PAGEPAGE5近代物理實驗報告 激光拉曼及熒光光譜實驗姓名：陳聰091204120付靜靜091204121實驗目的：1、學習使用光譜測量中常用的儀器設備；2、測量（液體）的拉曼光譜；3、學習簡單而常用的光譜處理方法，并對的拉曼光譜進行處理，求出的主要拉曼線的拉曼位移。[實驗裝置]拉曼光譜實驗系統一般由單色激發光源、樣品室、色散系統和探測記錄裝置等組成。本實驗采用蘇州大學生產的SD-RI型小型拉曼光譜儀。整個實驗裝置如圖2所示。下面分別加以介紹。激發光源激發拉曼光譜的光源，最主要的是要具有高單色性，并能在樣品上給出高輻照度。本實驗采用激光器作為單色光源。其輸出激光的波長為。它的使用比較簡單，打開電源，調節電流至所需值（一般約為）即可。樣品室前面已介紹過，拉曼散射的強度比較弱。為了有效的進行測量，樣品室必須仔細設計。樣品時要考慮使激發光以最有效的方式照射樣品，并要盡可能地收集散射光。本實驗所用的樣品室（見圖2），由兩個凹面反射鏡、和兩個凸透鏡、組成。這里的作用是對入射激發光進行聚焦以提高激發強度，的作用在于把透過樣品的激發光反射回樣品再次利用以進一步提高激發強度；、用于收集散射光。其中把向著色散系統——單色儀方向散射的光聚集起來送入單色儀，把背著單色儀方向散射的光反射回來，通過的聚焦送入單色儀。具體實驗中，對樣品裝置的調整以使得各光學元件達到最佳位置是一件非常困難的事，這也是本實驗最關鍵的一步，樣品裝置是否能調整好直接關系著實驗的成敗！3、色散系統對色散系統的選擇，主要決定于所用激發光源的波長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的信噪比，將兩臺單色儀串接起來使用，這稱為雙聯單色儀或雙光柵單色儀。本實驗所選選用的是一臺小型光柵單色儀，如圖3所示。它所用的色散元件是一個凹面光柵。當光柵G繞其軸轉動時，由于光柵的衍射效應，出射狹縫處所對應餓波長也隨之變化，從而使探測系統測得入射輻射中不同步長成分的強度——即得到入射輻射的光譜。光柵G由一個步進電機及相應的機械系統驅動。步進電機由一個控制器——凹面光柵單色儀控制器控制。使用時通過控制器面板上的指輪開關設置好波長范圍后，把選擇開關撥向“工作”檔即可。 4、探測記錄裝置 光譜測量中一般選擇光電倍增管作探測器。本裝置采用華東電子管場生產的GDB-510型光電倍增管。從光電倍增管出來的信號一般是比較弱的，需要經過放大才能送給記錄裝置，本實驗采用光子計數器作為放大器。光子計數器是通過對光電倍增管來的電脈沖進行累積計數而達到放大作用的。經過放大的信號送到記錄裝置——X-T記錄儀，從而記下所測光譜。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象。單位體積內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（7.14.2）被稱為分子極化率。在一級近似中被認為是一個常數，則P和E的方向相同。設入射光為頻率υ的單色光，其電場強度E=E0cos2πυt，則（7.14.3）如果認為分子極化率由于各原子間的振動而與振動有關，則它應由兩部分組成：一部分是一個常數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（7.14.4）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（7.14.5）上式第一項產生的輻射與入射光具有相同的頻率υ，因而是瑞利散射；第二項為包含有分子各振動頻率信息υn在內的散射，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）是用一般的電磁學方法解釋拉曼散射頻率的產生的，但并不能給出拉曼譜線的強度。能給出拉曼強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，具有中心對稱的分子就不是拉曼活性的，但卻是紅外活性的。因此，對拉曼散射的精確解釋應該用量子力學。依據量子力學，分子的狀態用波函數表示，分子的能量為一些不連續的能級。入射光與分子相互作用，使分子的一個或多個振動模式激發而產生振動能級間的躍遷，這一過程實際上是一個能量的吸收和再輻射過程，只不過在散射中這兩個過程幾乎是同時發生的。再輻射（散射光）如圖7.14.2所示，可能有三種結果，分別對應斯托克斯線（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））。實驗步驟：用瑞利線校正單色儀讀數（注意避免瑞利線直接進入系統）。畫出（液體）在范圍內的拉曼光譜，并精確標定譜峰位置。求出上述范圍內的拉曼位移（用表示）。記錄實驗數據：注意事項：實驗中眼睛不能正對著任何激光束！光電倍增管接上高電壓后，絕對不能曝光，以免燒毀光電倍增管。實驗心得： 在本次實驗中，雖然沒有得到比較標準的數據，但通過對實驗原理的分析以及查找相關資料，我們小組感覺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抑制雜散光。對于一個光譜儀，即使用絕對單色光照射狹縫，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，光學系統的象差，零件加工及系統調整等因素造成的，并由此決定了儀器的極限分辨率。在實際測量中，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，如果收集光系統不能照明整個光柵，則儀器分辨率將會下降。自己組裝光譜儀系統時更應注意這一點，要使收集散射光的立體角與單色儀的集光立體角相匹配。實際測量中也應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靈敏度。再者，激發功率也是一個很重要的影響因素。提高激發光強度或增加縫寬能提高信噪比，但在進行低波數測量時這樣做常常會因增加了雜散光而適得其反。一般應首先盡量降低雜散光，例如，適當減小狹縫寬度，保證儀器光路準直等；然后再考慮用重復掃描，增加取樣時間或計算機累加平均等方法來消除激光器、光電倍增管及電子學系統帶來的噪聲。當然，激發波長，也是一個不容忽視的因素。激光波長對雜散光及信噪比的影響十分顯著，當狹縫寬度不變時，用氬激光514.5nm比用488.0nm波長激發樣品，雜散光要小一到二個數量級（±100cm-1范圍內），并且分辨率有所提高。這一方面是由于長波長激光對儀器內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，不同波長的光由出射狹縫出射時所包含的譜帶寬度不一樣。所以一般用長波長的激光譜線作為激發