激光拉曼光谱实验报告

摘要：在本实验中，我们用半导体激光器泵浦的：晶体并倍频后得到的532nm激光作为激发光源研究液体样品的分子的拉曼光谱。测量了分子的拉曼光谱，并测量了各拉曼谱线的退偏度。不同拉曼谱线的退偏度不同。

关键词：拉曼光谱，退偏度

引言：1928年，印度物理学家拉曼（C.V.Raman）和克利希南（K.S.Krisman）实验发现，当光穿过液体苯时被分子散射的光发生频率变化，这种现象称为拉曼散射。几乎与此同时，苏联物理学家兰斯别而格（G.Landsberg）和曼杰尔斯达姆（L.Mandelstamm）也在晶体石英样品中发现了类似现象。在散射光谱中，频率与入射光频率相同的成分称为瑞利散射，频率对称分布在两侧的谱线或谱带即为拉曼光谱，其中频率较小的成分又称为斯托克斯线，频率较大的成分又称为反斯托克斯线。这种新的散射谱线与散射体中分子的震动和转动，或晶格的振动等有关。

拉曼效应是单色光与分子或晶体物质作用时产生的一种非弹性散射现象。拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征。

20世纪60年代激光的问世促进了拉曼光谱学的发展。由于激光极高的单色亮度，它很快被用到拉曼光谱中作为激发光源。而且基于新激光技术在拉曼光谱学中的使用，发展了共振拉曼、受激拉曼散射和番斯托克斯拉曼散射等新的实验技术和手段。

拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术,其信号来源于分子的振动和转动。它提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。拉曼光谱的分析方向有定性分析、结构分析和定量分析。

本实验将用半导体激光器泵浦的：晶体并倍频后得到的532nm激光作为激发光源研究液体样品的分子的拉曼光谱。

原理：

1.分子的振动

由N个原子组成的分子具有3N个自由度。由于分子质心有3个平移自由度，非线性分子有3个转动自由度，因此其余3N-6个自由度是描述分子中的原子振动的。分子内原子的振动很复杂，但是总可以根据运动的分解和叠加原理吧分子的振动分解为3N-6种独立的振动，称为“简正振动”。可以用“简正坐标”描述简正振动，3N-6中简正振动的简正坐标为。每个简正坐标都以它对应的简正频率振动着，

              （1）

2.拉曼散射的经典模型

对于振幅矢量为E₀,角频率为的入射光，分子受到该入射光电场作用时，将感应产生电偶极矩P，一级近似下P=AgE，。A是一个二阶张量（两个箭头表示张量），称为极化率张量，是简正坐标的函数。对于不同频率的简正坐标，分子的极化率将发生不同的变化，光的拉曼散射就是由于分子的极化率的变化引起的。根据泰勒定理将A在平衡位置展开，可得

                         （2）

由（2）可以发现，表明将产生与入射光频率相同的散射光，称之为瑞利散射光。表明，散射光中还存在频率与入射光不同，大小为的光辐射，即拉曼散射光。且拉曼散射光一共可以有对称的3N-6种频率，但产生与否取决于极化率张量各分量对简正坐标的偏微商是否全为零。

3.半经典理论解释拉曼散射

频率为的单色光，可以看做是具有能量的光子，而光的散射是由于入射光子和散射物分子发生碰撞后，改变传播方向而形成的。图2是光散射机制半经典解释的一个形象表述，图中表示分子的两个振动能级，虚线表示的不是分子可能的状态，只是用以表示入射光子和散射光子的能量。

碰撞如果是弹性的，如图（1a）则二者不交换能量，光子只改变运动方向而频率和能量都没有改变，这就是瑞利散射。而发生非弹性碰撞时，如图（1b），光子和物质分子交换能量，可以看成是入射光子的湮灭和另一个不同能量散射光子的产生，与此同时，分子能量状态发生了跃迁，导致拉曼散射光产生。当初态能级低于末态能级时产生斯托克斯拉曼散射，出射光子频率为；而初态能级高于末态能级时产生反斯托克斯拉曼散射，出射光子频率为。根据统计分布规律，较高能级上的分子数低于低能级上的分子数，所以拉曼散射中，反斯托克斯线比斯托克斯线强度要小。

4.拉曼散射的退偏度

实验所测样品中，尤其是在液态与气态的介质中，分子的取向是无规则分布的。一般情况下，如入射光为平面偏振光，散射光的偏振方向可能与入射光不同，而且还可能变为非完全偏振的。这一现象称为散射光的“退偏”。散射光的退偏往往与分子结构和振动的对称性有关。拉曼散射光的偏振性完全取决于极化率张量。非对称振动的分子，极化率张量是一个椭球，会随着分子一起翻滚，振荡的诱导偶极矩也将不断地改变方向。

为了定量描述散射光相对入射光偏振态的改变，引入退偏度的概念。退偏度即为偏振方向垂直和平行于入射光偏振方向的散射光强之比。

实验内容及方法

1，实验装置

图2  实验装置示意图

M1—平面反射镜  M2——凹面反射镜  P1 P2——偏振片

P3—半波片  L1——聚光透镜  L2——成像透镜组

实验中使用半导体激光器泵浦的：晶体并倍频后得到的波长为532nm激光。样品是液态分子，装在样品池中。光经透镜聚焦在样品池中心，成像透镜组对光进行收集。然后单色仪收集散射光，再使用光电倍增管和光子计数器接收拉曼散射信号。

2，实验内容

（1）  调节光路，让足够多的散射光入射到单色仪中。

（2）  测量分子的拉曼散射光谱。

（3）  确定拉曼谱线的退偏度。

实验中使用调节偏振片P1对光源进行起偏，使入射光成为平面偏振光，通过转动半波片P3改变偏振方向，这样可以实现对入射光和散射平面所成角度的控制。对于出射光，可以通过调节偏振片P2控制出射光与散射平面所成的角度，这样便可以对退偏度进行测量。

实验结果与分析：

1.  测量CCl₄分子的激光拉曼光谱

图3 CCl₄分子的激光拉曼光谱

CCl₄分子的激光拉曼光谱如图3所示，位于正中间最高最强的峰即为瑞利谱线，其波长与入射光相同。在瑞利谱线的两侧对称分布着斯托克斯拉曼散射谱线（峰1,2,3,）和反斯托克斯拉曼散射谱线（峰4,5,6），从图中也可以看出，斯托克斯谱线强于反斯托克斯谱线，与理论预期相符。

2.确定各拉曼谱线的退偏度

（1）调节偏振片与半波片，使入射光平行于散射平面，出射光垂直于散射平面，这样出射光便垂直于入射光。测量拉曼光谱，实验所得光谱数据如下：

表一。入射平行散射垂直

（2）调节偏振片与半波片，使入射光垂直于散射平面，出射光也垂直于散射平面，这样出射光便平行于入射光。测量拉曼光谱，实验所得光谱数据如下：

表二。入射垂直散射垂直

（1）  和（2）两次扫描所得到的光谱如下：

图4 退偏光谱

由图4可以看出，在散射光与入射光垂直于平行的两种情况下，散射光强有一定的区别，说明发生了退偏，退偏度的计算入下表所示：

表三 退偏度计算

由表三可以看出，不同拉曼谱线的退偏度一般不同。

结论：

在本实验中，我们用半导体激光器泵浦的：晶体并倍频后得到的532nm激光作为激发光源研究液体样品的分子的拉曼光谱。测量了分子的拉曼光谱，并测量了各拉曼谱线的退偏度。不同拉曼谱线的退偏度不同。

参考文献：

[1] 熊俊，近代物理实验.北京：北京师范大学出版，2007

第二篇：拉曼实验报告

拉曼实验报告

一、实验目的

了解拉曼测试的原理，掌握一些相关的拉曼信息。

能看懂拉曼的基本信息图，会解一些基本的拉曼图。

二、实验原理

当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会暗原来的发现透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究

1、激光拉曼光谱的原理

光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分。非弹性散射的散射光有比激发光波长长和短的成分，通称为拉曼效应。

当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向投射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一些列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能及有关，因此，与红外吸收光谱类似。对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征。

2、拉曼光谱原理

（1） 光的散射

入射光通过样品后，除了被吸收的光之外，大部分沿入射方向穿过样品，一小部分光则改变方向，发生散射。一部分散射光的波长与入射光波长相同，这种散射称为瑞利散射。

（2） 拉曼散射的产生

机械力学的解释

光由光子组成，这是光的微粒性。光子与样品分子间的相互作用，可以用光子与样品分子之间的碰撞来解释。

光照射样品时，光子和样品分子之间发生碰撞。如果碰撞时只是运动方向改变而来发生能量交换即发生了弹性碰撞，则光子的能量不变。由E=hν，能量不变频率也就不变。这就是瑞利散射产生的原因。如果光子和样品分子之间发生非弹性碰撞，即光子除改变运动方向外还有能量的改变，一部分能量碰撞时在光子和样品之间发生交换，光子的能量有所增减，则光的频率发生改变。

从能级之间的跃迁来分析

光子和样品分子之间的作用也可以从能级之间的跃迁来分析。

样品分子处于电子能级和振动能级的基态，入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需要的能量，但又不足以将分子激发到电子能级激发态。这样，样品分子吸收光子后到达一种准激发状态，又称为虚能态。样品分子在准激发态时是不稳定的，它将回到电子能级的基态。若分子回到电子能级基态中的振动能级基态，则光子的能量未发生改变，发生瑞利散射。如果样品分子回到电子能级基态中的较高振动能级即某些振动激发态，则散射的光子能量小于入射光子的能量，其波长大于入射光。这时散射光谱的瑞利散射谱线较低频率侧将出现一根拉曼散射光的谱线，称为Stokes线。如果样品分子在与入射光子作用前的瞬间不是处于电子能级基态的最低振动能级，而是处于电子能级基态的振动能级基态，这样散射光能量大于入射光子能量，其谱线位于瑞利谱线的高频侧，称为anti-Stokes线。Stokes线和anti-Stokes线位于瑞利谱线两侧，间距相等。

Stokes线和anti-Stokes线统称为拉曼谱线。由于振动能级间距还是比较大的，因此，根据波尔滋蔓定律，在室温下，分子绝大多数处于振动能级基态，所以Stokes线的强度远远强于anti-Stokes线。拉曼光谱仪一般记录的都只是Stokes线。

3、拉曼光谱技术的特色

特有的优势

（1）    化学结构敏感性高 (同分异构体, 晶体，无定形结构等)

（2）    无需样品预处理

（3）    与样品无接触，不破坏样品

（4）    可以分析含水样品以及可以研究透明窗口内的样品

（5）    可以研究低频信息：特别是对于无机材料的研究

（6）    简单的光谱判读能力：基频模式的带宽都很窄

（7）    可以测量高温和高压下的样品

（8）    远程在线分析

4、拉曼光谱的特点和主要困难

（1）拉曼散射信号弱；（2）激光激发强；（3）拉曼信号频率离激光频率很近；（4）激光瑞利散射比拉曼信号强10¹⁰-10¹⁴，对拉曼信号干扰很大；（5）拉曼光谱仪的设计，必须能排除瑞利散射光，并具有高灵敏度，才能有效地收集拉曼谱。

三、实验结果与分析

拉曼谱图的实验解析

由上图看以看出多晶型的物质的拉曼图，看以确定各物质的结构，由此可知，应用拉曼谱图可以解析一些物质的结构，对于分析物质的组成有很大的帮助。