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1、光学光谱学高压原位光谱学物理学院光学 定义：光学是研究光的传播以及它和物质 相互作用问题的学科。 光学的研究对象、地位和特点：光是一种重要的自然现象光学是物理学的一个重要分支光学学科是一门应用性极强的基础学科光的本质 （1）古代元气说（公元前400多年的墨经）光，即火。火属五行之一，五行生于元气，故光生于元 气。发光谓之吐气，受光谓之含气。 （2）牛顿（Isaac.Newton）的微粒说（17世纪）光是一种高速运动着的微粒流。微粒说能够很好地解释光在均匀介质中的直线传播以及在两种介质分界面上的反射定律，但在解释折射现象时，会得出与实际情况相反的结果，并且微粒说也不能解释光的干涉、衍射和偏振等现
2、象。 （3）惠更斯（C.Huygens）的波动说光是在充满整个空间的特殊介质“以太”中 传播的某种弹性波，因此服从波动的传播 规律惠更斯原理。利用惠更斯原理不仅能够正确解释光的直 线传播和反射定律，也能够正确解释光的 折射定律以及双折射现象。 （4）杨氏（T.Young）双缝干涉实验与波 动学说的重新兴起。分别通过两个缝的两束光在屏幕上的重 叠区域内形成一组明暗相间的条纹。包涵 了光波波长的概念，并初步测定出了光波 波长的大小。 。（5）菲涅耳（A.J.Fresnel） 对光的波动说的贡献设计了双平面镜和双棱镜干 涉实验，进一步证实了杨氏 关于双缝干涉现象解释的正 确性；发现并解释了菲涅耳 衍
3、射；总结出了菲涅耳公式 及方程（6）麦克斯韦电磁理论（19世纪60年代初）麦克斯韦（J.C.Maxwell）的贡献：得出了著名的麦克斯韦方程组，预言 出电磁波的存在，并推算出电磁波在 真空中的传播速度与测量得到的光速 值极为接近，进一步预言光是一种电 磁波动，诞生了光的电磁理论。 电磁波的实验证实：赫兹（H.R.Hertz）通过一系列实验 于1888年证实了电磁波的存在。麦克斯韦电磁理论的缺陷：假定光波是 通过“以太”传播的。为了寻找“以太”介质，迈克尔逊（ A.A.Michelson）和莫雷（E.W.Moley） 于1887年设计出了一台精密干涉仪，试 图以此观察地球相对“以太”的运动。结论
4、：通过任何实验都不可能观察到地 球相对于以太运动的任何效应。1905年，爱因斯坦（ A.Einstein）发表了著 名的狭义相对论。彻 底否定了“以太”的存在 ；同时还假设，光在 真空中始终以恒定的 速度传播，与光源或 观察者运动状态无关 。（7）电磁波动学说的困境对于黑体辐射和光电效应实验，无论采用任何假设，只要 是以电磁理论为前提，所得结论都与实验结果相矛盾。 （8）量子论的提出普朗克（M.Planck）的黑体辐射公式爱因斯坦的光电效应方程“光子（photon）”概念的提出 （9）光的本质的再认识激光与新效应光是一种特殊的粒子，具有波粒二象性。现代光学 传统光学的研究对象：以望远镜、显微镜
5、、光谱仪、干涉仪、照 相机等为代表的各种光学仪器及其在精密 测量、光谱分析以及成像等方面的应用。 现代光学的重要标志： 激光技术，信息光学，非线性光学，波导 光学激光器的发明 激光名称的由来：light amplification by stimulated emission of Radiation（受激辐射激发的光放大），缩写 为LASER。故最初的中文名称音译为“镭射”“莱塞”。1964 年由钱学森教授取名为“激光”。 爱因斯坦的预言（1916）：在组成物质的原子中，有不同 数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，高能级上的粒 子受到某种光子的激发，会从高能级跃迁到低能级上，相 应地会辐射
6、出与激发它的光相同性质的光受激辐射。 在一定条件，如果能使原子和分子的受激辐射去激发其它 粒子，造成连锁反应，雪崩似的获得放大效果，就可能获 得单色性极强的辐射。光谱学光谱学是光学的一个分支学科，研究物质 的光谱的产生及其同物质之间的相互作用 。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列。 根据实验条件的不同，各个辐射波长都具 有各自的特征强度。通过光谱研究，人们 可以得到原子、分子等的能级结构、能级 寿命、电子的组态、分子的几何形状、化 学键的性质、反应动力学等多方面物质结 构和性能的知识。光谱学本身是一门科学 ，同时它也是一种科学手段。THZ光谱的分类 频率X射线衍射，紫外-可见吸收光谱仪，红外 吸
7、收光谱仪 电磁波传播和接收方式衍射、散射、透射、吸收和发射光谱紫外-可见吸收光谱紫外吸收光谱和可见吸收光谱都属于分子 光谱，他们是由于价电子的跃迁产生的。 利用物质的分子或离子对紫外和可见光的 吸收所产生的紫外可见吸收程度可以对物 质的组成、含量和结构进行分析、测定和 推断。1、光源：提供入射光装置。钨灯（350- 1000nm）和氘灯（180-360nm）。 2、单色器：是将光源辐射的复合光分成单色 光的光学装置。单色器一般由狭缝、色散 元件和透镜系统组成，其中色散元件是单 色器的核心部件，最常见的色散元件是棱 镜和光栅。3、吸收池：是用于成装被测量 溶液的装置。一般可见光区使 用玻璃吸收池
8、，紫外区用石英 吸收池（规格有很多）。4、检测器：检测器是将光信号 变为电信号的装置（硒光电池 、光电管、光电倍增管和CCD ）红外吸收光谱仪（中）红外吸收光谱：当一束具有连续波长的红外 光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或 转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能 量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的 振(转)动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和 转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。 所以，红外光谱法实质上是一种根据分子内部原 子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分 子结构和鉴别化合物的分析方法。将分子吸收红 外光的情况用仪器记录下来，就得到红外光谱图 。 仪器原理
9、图拉曼散射光谱Raman scattering spectroscopy某一频率的单色光经介质散射后出现其他频率 散射光，且散射光频率与入射光频率之差和散 射介质的某两能级差相对应的现象。拉曼散射（Raman scattering），光通过介 质时由于入射光与分子运动相互作用而引起 的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。 1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率 发生改变的散射。1928年，印度物理学家 C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率 发生改变的现象。拉曼散射遵守如下规律： 散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)两 侧对称地伴有频率为v0vi(i1，2，3，） 的谱线，长波
10、一侧的谱线称红伴线或斯托克 斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克 斯线；频率差vi 与入射光频率v0无关，由散 射物质的性质决定，每种散射物质都有自己 特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收 频率相一致 拉曼分类 自发拉曼（Spontaneous Raman scattering ） 共振拉曼（Resonance Raman scattering ） 表面增强拉曼（surface-enhanced Raman scattering） 受激拉曼(Stimulated Raman scattering) 相干反斯托科斯拉曼（coherent anti- Stokes Raman scatteri
11、ng ） 拉曼光活性光谱（Raman optical activity） 针尖拉曼（Tip-enhanced Raman spectroscopy） 应用广泛：在化学、材料、物理、高分子、生物、医 药、地质、考古等领域有广泛的应用。Raman microspectroscopy system High pressure techniques and applicationsIndex 1、In-situ high-pressure techniques 2、High pressure Raman investigations on Fermi resonance 3、High pressure
12、 investigations on- and CH- interaction 1、In-situ high-pressure techniques P-T-X Three dimensions in scienceWater has 20 phases in the pressure range between 0 to 300GPa, at 0.03-6000K.Diamond windows on materials 1.Super conductivity 2.Weak interactions 3.Hydrogen storage 4.Metalization 5.Super har
13、d materials 6.Amorphous 7.Geological simulationDiamond anvil cellDiamond cellApparatus for extreme condition generation In-situ high pressure equipments2、High pressure Raman investigations on Fermi resonance biphenyl,benzene,CCl4,CS2,4,4biphydine Weak Fermi resonance: P-trephenyl ,2,2bipyridine2、Hig
14、h pressure Raman investigation on the Fermi resonance of biphenyl Raman spectra of biphenyl have been obtained to pressures of 15GPa. The results indicated that with the increase of pressure, the effect of inter- and intra- molecular -conjugation and delocation increases, intensity enhancement of th
15、e Raman bands, accompany by the blue shift of the frequency. Intensity ratio(R f/a) of Two Fermi resonance bands6+ 1 and 8 decrease, and the frequency distance increase with the pressure, the Fermi resonance phenomenon disappeared when the pressure is up to 8 GPa. Using J.F. Bertran theory, we obtai
16、ned the relationship of the inherent frequency distance 0 and coupling coefficient with pressure. This phenomenon was explained by high-pressure phase transition methods. The mechanic of high pressure induce Fermi resonance weaken was also discussed.Raman spectra of benzene and biphenylRaman modes located at 1280 and 248cm-1Raman modes located at 998 and 1024 cm-1Fermi resonance as a function of pressur
