激光拉曼光譜實驗

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?zāi)康模?、學(xué)習(xí)使用光譜測量中常用的儀器設(shè)備；2、測量（液體）的拉曼光譜；3、學(xué)習(xí)簡單而常用的光譜處理方法，并對的拉曼光譜進(jìn)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(tǒng)一般由單色激發(fā)光源、樣品室、色散系統(tǒng)和探測記錄裝置等組成。本實驗采用蘇州大學(xué)生產(chǎn)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(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(diào)節(jié)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(qiáng)度比較弱。為了有效的進(jìn)行測量，樣品室必須仔細(xì)設(shè)計。樣品時要考慮使激發(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(fā)光進(jìn)行聚焦以提高激發(fā)強(qiáng)度，的作用在于把透過樣品的激發(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(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，這也是本實驗最關(guān)鍵的一步，樣品裝置是否能調(diào)整好直接關(guān)系著實驗的成??！3、色散系統(tǒng)對色散系統(tǒng)的選擇，主要決定于所用激發(fā)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(lián)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(dāng)光柵G繞其軸轉(zhuǎn)動時，由于光柵的衍射效應(yīng)，出射狹縫處所對應(yīng)餓波長也隨之變化，從而使探測系統(tǒng)測得入射輻射中不同步長成分的強(qiáng)度——即得到入射輻射的光譜。光柵G由一個步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)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(guān)設(shè)置好波長范圍后，把選擇開關(guān)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(chǎn)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(jīng)過放大才能送給記錄裝置，本實驗采用光子計數(shù)器作為放大器。光子計數(shù)器是通過對光電倍增管來的電脈沖進(jìn)行累積計數(shù)而達(dá)到放大作用的。經(jīng)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(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(qiáng)度，用P表示。極化強(qiáng)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(rèn)為是一個常數(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而與振動有關(guān)，則它應(yīng)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(xiàn)的總和，這些簡正頻率的貢獻(xiàn)應(yīng)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(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（7.14.5）上式第一項產(chǎn)生的輻射與入射光具有相同的頻率υ，因而是瑞利散射；第二項為包含有分子各振動頻率信息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(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。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(fā)而產(chǎn)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(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））。實驗步驟：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）。記錄實驗數(shù)據(jù)：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(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，但通過對實驗原理的分析以及查找相關(guān)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(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(shù)，如果收集光系統(tǒng)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(tǒng)時更應(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。實際測量中也應(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靈敏度。再者，激發(fā)功率也是一個很重要的影響因素。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)測量時這樣做常常會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，增加取樣時間或計算機(jī)累加平均等方法來消除激光器、光電倍增管及電子學(xué)系統(tǒng)帶來的噪聲。當(dāng)然，激發(fā)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(dāng)狹縫寬度不變時，用氬激光514.5nm比用488.0nm波長激發(fā)樣品，雜散光要小一到二個數(shù)量級（±100cm-1范圍內(nèi)），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(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，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(fā)