激光拉曼实验Word文档格式.docx
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第二类，其波数变化大约为，称为布利源散射；
第三类是波数变化大于的散射，称为拉曼散射；
从散射光的强度看，瑞利散射最强，拉曼散射最弱。
在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子内部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。
在量子理论中，把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程。
当入射的光量子与分子相碰撞时，可以是弹性碰撞的散射也可以是非弹性碰撞的散射。
在弹性碰撞过程中，光量子与分子均没有能量交换，于是它的频率保持恒定，这叫瑞利散射，如图（1a）；
在非弹性碰撞过程中光量子与分子有能量交换，光量子转移一部分能量给散射分子，或者从散射分子中吸收一部分能量，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值，当光量子把一部分能量交给分子时，光量子则以较小的频率散射出去，称为频率较低的光（斯托克斯线），散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能量，从而处于激发态，如图（1b），这时的光量子的频率为；
当分子已经处于振动或转动的激发态时，光量子则从散射分子中取得了能量（振动或转动能量），以较大的频率散射，称为频率较高的光（反斯托克斯线），这时的光量子的频率为。
如果考虑到更多的能级上分子的散射，则可产生更多的斯托克斯线和反斯托克斯线。
最简单的拉曼光谱如图2所示，在光谱图中有三种线，中央的是瑞利散射线，频率为，强度最强；
低频一侧的是斯托克斯线，与瑞利线的频差为，强度比瑞利线的强度弱很多，约为瑞利线的强度的几百万分之一至上万分之一；
高频的一侧是反斯托克斯线，与瑞利线的频差亦为，和斯托克斯线对称的分布在瑞利线两侧，强度比斯托克斯线的强度又要弱很多，因此并不容易观察到反斯托克斯线的出现，但反斯托克斯线的强度随着温度的升高而迅速增大。
斯托克斯线和反斯托克斯线通常称为拉曼线，其频率常表示为，称为拉曼频移，这种频移和激发线的频率无关，以任何频率激发这种物质，拉曼线均能伴随出现。
因此从拉曼频移，我们又可以鉴别拉曼散射池所包含的物质。
△υ的计算公式为：
式中，λ和λ0分别为散射光和入射光的波长。
△υ的单位为cm-1。
拉曼谱线的频率虽然随着入射光频率而变化，但拉曼光的频率和瑞利散射光的频率之差却不随入射光频率而变化，而与样品分子的振动转动能级有关。
拉曼谱线的强度与入射光的强度和样品分子的浓度成正比：
式中φk—在垂直入射光束方向上通过聚焦镜所收集的喇曼散射光的通量（W）；
φ0—入射光照射到样品上的光通量（W）；
Sk—拉曼散射系数，约等于10-28~10-29mol/sr；
N—单位体积内的分子数；
H—样品的有效体积；
L—考虑折射率和样品内场效应等因素影响的系数；
—拉曼光束在聚焦透镜方向上的半角度。
利用拉曼效应及拉曼散射光与样品分子的上述关系，可对物质分子的结构和浓度进行分析和研究。
拉曼散射强度正比于入射光的强度，并且在产生拉曼散射的同时，必然存在强度大于拉曼散射至少一千倍的瑞利散射。
因此，在设计或组装拉曼光谱仪和进行拉曼光谱实验时，必须同时考虑尽可能增强入射光的光强和最大限度地收集散射光，又要尽量地抑制和消除主要来自瑞利散射的背景杂散光，提高仪器的信噪比。
拉曼光谱仪一般由图3所示的五个部分构成。
1．光源
它的功能是提供单色性好、功率大并且最好能多波长工作的入射光。
目前拉曼光谱实验的光源己全部用激光器代替历史上使用的汞灯。
对常规的拉曼光谱实验，常见的气体激光器基本上可以满足实验的需要。
在某些拉曼光谱实验中要求入射光的强度稳定，这就要求激光器的输出功率稳定。
2．外光路
外光路部分包括聚光、集光、样品架．滤光和偏振等部件。
（1）聚光：
用一块或二块焦距合适的会聚透镜，使样品处于会聚激光束的腰部，以提高样品光的辐照功率，可使样品在单位面积上辐照功率比不用透镜会聚前增强105倍。
（2）集光：
常用透镜组或反射凹面镜作散射光的收集镜。
通常是由相对孔径数值在1左右的透镜组成。
为了更多地收集散射光，对某些实验样品可在集光镜对面和照明光传播方向上加反射镜。
（3）样品架：
样品架的设计要保证使照明最有效和杂散光最少，尤其要避免入射激光进入光谱仪的入射狭缝。
为此，对于透明样品，最佳的样品布置方案是使样品被照明部分呈光谱仪入射狭缝形状的长圆柱体，并使收集光方向垂直于入射光的传播方向。
几种典型样品架的空间配置参见图4。
图4拉曼样品的几种典型空间配
a.透明液体b.透明固体c.不透明固体
d.加温样品e.背向散射样品f.前向散射样品
置
（4）滤光：
安置滤光部件的主要目的是为了抑制杂散光以提高拉曼散射的信噪比。
在样品前面，典型的滤光部件是前置单色器或干涉滤光片，它们可以滤去光源中非激光频率的大部分光能。
小孔光栏对滤去激光器产生的等离子线有很好的作用。
在样品后面，用合适的干涉滤光片或吸收盒可以滤去不需要的瑞利线的一大部分能量，提高拉曼散射的相对强度。
（5）偏振：
做偏振谱测量时，必须在外光路中插入偏振元件。
加入偏振旋转器可以改变入射光的偏振方向；
在光谱仪入射狭缝前加入检偏器，可以改变进入光谱仪的散射光的偏振；
在检偏器后设置偏振扰乱器，可以消除光谱仪的退偏干扰。
3．色散系统
色散系统使拉曼散射光按波长在空间分开，通常使用单色仪。
由于拉曼散射强度很弱，因而要求拉曼光谱仪有很好的杂散光水平。
各种光学部件的缺陷，尤其是光栅的缺陷，是
仪器杂散光的主要来源。
当仪器的杂散光本领小于10-4时，只能作气体、透明液体和透明
晶体的拉曼光谱。
4．接收系统
拉曼散射信号的接收类型分单通道和多通道接收两种。
光电倍增管接收就是单通道接收。
5．信息处理与显示
为了提取拉曼散射信息，常用的电子学处理方法是直流放大、选频和光子计数，然后用记录仪或计算机接口软件画出图谱。
三、实验仪器设备操作与调整
图3-1光学原理图
（1）光源的调整：
拉曼光谱仪的光源采用的是半导体激光器，波长为532nm，功率≥40mw。
开机前认真检查接线是否正确，参阅激光源电源面板图，按下列顺序操作。
开机步骤：
1、检查电源前面板开关是否处于关闭状态，按下标记“0”为关闭状态。
2、检查锁开关是否处在关闭状态，锁开关逆时针转到垂直为关闭状态。
3、检查电源后面板输入电压值，按标明值插入供电电压插座。
4、稳流电源输出插头与激光器插头对接，对接要牢固（电源与激光器已调试）。
5、打开电源开关。
按下标记“-”为工作状态，红指示灯亮。
6、打开锁开关。
顺时针转到水平位“ON”为工作状态。
延时1秒钟指示灯亮。
7、使用后必须先关闭锁开关，逆时针转到垂直位。
8、再关闭电源总开关，按下标记“0”。
9、取下电源输入插头。
1、
开关
2、
开关锁
3、
指示灯
4、
输出
图3-2
前面板
3.1.3外光路的调整
以上光学原理图中，其单色仪部分出厂时已由专业人员调整好，操作者不允许自行调
整。
操作者只需熟悉外光路的调整，即可收到好的拉曼光谱图。
外光路包括聚光、集光、样品架、偏振等部件。
调整外光路前，请先检查一下外光路是否正常。
若正常立即可以测量。
其方法是：
在单色仪的入射狭缝处放一张白纸观察瑞利光的成象，即一绿光亮条纹是否清晰。
若清晰并也进入狭缝就不要调整。
若不正常，即可按下面的方法调整。
3.1.3.1聚光部件的调整
聚光部件是为了增强样品上入射光的辐照功率。
本设备采用（图3-6中的序号16）聚光透镜2完成的，它使会聚光束的腰部正好位于试管中心，参阅旁图：
（因激光光源输出的激光束的发散角度不同，加之激光束本身很细，所以会聚光束的腰不易观察）
因为分析方法不同，本设备聚光部件有
二组：
一为正入射法，二为背入射法。
A.
正入射法的调整
图3-3正入射光学原理图
图3-4
背入射光学原理图
1）、图3-5中的搬手（序号8）是专门用来转动转换镜组的。
当您面对仪器，打开外光路罩，观察搬手位置，若已位于正入射位置即不要调整；
若不对需将搬手向里推到推不动为止，此时为正入射位置。
2）、让激光通过图3-5中的正入射反射镜（序号9）中心，将光向上反射并垂直入射到试管中心。
用眼睛观察激光束要与主机底面垂直。
如不垂直，先取出试管，而后观察激光是否通过聚光镜2（图3-6中的序号17）的中心。
若不是通过中心，请调整正入射反射镜架，该镜架为三维调整架。
操作者可以反复调整，直到满意为止，而后将试管装好。
此时，若光没有通过试管中心，也不与试管方向平行，此时千万别调正入射反射镜镜架。
因为此时的不平行是由于试管架引起的，试管架为四维调整架（图3-6中的序号9）反复调整该架，使试管进入光路中心。
3）、观察激光束的最细部分是否位于试管中心（即光学中心）。
若不是在中心，请细调聚光镜2（图3-6中的序号17）的焦点，聚光镜2的调整是螺纹调整，上、下调整直到满意为止。
完成以上几步，正入射聚光部分调整完成。
B.
背入射法的调整
背光路反射镜
物镜筒
背光路小反射镜架
样品架
5、
外光路罩
6、
物镜2
7、
转换镜组2
8、
搬手
9、
正入射反射镜
图3-5
外光路结构图一
图3-6
外光路结构图二
1、调节螺钉1；
2、调节螺钉2；
3、聚光镜1；
4、螺钉1；
5、凹波滤波片安装位置；
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