拉曼光谱解读

激光拉曼光谱

[实验目的]

1、学习使用光谱测量中常用的仪器设备；

2、测量4CCl （液体）的拉曼光谱；

3、学习简单而常用的光谱处理方法，并对4CCl 的拉曼光谱进行处理，求出4CCl 的主要拉曼线的拉曼位移。

[拉曼光谱基本原理]

1、 现象

频率0v 的单色辐射入射到透明气体、液体或光学上完整透明的固体上时，大部分辐射无改变地透过，还有一部分受到散射。其中将出现频率为0m v v ±的辐射对。这种辐射频率发生改变的散射成为拉曼（Raman ）散射；还有辐射频率不发生改变的散射称为瑞利散射。一般把瑞利散射和拉曼散射合起来所形成的光谱称为拉曼光谱，即0v 和0m v v ±合起来构成拉曼光谱。0v 称为瑞利线，0m v v ±称为拉曼线，m v 称为拉曼位移。且频率为0m v v -的拉曼线称为斯托克斯线，频率为0m v v +的拉曼线称为反斯托克斯线。瑞利散射的强度通常约为入射辐射强度的310-，强的拉曼散射的强度一般约为瑞利散射强度的310-，

2、 解释

对拉曼散射的完整理论解释是非常复杂的，限于篇幅这里不作介绍，请大家参看附后的有关参考书。下面用一个简单模型——散射系统与入射辐射之间的能量交换模型对其加以解释。

设散射系统有两个能级1E 、2E ，且有21E E >，210E E hv ->。由于入射辐射的相互作用，系统可以从低能级1E 跃迁到高能级2E ，这是必须要从入射辐射中获得所需能量21E E E ∆=-。这个过程可以认为是系统吸收一个能量为0hv 的入射光子，从1E 能级跃迁到某一更高能级（通常散射系统并没有这样一个能级，所

以称其为虚能级），然后，放出一个能量为0hv E -∆的散射光子而跃迁到2E 能级。此时，散射光子的频率可表述为：

000m hv E E v v v v h h -∆∆=

=-=- 另一方面，如果散射系统处于激发能级2E ，由于相互作用的存在，它可以从高能级2E 跃迁到低能级1E 。此时系统必须把能量21E E E ∆=-交给入射辐射。同样这一过程可认为是系统吸收一个能量为0hv 的入射光子。从2E 能级跃迁到某一高的虚能级，然后以放出一个能量为0hv E +∆的散射光子而跃迁到1E 能级。此时，散射光子的频率可表述为：

000m hv E E v v v v h h

+∆∆==+=+ 以上的描述可用图1来直观表示。

拉曼散射所涉及到得能级1E 、2E ，一般为散射系统的振动、转动能级（对于分子系统而言），或为晶格振动能级（对于晶体而言）。即拉曼位移m v 通常对应系统的振动、转动频率或晶体振动频率。

[实验装置]

拉曼光谱实验系统一般由单色激发光源、样品室、色散系统和探测记录装置等组成。本实验采用苏州大学生产的SD-RI 型小型拉曼光谱仪。整个实验装置如图2所示。下面分别加以介绍。

1、 激发光源

激发拉曼光谱的光源，最主要的是要具有高单色性，并能在样品上给出高辐照度。本实验采用He Ne 激光器作为单色光源。其输出激光的波长为6328A 。

。它的使用比较简单，打开电源，调节电流至所需值（一般约为12mA ）即可。

2、 样品室

前面已介绍过，拉曼散射的强度比较弱。为了有效的进行测量，样品室必须仔细设计。样品时要考虑使激发光以最有效的方式照射样品，并要尽可能地收集散射光。本实验所用的样品室（见图2），由两个凹面反射镜1M 、2M 和两个凸透镜1L 、2L 组成。这里1L 的作用是对入射激发光进行聚焦以提高激发强度，1M 的作用在于把透过样品的激发光反射回样品再次利用以进一步提高激发强度；2L 、2M 用于收集散射光。其中2L 把向着色散系统——单色仪方向散射的光聚集

起来送入单色仪，2M 把背着单色仪方向散射的光反射回来，通过2L 的聚焦送入单色仪。

具体实验中，对样品装置的调整以使得各光学元件达到最佳位置是一件非常困难的事，这也是本实验最关键的一步，样品装置是否能调整好直接关系着实验的成败！

3、色散系统

对色散系统的选择，主要决定于所用激发光源的波长和所研究样品的拉曼位移的大小。目前一般采用以光栅作为色散元件的单色仪。又是为了提高光谱信号的信噪比，将两台单色仪串接起来使用，这称为双联单色仪或双光栅单色仪。

本实验所选选用的是一台小型光栅单色仪，如图3所示。

它所用的色散元件是一个凹面光栅。当光栅G 绕其轴转动时，由于光栅的衍射效应，出射狭缝2S 处所对应饿波长也随之变化，从而使探测系统测得入射辐射中不同步长成分的强度——即得到入射辐射的光谱。光栅G 由一个步进电机及相应的机械系统驱动。步进电机由一个控制器——凹面光栅单色仪控制器控制。使用时通过控制器面板上的指轮开关设置好波长范围后，把选择开关拨向“工作”档即可。

4、探测记录装置 光谱测量中一般选择光电倍增管作探测器。本装置采用华东电子管场生产的GDB-510型光电倍增管。从光电倍增管出来的信号一般是比较弱的，需要经过放大才能送给记录装置，本实验采用光子计数器作为放大器。光子计数器是通过对光电倍增管来的电脉冲进行累积计数而达到放大作用的。经过放大的信号送到记

录装置——X-T 记录仪，从而记下所测光谱。

[实验内容]

1、 用瑞利线校正单色仪读数（注意避免瑞利线直接进入系统）。

2、 画出4CCl （液体）在600660nm -范围内的拉曼光谱，并精确标定谱峰位置。

3、 求出上述范围内的拉曼位移（用1cm -表示）。

4、 拉曼谱线的偏振特性（选做）。

[实验步骤及注意事项]

全部实验步骤自己拟定，必要时可与教员讨论。总的要求：

1、 结合实物进一步熟悉各仪器设备的具体操作；

2、 结合实验要求及各仪器的具体条件，考虑实验中各仪器应设置的工作状态；

3、 结合上述两部分的考虑，拟定具体的实验操作步骤，经教员认可后方可进行正式实验。

本实验中有几件事项要特别注意：

1、 实验中眼睛不能正对着任何激光束！

2、 光电倍增管接上高电压后，绝对不能曝光，以免烧毁光电倍增管。

[思考题]

1、 要使光线改变90度，除了本实验中的平面反射镜外，还可用什么光学元件？并作一比较。

2、 光栅光谱和棱镜光谱各有什么特点？光栅和棱镜哪个分辨率高？它们的分辨本领与波长的关系怎样？

[参考书]

1、G.Turrell.Infrared and Raman Spectra of Crystals. Academic Press. New York.1972.

2、P .A.Long.Raman spectroscopy (中译本)