激光拉曼光谱仪实验报告.pdf

实验六 激光拉曼光谱仪【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 CCL4的谱线；【仪器用具】LRS-3 型激光拉曼光谱仪、CCL4、计算机、打印机【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同，频率变化小于 3105HZ，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21EEE。在光子与分子发生非弹性碰撞过程中，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 E1，这时的光子的频率为0（入射光的频率为0）；当分子已经处于振动或转动的激发态 E1 时,光量子则从散射分子中取得了能量E(振动或转动能量),以较大的频率散射，称为频率较高的光(即反斯托克斯线),这时的光量子的频率为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0，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，与瑞利斯托克斯线的频差亦为,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0，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。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。0 斯托克斯线 瑞利散射线 反斯托克斯线 图 1 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 单色仪：图 2-2 单色仪的光学结构示意图 S1 为入射狭缝，M1 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，并由光外光路 单色仪 激光器 光电倍增管 显示器 计算机 高压电源 激光电源 光子计数器 S1 M2 M1 G M3 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。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。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。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。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，比光电倍增管本单色仪 R M2 S C2 P2 C1 P1 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 图 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: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。