線所對應(yīng)的簡正振動(dòng)類型。6記錄CCl4分子的振動(dòng)喇曼偏振譜，求出各線的退偏比。參考資料1褚圣