实验名称：拉曼光谱实验
1. 实验目的：
2. 实验器材：
拉曼光谱仪
电脑主机
显示器
3. 实验原理
- 拉曼效应和拉曼光谱:
当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。由分子振动、固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非弹性散射称为拉曼散射，一般把瑞利散射和拉曼散射合起来所形成的光谱称为拉曼光谱。 - 拉曼光谱基本原理:
设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如下图所示。
图1 振动能级图
当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态，虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。
瑞利线与拉曼线的波数差称为拉曼位移，因此拉曼位移是分子振动能级的直接量度。下图给出的是一个拉曼光谱的示意图。
图2 拉曼光谱示意图 - 拉曼效应的经典电磁解释：
如分子，在激发光的交变场作用下发生感生极化，也就是正负电中心从相合变为相离，成为电偶极子。这感生电偶极子是随激发场而交变的，因此它也就是成了辐射体。简单的与激光同步的发射，就成为瑞利散射。然而分子本身有振动和转动，各有其特种频率。这些频率比激发光的频率低一两个数量级或更多些，于是激发光的每一周期所遇的分子振动和转动相位不同，相应的极化率也不同。
4.当光入射到样品上时的三种情况：
(1)光子同样品分子发生了弹性碰撞，没有能量交换，只是改变了光子的运动方向，此时散射光频率=入射光频率
图3 瑞利散射量子跃迁解释
5.拉曼光谱在外观上有三个明显的特征：
(1)对同一样品，同一拉曼线的波数差与入射光波长无关；
(2)其次在以波数为变量的拉曼光谱图上，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裂在入射光的两边；
(3)斯托克斯的强度一般都大于反斯托克斯线的强度。拉曼光谱的上述特点是散射体内部结构和运动状态的反映，也是拉曼散射固有机制的体现。
图6 入射光沿z轴入射，沿x轴方向偏振的情况
例如，入射光沿z轴入射，沿x轴方向偏振时，散射平面为y-z平面，沿y轴观察时，如图6所示，其退偏度为
分子具有9个简正振动方式。每类振动所具有的振动方式数目对应于量子力学中能级简并的重数，所以如果某一类震动有g个振动方式，就称为该类振动是g重简并的。
4. 实验内容与步骤
1.获取分子的振动拉曼光谱、振动拉曼偏振光谱。
调节拉曼光谱仪的外光路，注意两个要点：a. 观察到瑞利光的成象清晰，并进入摄谱仪的入射狭缝；b. 调整聚光部件，使汇聚光的腰部正好位于样品管中心，从各个方面观察，激光束都应通过样品的中心。
2.拟定实验方案拍摄 (四氯化碳）和苯（）样品，并以激光光源的瑞利线校正摄谱仪的读数，精确标出各谱峰位置，求出各相应的拉曼位移。（用表示）的拉曼光谱，分析其异同点及其原因。
3.研究以不同质量比配制的苯和混合液拉曼光谱的特征，并讨论其应用意义。
4.入射光为线偏振光的退偏度测量
利用实验室提供的偏振片、1/2波片等研究 (四氯化碳）拉曼光谱的退偏度特性，并与理论值比较。
(1)调节好拉曼光谱仪和各项参数，使得入射狭缝的光强最强，并且噪声较小。
(2)将偏振片P1放置到相应位置，调节角度为0度，使入射光经起偏后对于散射面为垂直偏振光。放置1/2波片，令1/2波片的快轴指向同偏振方向平行。虽然1/2波片在线偏光测量时并无作用，但这样做可以保证下面在进行自然光测量的时候，实验条件不改变从而保证两次结果叠加的可靠性。
(3)将P2放置到相应位置，调节角度为0度，使散射光对于散射面为平行偏振，启动软件进行一次500～560nm的单程测量。
(4)将P2角度调整为90度，使散射光对于散射面为垂直偏振，再进行一次相同范围的测量。
(5)将调整P2前后得到的图像和峰值数据整合到一起进行比较，利用公式算出各峰的。
5. 实验记录
6. 数据处理及误差分析
7. 思考题及实验小结
1．在拉曼光谱实验中为了得到高质量的谱图,除了选用性能优异的光谱仪外,正确的使用光谱仪，控制和提高仪器的分辨率和信噪比是很重要的。提高仪器的分辨率和信噪比的主要因素是什么?实验中如何实现和鉴别？
答：控制仪器分辨率的主要因素：
(1)入射、出射狭缝：随着狭缝宽度加大，分辨率线性下降，使谱线展宽。
(2)孔径角的匹配：由于分辨率是光栅宽度的线性函数，如果收集光系统不能照明整个光栅，则仪器分辨率将会下降。
提高仪器信噪比的主要因素：
(1)激发功率提高激发光强度或增加缝宽能够提高信噪比；
(2)激发波长。一般用长波长的激光谱线作为激发光，对获得高质量的谱图有利。
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研究单光子计数器的作用,实验中如何选取脉冲幅度甄别器的甄别电平（域值）
答：选取脉冲幅度甄别器的甄别电平(阈值)要满足：把幅度低于甄别电平的脉冲抑制掉。只让幅度高于甄别电平的脉冲通过以来实现单光子计数。 -
分析拉曼光谱的特点及其应用。
答：特点：
- 对同一样品，同一拉曼线的波数差与入射光波长无关；
- 其次在以波数为变量的拉曼光谱图上，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裂在入射光的两边；
- 斯托克斯的强度一般都大于反斯托克斯线的强度。拉曼光谱的上述特点是散射体内部结构和运动状态的反映，也是拉曼散射固有机制的体现。
应用：
1.利用喇曼光谱可以鉴别和分析样品的化学成分。
2.外界条件的变化对分子结构和运动产生不同程度的影响，因此喇曼光谱的也常被用来研究物质的浓度，温度和压力等效应。
3.喇曼光谱分析方法是一种用得很多的分析测试手段。喇曼光谱尤其有利于分析有机物，高分子，生物制品，药物等，故成为化学，农业，医药，环保及商检等行业的重要分析技术。在凝聚态物理学中，喇曼光谱也是取得结构和状态信息的重要手段。