激光拉曼光谱仪实验报告

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1、近代物理实验报告激光拉曼实验学院班级姓名学号时 间2014年5月24日激光拉曼实验 实验报告【目的要求】1. 学习和了解拉曼散射的基本原理；2学习使用激光拉曼光谱仪测量CCL的谱线；4【仪器用具】LRS-3型激光拉曼光谱仪、CCL、计算机、打印机4【原 理】1. 拉曼散射当平行光投射于气体、液体或透明晶体的样品上，大部分按原来的方向透射 而过，小部分按照不同的角度散射开来，这种现象称为光的散射。散射是光子与 物质分子相互碰撞的结果。由于碰撞方式不同，光子和分子之间会有多种散射形 式。 弹性碰撞弹性碰撞是光子和分子之间没有能量交换，只是改变了光子的运动方向，使 得散射光的频率与入射光的频率基本相

2、同，频率变化小于3X105HZ,在光谱上称 为瑞利散射。瑞利散射在光谱上给出了一条与入射光的频率相同的很强的散射谱 线，就是瑞利线。 非弹性碰撞光子和分子之间在碰撞时发生了能量交换，这不仅使光子改变了其运动方 向，也改变了其能量，使散射光频率与入射光频率不同，这种散射在光谱上称为 拉曼散射，强度很弱，大约只有入射线的 10-6。由于散射线的强度很低，所以为了排除入射光的干扰，拉曼散射一般在入射 线的垂直方向检测。散射谱线的排列方式是围绕瑞利线而对称的。在拉曼散射中 散射光频率小于入射光频率的散射线被称为斯托克斯线；而散射光频率大于入射 光频率的散射线被称为反斯托克斯线。斯托克斯线和反斯托克斯线

3、是如何形成的 呢？在非弹性碰撞过程中，光子与分子有能量交换, 光子转移一部分能量给分子, 或者从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AE = E -E。在光子与分子发生非弹性碰撞12 过程中，光子把一部分能量交给分子时，光子则以较小的频率散射出去，称为频 率较低的光（即斯托克斯线），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E,这时的光子的频率为v w -Av （入射光的频率为v ）;1 0 0当分子已经处于振动或转动的激发态 E 时,光量子则从散射分子中取得了能量1AE （振动或转动能量）,以较大的频率散射，称

4、为频率较高的光（即反斯托克斯 线），这时的光量子的频率为v =v + Av。0最简单的拉曼光谱如图1所示，在光谱图中有三种线，中央的是瑞利散射线， 频率为v 0，强度最强；低频一侧的是斯托克斯线，与瑞利线的频差为Av，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，与瑞利斯托克斯线的频差亦为Av，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v0 土 Av，Av称为 拉曼频移，

5、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。斯托克斯线瑞利散射线反斯托克斯线AvvAv图1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。拉曼光谱在材料中的应用： 不同材料有着与其他材料不同的特征图谱，为表征和鉴定材料提供指纹谱。 拉曼频移表征了分子中不同基团振动的特性，因此可以通过拉曼位移的测定 对分子进行定性和结构分析。 可

6、通过光谱校正，得到准确的应力和浓度分布。2. 激光拉曼光谱仪的基本结构激光拉曼/荧光光谱仪的总体结构如图 2-1所示。图 2-1 激光拉曼/荧光光谱仪的结构示意图2.1 单色仪：S1为入射狭缝，Ml为准直镜，G为平面衍射光栅，衍射光束经成像物镜M2 会聚,平面镜M3反射直接照射到出射狭缝S2上，在S2外侧有一光电倍增管PMT, 当光谱仪的光栅转动时，光谱讯号通过光电倍增管转换成相应的电脉冲，并由光 子计数器放大、计数，进入计算机处理，在显示器的荧光屏上得到光谱的分布曲 线。2.2 激光器：本仪器采用 40mw 半导体激光器，该激光器输出的激光为偏振光。其操作 步骤参照半导体激光器说明书。2.3

7、 外光路系统外光路系统：主要由激发光源（半导体激光器）五维可调样品支架S,偏振图 2-3 外光路系统示意图组件 P1 和 P2 以及聚光透镜 C1 和 C2 等组成（见图 2-3）。激光器射出的激光束被反射镜 R 反射后,照射到样品上。为了得到较强的激 发光,采用一聚光镜 C1 使激光聚焦,使在样品容器的中央部位形成激光的束腰。 为了增强效果，在容器的另一侧放一凹面反射镜M2。凹面镜M2可使样品在该侧 的散射光返回,最后由聚光镜 C2 把散射光会聚到单色仪的入射狭缝上。调节好外光路，是获得拉曼光谱的关键，首先应使外光路与单色仪的内光路 共轴。一般情况下，它们都已调好并被固定在一个钢性台架上。可

8、调的主要是激 光照射在样品上的束腰应恰好被成像在单色仪的狭缝上。是否处于最佳成像位置 可通过单色仪扫描出的某条拉曼谱线的强弱来判断。2.4 偏振部件：作偏振测量实验时，应在外光路中放置偏振部件。它包括改变入射光偏振方 向的偏振旋转器，还有起偏器和检偏器。2.5 探测系统：拉曼散射是一种极微弱的光，其强度小于入射光强的 106，比光电倍增管本 身的热噪声水平还要低。用通常的直流检测方法已不能把这种淹没在噪声中的信 号提取出来。单光子计数器方法利用弱光下光电倍增管输出电流信号自然离散的特征，采 用脉冲高度甄别和数字计数技术将淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。3. 激光拉曼光谱仪的光学原理图十图

9、3-1 光学原理图【实验步骤】一、准备样品：用滴管将CCL4注入到药品匙，然后将药品匙放置在样品架上。二、打开激光器电源。三、调整外光路（由指导教师完成，学生只需了解方法）1. 放入药品匙之前观察激光束是否与底板垂直，若不垂直，进行调节。2. 聚光部件的调整：将药品匙放置在样品架上，调节样品台上的微调螺钉使 聚焦后的激光束位于样品管的中心。3. 集光部件的调整：集光部件是为了最有效的收集拉曼光。该仪器采用一物 镜组及物镜 2 来完成。参阅下图：首先，拿一张白纸放在单色仪的入缝处，观察是否有绿色亮条纹象与狭缝平 行。若此时绿色亮条纹清晰，并进入狭缝，就不需再调整了。若象清晰但未进入 狭缝则可调整

10、螺钉，让象进入狭缝。四、打开仪器的电源；五、启动应用程序，出现对话框，重新初始化（光栅重新定位）；六、在参数设置区设置阈值和积分时间及其他参数： 模式:波长方式； 间隔:0.1 nm； 负高压（提供给倍增管的负高压大小）：8； 阈值：27；工作波长：515nm-560nm；最大值:16500，最小值:0；积分时间：120ms ；如使用陷波滤波器，选择打勾。七、单击“单程”扫描，获得谱图。八、与给定的标准谱图对照，峰值较低时，说明进入狭缝的拉曼光较少，进一步 调整外光路。方法如下：利用“自动寻峰”找到最高峰值对应的波长，记录下来； 单击定点，输入最高峰值对应的波长，输入时间长度100s。依次调节

11、外光路 中物镜的俯仰按钮，使对话框出现的能量（左边为时间，右边为能量）出现最大 值。九、单击“检索”，对话框中输入波长515 nm,单击“单程”扫描，获得谱图。十、存储打印（显示波长和峰值）；十一、关闭应用程序； 十二、关闭仪器电源和激光器电源。【实验内容】一、会用定点调节的方法调节外光路。二、记录CCL4分子的拉曼谱。【实验数据】实验数据一：531. 3211715. 2531. 4215467. 2531. 5217766. 8531. 6220017.1531. 7220670.0531. 8221110. 7531. 9220625.5532. 0220314.5532. 122014

12、7. 5532. 2219719. 2532. 3213435. 5宙宀畀匚Z 一 JiL亠1 =旦.-宣件心冃1创囹二工埜侯审射3皿為九已斥汇哇0诂直也* . (H.H1吕a5LD.7453.75LB.5596.B523.590T7.1525.93004.253B. Lizqe.o540.8旧&.2545. LM6. a554.75M.5厂博恤0冈冈冈冋1eRRRraR 1 Z 3 4!门 ii”世堂答1:|10Mi：i d 电小值I 0J 电寸啤高I EC 井十2UDFL=%Z鱼%.7TTZMdcVd)In-.11 I新速写甘丈若&从图中我们可以看出：中心瑞利线波长：九二531.8nm，所

13、以，瑞利线波数:v = 1/X = 18804.0cm-1，又可得出下表：o531.8 nmv = 1/X =i= 18804.0cm-10531.8nm序号波长/nm波数/cm-1频移/cm-11510.719581.07772519.519249.3445.33523.519102.2298.24525.919015.02115538.118583.9220.16540.818491.1312.97545.118345.3458.78554.718027.8776.2从表格中，我们发现图像左右的频移量大致相等，但存在误差。从图像中我 们发现有 9 个峰（中间瑞利线未标出），强度最大的峰值对

14、应的散射光即为瑞利 散射。除瑞利散射，剩下的 8 个峰值正好对应理论分析中的 8 种振动。由图中也 可以明显地看出，瑞利散射左侧的反斯托克斯线的峰值高度要低于右侧的斯托克 斯线。从图中读出各个峰值，计算各个散射线与瑞利散射的频移，便可以判断出 液态分子的各种振动模式。【误差分析】1.拉曼光谱中的背景（外界光线强弱）对谱线强度的读取有影响，会造成误差。 而且背景的剔除是人为读取的，带有主观倾向，存在较大误差。2.实验各仪器本身存在误差。【实验总结】本实验主要是对外光路进行调节与 CCL4 拉曼光谱的测定。在调节外光路时， 我们发现实验调节存在很大的偶然性，很难将光路调好，同时也需要非常细心的 调节。对于光谱的测定时，需要对软件操作很熟悉，并且能选择合适的最大值以 得到较好的图像，同时，在寻峰时也需要选取合适的最小峰高以得到各振动点。