激光喇曼光谱讲义

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1、激光喇曼光谱LaserRamanSpectrograph一、基本原理光照射介质时，除被介质吸收、反射和透射外，总有一部分被散射。1928年，印度人喇曼(Raman)在液体苯中观察到光照射媒质时，散射光频率与入射光频率存在大于3×1010Hz的频移。这类散射称为喇曼散射，其频移量多数在102一l03cm-1之间，这是因为喇曼散射是由于分子振动能态间的跃迁造成的，这种跃迁相应的能量大都在l02一103cm-l之间。但是光照射媒质时，散射光按频率分为三类：除喇曼散射外，还有瑞利（Rayleigh）散射、布里渊（Brillouin）散射。大部分媒质的

2、喇曼散射强度都小于入射光强的10-6倍和瑞利散射光强的10-3倍，因而设计喇曼光谱仪时，除了应考虑的光谱仪的一般要求外，特别重视增强入射至样品的光功率，和提高喇曼散射光对一切非喇曼散射光的相对强度。记录的某一样品的喇曼光谱如图1-1所示。设υ0是入射光的波数，υ是散射光的波数，散射光与入射光的波数差定义为Δυ=υ一υ0。那么，对于喇曼散射谱，Δυ<0的散射线称为红伴线或斯托克斯(Stokes)线;Δυ>0的散射线称为紫伴线或反斯托克斯(anti-Stokes)线。喇曼光谱在外观上有三个明显的特征：第一，对同一样品，同一喇曼线的波数差Δυ与入射

3、光波长无关；其次，在以波数为变量的喇曼光谱图上，如果以入射光波数为中心点，则斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分列在入射光的两边，第三，斯托克斯线的强度一般都大于反斯托克斯线的强度。喇曼光谱的上述特点是散射体内部结构和运动状态的反映，也是喇曼散射固有机制的体现。图1喇曼光谱示意图16喇曼散射强度正比于入射光的强度，并且在产生喇曼散射的同时，必然存在强度大于喇曼散射至少一千倍的瑞利散射。因此，在设计或组装喇曼光谱仪和进行喇曼光谱实验时，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

4、器的信噪比。喇曼光谱仪一般由图1--2所示的五个部分构成。图2喇曼光谱仪的基本结构1．光源它的功能是提供单色性好、功率大并且最好能多波长工作的入射光。目前喇曼光谱实验的光源己全部用激光器代替历史上使用的汞灯。对常规的喇曼光谱实验，常见的气体激光器基本上可以满足实验的需要。在某些喇曼光谱实验中要求入射光的强度稳定，这就要求激光器的输出功率稳定。本仪器所用光源为半导体激光器，激光波长：532nm(绿光)；功率：>40mw。2．外光路外光路部分包括聚光、集光、样品架．滤光和偏振等部件。(1)聚光：用一块或二块焦距合适的会聚透镜，使样品处于会聚激光束

5、的腰部，以提高样品光的辐照功率，可使样品在单位面积上辐照功率比不用透镜会聚前增强105倍。(2)集光：常用透镜组或反射凹面镜作散射光的收集镜。通常是由相对孔径数值在1左右的透镜组成。为了更多地收集散射光，对某些实验样品可在集光镜对面和照明光传播方向上加反射镜。(3)样品架：样品架的设计要保证使照明最有效和杂散光最少，尤其要避免入射激光进入光谱仪的入射狭缝。为此，对于透明样品，最佳的样品布置方案是使样品被照明部分呈光谱仪入射狭缝形状的长圆柱体，并使收集光方向垂直于入射光的传播方向。几种典型样品架的空间配置参见图1-3。图3喇曼样品的几种典型空间

6、配置a.透明液体b.透明固体c.不透明固体d.加温样品e.背向散射样品f.前向散射样品3．色散系统16色散系统使喇曼散射光按波长在空间分开，通常使用单色仪。由于喇曼散射强度很弱，因而要求喇曼光谱仪有很好的杂散光水平。各种光学部件的缺陷，尤其是光栅的缺陷，是仪器杂散光的主要来源。当仪器的杂散光本领小于10-4时，只能作气体、透明液体和透明晶体的喇曼光谱。WDS—3型光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可以把紫外、可见及红外三个光谱区的复合光分解为单色光。其光学系统为李特洛式光学系统，见图3-4。这种系统结构简单，尺寸小，像差小，分辨

7、率高。用户可根据使用波段的不同，很方便地更换光栅。图4单色仪光学系统图光源或照明系统发出的光束均匀地照射在入射狭缝上，入射狭缝位于的离轴抛物镜焦面上。光经过离轴抛物镜平行照射到光栅上，经过光栅衍射到第二离轴抛物镜，再经过反光镜会聚到出射狭缝上，最后到光电接收元件（光电倍增管）上。由于光栅的分光作用，从出射狭缝出来的光线为单色光。当光栅转动时，从出射狭缝出来时光由短波到长波依次出现。4．接收系统喇曼散射信号的接收类型分单通道和多通道接收两种。光电倍增管接收就是单通道接收。5．信息处理与显示为了提取喇曼散射信息，常用的电子学处理方法是直流放大、选

8、频和光子计数，然后用记录仪或计算机接口软件画出图谱。RBD型激光喇曼光谱仪可以清晰地记录下有较强喇曼散射的化合物和晶体的喇曼光谱。图5RBD型激光喇曼光谱仪总体结构