近代物理实验 激光拉曼实验.doc

深 圳 大 学 实 验 报 告课程名称： 近代物理实验 实验名称： 学院： 专业： 班级： 组号： 指导教师： 报告人： 学号： 实验地点 实验时间： 年 月 日 星期 实验报告提交时间： 一、实验目的1、使学生了解拉曼光谱，掌握测试物质组分新技术；2、采用对照标准谱和不同物质谱，熟悉波速测量，提高专业仪器操作调整技能和细微差异辨析能力。二、实验原理：1、当波束为的单色光入射到介质上时，除了被介质吸收、反射和透射外，总会有一部分被散射。按散射光相对于入射光波数的改变情况，可将散射光分为三类：第一类，其波数基本不变或变化小于，这类散射称为瑞利散射；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。2光子的散射是个吸收和再发射的复合过程.散射物质会从入射光子吸收部分能量,或把自身的部分能量加到入射光子身上去,再发射的光子便与原光子不相干,且形成新的谱结构。补充说明：第一,在vR10 cm1的范围内,低分辨率的谱仪很难把瑞利线扣得足够低,需用高分辨率的法布里-珀罗干涉仪,又,引起在这区段散射谱的不是分子振动和转动,主要的是凝聚态内振动的声频支,这是1922年由布里渊提出的概念，因此这一谱段的散射被称为布里渊散射,与拉曼散射不同。 第二,与简单的线性拉曼效应对应的还有各种非线性的拉曼效应,如共振拉曼散射、超拉曼散射、受激拉曼散射、相干反斯托拉克拉曼散射.所谓非线性,即初始的动因导致次级动因以至多级连动因果效应。如共振拉曼效应:激发光频率本身即与受激发的物质的固有发射频率相合或相近,外激发引起内共振吸收,再发射有二级动因加强。又如超拉曼效应:既已受一个外光子激发了的分子再接受第二个同样光子的激发。拉曼散射的量子解释 拉曼散射光强度随频率的分布构成的光谱称为拉曼光谱。由于拉曼散射光的强度很弱,有的只是入射光的106-107,因此要求用强度大且单色性好的光源,及高灵敏的探测器。激光可以产生一个窄的,单色的光，作为入射光源可以聚焦在很小的样品上。拉曼散射的过程可以看作是光子和分子的非弹性散射,当光子射在分子上,和分子发生了相互作用.分子的量子态可能改变或保持不变.如果量子态没有变化,则散射光子与入射光子有相同的能量,就会出现在瑞利线中.如果量子态改变了,散射光子就可能有比入射光子大或小的能量.分子和光子的总能量是守恒的.力量子力学的观点可以把散射过程看作是,入射光子与散射物质分子的相互作用使处于基状态的分子跃迁到一个虚能态,然后退激发到某个激发态分子与入射光子的相互作用的结果是,入射光子把一部分能量交给了分子,使分子从原来的基态跃迁到激发态.对拉曼光谱的测量得到如下实验结果: (1) 对于频率为v0的入射光,观察到有频率为v1和v2的散射光： v1= v0- v v2= v0+ v v1和v2对称地分布在v0线的两侧。与讨论分子的荧光谱类似,对v1的谱线称为斯托克斯(Stokes)线(有时又称作红伴线), v2称为反斯托克斯线(有时又称作紫伴线). (2)散射光频率与入射光频率的差称作拉曼位移(Raman shif).拉曼位移只与散射物质分子有关,由散射物质的特性决定而与入射光的频率无关.因此,由拉曼散射的光谱可以获取分子的振动和转动能级有关的信息. (3)拉曼位移v是散射分子的振动基频或转动频率. (4)斯托克斯线与反斯托克斯线的强度比.当拉曼位移相应于振动能级的跃迁时,反斯托克斯线的强度比斯托克斯线的强度要弱很多. 在一般情况下观察到的频率位移时候振动频率,因为转动频率很小,只有在高分辨率的仪器才能将瑞利线和转动谱线分开.由图可看到斯托克斯和反斯托克斯线等间隔地分布在瑞利的两边,这是由于它们相应于振动量子数增加或减小1.另外反斯托克斯线的强度比斯托克斯线要弱得多. 红外光谱和拉曼光谱都能测量分子的振动光谱,但它们遵循不同的选择定则.对红外光谱,分子的电偶极距必须随振动而改变.所以,一些对称的异核分子如CO2,或同核双原子分子等非极性分子,它们都没有相应的红外吸收谱.但在拉曼谱中都能观察到相应的震动能级跃迁,这是由于在入射光的作用下,分子不仅感生电偶极距,且极化度随分子的运动(振动或转动)有变化。三、实验仪器：外光路结构图 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；6、调节螺钉3； 7、螺钉2；8、物镜1；9、试管支架； 10、调节螺钉4；11、物镜2；12、调节螺钉5； 13、螺钉3；14、调节螺钉6；15、调节螺钉7； 16、波片17、聚光镜2?18、背入射小反射镜； 19、螺钉4；四、实验内容和步骤：.(一)、调试、实验谱图1、光路调节（详见外光路系统）调节激光管、转向棱镜上的调节螺丝，使激光束通过小孔光栏，激光束处于铅垂位置。安装集光镜（2-2）和聚焦透镜（1-3）调节集光镜支架上的调节螺丝，支架固定螺钉和集光镜调焦圈环，使激光束成象在单色仪入射狭缝上，光路初调完成。1、电气调节 由于运输或放置时间较长。开机时往往电噪声较高，应开机预热48个小时或更长。各电器插件的旋钮位置，即匹配值，以原调试时记录标注的数值为基础。当电噪声下降后，就进入作谱图阶段。 脉冲幅度分析器一般位置于“微分”状态。 光子计数器操作的核心问题是使谱线信号与本底背景的比值最大，这可以通过正确选择光电倍增管的高压、线性脉冲放大器放大倍数与脉冲幅度分析器阈值、道宽的合理组合来达到。调试后，应记录下这些数值。3、作谱图激光器运输后，由于振动原因，谐振腔准直性要降低，甚至开机后不出激光，应按说明书给出的方法进行调试。利用激光功率计监测功率。每次开机需有半小时左右的预热时间。本激光器可调到36mW左右。为使激光器使用寿命延长，一般输出出流在16mA左右，不宜在超过18mA以上长期使用。取出1支液体样品管（共4支）。用分析纯乙醇清洗内外壁，待挥发之后，倒入样品（如四氯化碳分析纯）。将样品管固定在样品架上，再放入样品台上，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。调节样品台和聚光透镜的上下左右调节微调部件，使聚焦后的光束最细的部位于集光镜和单色仪的光轴上。样品被照明部分通过集光镜，清晰地成像于单色仪狭缝上。反复调节集光镜前后左右的位置，只要细致观察样品在狭缝上的像就能达到这一目的。调节偏振旋转器，使激光的振动极大值方向于单色仪光轴方向一致，样品在狭缝上的像亮度最大。将单色仪转到6519A附近，入射狭缝开在250300m。以后逐步关小至100-150m。开启高压电源（负极性），此时应有强拉曼谱线的峰，调节集光镜架上的微调螺钉，使聚焦在单色仪入射狭缝的象对称分布。当作全波段，即收集斯托克斯区和反斯托克斯区拉曼区拉曼散射图时，应注意6328A附近强烈的瑞利散射。一般可采用分段扫描方法，以免使光电信增管过载疲劳，影响接收拉曼散射时的精度。 4使用要点（1）样品准确地成象于单色仪入射狭缝是非常重要的。为此一般通过肉眼观察狭缝上散射体的照明象，或监视光电检测信号的强度变化。可以在光谱仪扫描至某一谱线时再微动集光镜的位置，做进一步的检查和必要的修正， （2）正确地选择单色仪的狭缝宽度，一般情况出射与入射狭缝宽度相同。入射狭缝开启宽度要考虑到谱线宽度，信号强度和散射光的信躁比，通常的开启宽度在100300m之间。 （3）光电倍增管的电源高压，应选一最佳值，使其增益最大，而噪声最小。 5注意事项（1）光电指标是互相关联，又互相制约的，应通过不断摸索找出最佳值。（2）作谱图时，特别刚倒入样品12小时内，经常出现不应有的峰，这是由于样品中含有悬浮物引起的散射，当然还可能有大气中尘埃造成的散射。（3）本仪器可在一般照明条件下收集拉曼散射，但仍应避免强光直接照射，以免光噪声的增强。（4）光电倍增管及其与单色仪出射狭缝接口处发生漏光是直接进入光电管的，应特别引起注意。（5）尘埃会使光学部件性能变坏，尘埃产生的散射将严重的增加光谱仪噪声的背景。因而拉曼分光计应在少尘的室内使用。（6）拉曼分光计是精密的光学系统。因此要注意防震，工作时仪器外光路的门、盖要轻开轻闭。(二)、实验内容1基本实验：记录CCl4分子的振动拉曼谱 （1）要求完整记录包括瑞利线和斯托克斯、反斯托克斯线的振动拉曼谱，体验拉曼光谱的基本实验技术和认识拉曼谱的主要特点及其与分子结构的联系。（2）拉曼光谱仪的外光路调节到使入射激光束铅垂地通过需要放置样品的中心，并且样品最佳地成像于单色仪入射狭缝。（3）合适地调节信号接收系统的各项参数，使谱图的基线位于记录纸宽度的1/10一1/8处，而最强拉曼线的尖峰位于以2/3一3/4处。调节单色仪的扫描速度，使谱线的轮廓对称和宽窄合适。（4）分别记录单色仪狭缝为125m和50m（入射和出射狭缝相等）时的谱图。（5）实验报告要求记录所有实验参数，特别要标明狭缝的几何宽度和波长