激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)

PAGEPAGE5近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 激光拉曼及熒光光譜實(shí)驗(yàn)姓名：陳聰091204120付靜靜091204121實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、學(xué)習(xí)使用光譜測(cè)量中常用的儀器設(shè)備；2、測(cè)量（液體）的拉曼光譜；3、學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單而常用的光譜處理方法，并對(duì)的拉曼光譜進(jìn)行處理，求出的主要拉曼線的拉曼位移。[實(shí)驗(yàn)裝置]拉曼光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一般由單色激發(fā)光源、樣品室、色散系統(tǒng)和探測(cè)記錄裝置等組成。本實(shí)驗(yàn)采用蘇州大學(xué)生產(chǎn)的SD-RI型小型拉曼光譜儀。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。下面分別加以介紹。激發(fā)光源激發(fā)拉曼光譜的光源，最主要的是要具有高單色性，并能在樣品上給出高輻照度。本實(shí)驗(yàn)采用激光器作為單色光源。其輸出激光的波長(zhǎng)為。它的使用比較簡(jiǎn)單，打開(kāi)電源，調(diào)節(jié)電流至所需值（一般約為）即可。樣品室前面已介紹過(guò)，拉曼散射的強(qiáng)度比較弱。為了有效的進(jìn)行測(cè)量，樣品室必須仔細(xì)設(shè)計(jì)。樣品時(shí)要考慮使激發(fā)光以最有效的方式照射樣品，并要盡可能地收集散射光。本實(shí)驗(yàn)所用的樣品室（見(jiàn)圖2），由兩個(gè)凹面反射鏡、和兩個(gè)凸透鏡、組成。這里的作用是對(duì)入射激發(fā)光進(jìn)行聚焦以提高激發(fā)強(qiáng)度，的作用在于把透過(guò)樣品的激發(fā)光反射回樣品再次利用以進(jìn)一步提高激發(fā)強(qiáng)度；、用于收集散射光。其中把向著色散系統(tǒng)——單色儀方向散射的光聚集起來(lái)送入單色儀，把背著單色儀方向散射的光反射回來(lái)，通過(guò)的聚焦送入單色儀。具體實(shí)驗(yàn)中，對(duì)樣品裝置的調(diào)整以使得各光學(xué)元件達(dá)到最佳位置是一件非常困難的事，這也是本實(shí)驗(yàn)最關(guān)鍵的一步，樣品裝置是否能調(diào)整好直接關(guān)系著實(shí)驗(yàn)的成敗！3、色散系統(tǒng)對(duì)色散系統(tǒng)的選擇，主要決定于所用激發(fā)光源的波長(zhǎng)和所研究樣品的拉曼位移的大小。目前一般采用以光柵作為色散元件的單色儀。又是為了提高光譜信號(hào)的信噪比，將兩臺(tái)單色儀串接起來(lái)使用，這稱為雙聯(lián)單色儀或雙光柵單色儀。本實(shí)驗(yàn)所選選用的是一臺(tái)小型光柵單色儀，如圖3所示。它所用的色散元件是一個(gè)凹面光柵。當(dāng)光柵G繞其軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于光柵的衍射效應(yīng)，出射狹縫處所對(duì)應(yīng)餓波長(zhǎng)也隨之變化，從而使探測(cè)系統(tǒng)測(cè)得入射輻射中不同步長(zhǎng)成分的強(qiáng)度——即得到入射輻射的光譜。光柵G由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)由一個(gè)控制器——凹面光柵單色儀控制器控制。使用時(shí)通過(guò)控制器面板上的指輪開(kāi)關(guān)設(shè)置好波長(zhǎng)范圍后，把選擇開(kāi)關(guān)撥向“工作”檔即可。 4、探測(cè)記錄裝置 光譜測(cè)量中一般選擇光電倍增管作探測(cè)器。本裝置采用華東電子管場(chǎng)生產(chǎn)的GDB-510型光電倍增管。從光電倍增管出來(lái)的信號(hào)一般是比較弱的，需要經(jīng)過(guò)放大才能送給記錄裝置，本實(shí)驗(yàn)采用光子計(jì)數(shù)器作為放大器。光子計(jì)數(shù)器是通過(guò)對(duì)光電倍增管來(lái)的電脈沖進(jìn)行累積計(jì)數(shù)而達(dá)到放大作用的。經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)送到記錄裝置——X-T記錄儀，從而記下所測(cè)光譜。拉曼散射原理：樣品分子被入射光照射時(shí)，光電場(chǎng)使分子中的電荷分布周期性變化，產(chǎn)生一個(gè)交變的分子偶極矩。偶極矩隨時(shí)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(qiáng)度，用P表示。極化強(qiáng)度正比于入射電場(chǎng)（7.14.2）被稱為分子極化率。在一級(jí)近似中被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，則P和E的方向相同。設(shè)入射光為頻率υ的單色光，其電場(chǎng)強(qiáng)度E=E0cos2πυt，則（7.14.3）如果認(rèn)為分子極化率由于各原子間的振動(dòng)而與振動(dòng)有關(guān)，則它應(yīng)由兩部分組成：一部分是一個(gè)常數(shù)0，另一部分是以各種簡(jiǎn)正頻率為代表的分子振動(dòng)對(duì)貢獻(xiàn)的總和，這些簡(jiǎn)正頻率的貢獻(xiàn)應(yīng)隨時(shí)間做周期性變化，所以（7.14.4）式中，表示第n個(gè)簡(jiǎn)正振動(dòng)頻率，可以是分子的振動(dòng)頻率或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，也可以是晶體中晶格的振動(dòng)頻率或固體中聲子散射頻率。因此（7.14.5）上式第一項(xiàng)產(chǎn)生的輻射與入射光具有相同的頻率υ，因而是瑞利散射；第二項(xiàng)為包含有分子各振動(dòng)頻率信息υn在內(nèi)的散射，其散射頻率分別為（υ-υn）和（υ+υn），前者為斯托克斯拉曼線，后者為反斯托克斯拉曼線。式（7.14.5）是用一般的電磁學(xué)方法解釋拉曼散射頻率的產(chǎn)生的，但并不能給出拉曼譜線的強(qiáng)度。能給出拉曼強(qiáng)度的分子被稱為具有拉曼活性，但并不是任何分子都具有拉曼活性，例如，具有中心對(duì)稱的分子就不是拉曼活性的，但卻是紅外活性的。因此，對(duì)拉曼散射的精確解釋?xiě)?yīng)該用量子力學(xué)。依據(jù)量子力學(xué)，分子的狀態(tài)用波函數(shù)表示，分子的能量為一些不連續(xù)的能級(jí)。入射光與分子相互作用，使分子的一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)模式激發(fā)而產(chǎn)生振動(dòng)能級(jí)間的躍遷，這一過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)能量的吸收和再輻射過(guò)程，只不過(guò)在散射中這兩個(gè)過(guò)程幾乎是同時(shí)發(fā)生的。再輻射（散射光）如圖7.14.2所示，可能有三種結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)斯托克斯線（圖7.14.2（a））、反斯托克斯線（圖7.14.2（b））和瑞利線（圖7.14.2（c））。實(shí)驗(yàn)步驟：用瑞利線校正單色儀讀數(shù)（注意避免瑞利線直接進(jìn)入系統(tǒng)）。畫(huà)出（液體）在范圍內(nèi)的拉曼光譜，并精確標(biāo)定譜峰位置。求出上述范圍內(nèi)的拉曼位移（用表示）。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：注意事項(xiàng)：實(shí)驗(yàn)中眼睛不能正對(duì)著任何激光束！光電倍增管接上高電壓后，絕對(duì)不能曝光，以免燒毀光電倍增管。實(shí)驗(yàn)心得： 在本次實(shí)驗(yàn)中，雖然沒(méi)有得到比較標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，但通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的分析以及查找相關(guān)資料，我們小組感覺(jué)出射入射和中間狹縫是拉曼光譜儀的重要部分。入射、出射狹縫的主要功能是控制儀器分辨率，中間狹縫主要是用來(lái)抑制雜散光。對(duì)于一個(gè)光譜儀，即使用絕對(duì)單色光照射狹縫，其出射光也總有一寬度為Δυ的光譜分布。這主要是由儀器光柵，光學(xué)系統(tǒng)的象差，零件加工及系統(tǒng)調(diào)整等因素造成的，并由此決定了儀器的極限分辨率。在實(shí)際測(cè)量中，隨著狹縫寬度加大，分辨率還要線性下降，使譜線展寬。其次，孔徑角的匹配也很重要。由于分辨率是光柵寬度的線性函數(shù)，如果收集光系統(tǒng)不能照明整個(gè)光柵，則儀器分辨率將會(huì)下降。自己組裝光譜儀系統(tǒng)時(shí)更應(yīng)注意這一點(diǎn)，要使收集散射光的立體角與單色儀的集光立體角相匹配。實(shí)際測(cè)量中也應(yīng)注意把散射光正確地聚焦到入射狹縫上，否則不但降低了分辨率也影響了信號(hào)靈敏度。再者，激發(fā)功率也是一個(gè)很重要的影響因素。提高激發(fā)光強(qiáng)度或增加縫寬能提高信噪比，但在進(jìn)行低波數(shù)測(cè)量時(shí)這樣做常常會(huì)因增加了雜散光而適得其反。一般應(yīng)首先盡量降低雜散光，例如，適當(dāng)減小狹縫寬度，保證儀器光路準(zhǔn)直等；然后再考慮用重復(fù)掃描，增加取樣時(shí)間或計(jì)算機(jī)累加平均等方法來(lái)消除激光器、光電倍增管及電子學(xué)系統(tǒng)帶來(lái)的噪聲。當(dāng)然，激發(fā)波長(zhǎng)，也是一個(gè)不容忽視的因素。激光波長(zhǎng)對(duì)雜散光及信噪比的影響十分顯著，當(dāng)狹縫寬度不變時(shí)，用氬激光514.5nm比用488.0nm波長(zhǎng)激發(fā)樣品，雜散光要小一到二個(gè)數(shù)量級(jí)（±100cm-1范圍內(nèi)），并且分辨率有所提高。這一方面是由于長(zhǎng)波長(zhǎng)激光對(duì)儀器內(nèi)少量灰塵或試樣中缺陷的散射弱；另一方面由于狹縫寬度一樣時(shí)，不同波長(zhǎng)的光由出射狹縫出射時(shí)所包含的譜帶寬度不一樣。所以一般用長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光譜線作為激發(fā)