拉曼散射理论
激光拉曼光谱实验
拉曼散射是印度科学家Raman在1928年发现的，拉曼光谱因之得名。光和媒质分子相互作用时引起每个分子作受迫振动从而产生散射光，散射光的频率一般和入射光的频率相同，这种散射叫做瑞利散射，由英国科学家瑞利于1899年进行了研究。但当拉曼在他的实验室里用一个大透镜将太阳光聚焦到一瓶苯的溶液中，经过滤光的阳光呈蓝色，但是当光束进入溶液之后，除了入射的蓝光之外，拉曼还观察到了很微弱的绿光。拉曼认为这是光与分子相互作用而产生的一种新频率的光谱带。因这一重大发现，拉曼于1930年获诺贝尔奖。
激光拉曼光谱是激光光谱学中的一个重要分支，应用十分广泛。如在化学方面应用于有机和无机分析化学、生物化学、石油化工、高分子化学、催化和环境科学、分子鉴定、分子结构等研究；在物理学方面应用于发展新型激光器、产生超短脉冲、分子瞬态寿命研究等，此外在相干时间、固体能谱方面也有广泛的应用。
实验目的：1、掌握拉曼光谱仪的原理和使用方法；
2、测四氯化碳的拉曼光谱，计算拉曼频移。
实验重点：拉曼现象的产生原理及拉曼频移的计算
实验难点：光路的调节
实验原理：[仪器结构及原理]
1、仪器的结构
LRS-II激光拉曼/荧光光谱仪的总体结构如图12-4-1所示。
2、单色仪
单色仪的光学结构如图12-4-2所示。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汇聚，经平面镜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，光谱信号通过光电倍增管转换成相应的电脉冲，并由光子计数器放大、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。
3、激光器
本实验采用50mW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。
4、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、偏振组件P1和P2以及聚光透镜C1
和C2等组成（见图12-4-3）。激光器射出的激光束被
反射镜R反向后，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M 2。凹面镜M 2可使样品在该侧的散射光返回，最后由聚光镜C 2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，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。
5、信号处理部分：
光电倍增管将光信号变成电信号并进行信号放大，最后送入电脑显示系统，在电脑上显示出拉曼光谱。
[拉曼光谱的特性]：
频率为υ的单色光入射到透明的气体、液体或固体材料上而产生光散射时，散射光中除了存在入射光频率υ外，还观察到频率为υ±△υ的新成分，这种频率发生改变的现象就被称为拉曼效应。υ即为瑞利散射，频率υ+△υ称为拉曼散射的斯托克斯线，频率为υ-△υ的称为反斯托克斯线。△υ通常称为拉曼频移，多用散射光波长的倒数表示，计算公式为
1
1
λλ
ν-
=
? （7.14.1）
式中，λ和λ0分别为散射光和入射光的波长。△υ的单位为cm -1
。
拉曼谱线的频率虽然随着入射光频率而变化，但拉曼光的频率和瑞利散射光的频率之差却不随入射光频率而变化，而与样品分子的振动转动能级有关。拉曼谱线的强度与入射光的强度和样品分子的浓度成正比：
)2/(sin 420απφφNHL S k k =
式中 φk —在垂直入射光束方向上通过聚焦镜所收集的喇曼散射光的通量（W ）；
φ0—入射光照射到样品上的光通量（W ）； S k —拉曼散射系数，约等于10-28~10-29mol/sr ； N —单位体积内的分子数； H —样品的有效体积；
L —考虑折射率和样品内场效应等因素影响的系数； α—拉曼光束在聚焦透镜方向上的半角度。
利用拉曼效应及拉曼散射光与样品分子的上述关系，可对物质分子的结构和浓度进行分析和研究。
[拉曼散射原理]
样品分子被入射光照射时，光电场使分子中的电荷分布周期性变化，产生一个交变的分子偶极矩。偶极矩随时间变化二次辐射电磁波即形成光散射现象。单位体积内分子偶极矩的矢量和称为分子的极化强度，用P 表示。极化强度正比于入射电场
E P α= （7.14.2）
α被称为分子极化率。在一级近似中α被认为是一个常数，则P 和E 的方向相同。设入射光为频率υ的单色光，其电场强度E=E 0cos2πυt ，则
vt E P πα2cos 0= （7.14.3） 如果认为分子极化率α由于各原子间的振动而与振动有关，则它应由两部分组成：一部分是一个常数α0，另一部分是以各种简正频率为代表的分子振动对α贡献的总和，这些简正频率的贡献应随时间做周期性变化，所以
t v n n πααα2cos 0∑+= （7.14.4） 式中，n α表示第n 个简正振动频率，可以是分子的振动频率或转动频率，也可以是晶体中晶格的振动频率或固体中声子散射频率。因此
]
)(2cos )(2[cos 2
1
2cos 2cos 2cos 2cos 000000t v v t v v E vt E t
v vt E vt E P n n n n n ++-∑+=?∑+=ππαπαππαπα （7.14.5） 上式第一项产生的辐射与入射光具有相同的频率υ，因而是瑞利散射；第二项为包含有分子各振动频率信息υn 在内的散射，其散射频率分别为（υ-υn ）和（υ+υn ），前者为斯托克斯拉曼线，后者为反斯托克斯拉曼线。
式（7.14.5）是用一般的电磁学方法解释拉曼散射频率的产生的，但并不能给出拉曼谱线的强度。能给出拉曼强度的分子被称为具有拉曼活性，但并不是任何分子都具有拉曼活性，例如，具有中心对称的分子就不是拉曼活性的，但却是红外活性的。因此，对拉曼散射的精确解释应该用量子力学。依据量子力学，分子的状态用波函数表示，分子的能量为一些不连续的能级。入射光与分子相互作用，使分子的一个或多个振动模式激发而产生振动能级间的跃迁，这一过程实际上是一个能量的吸收和再辐射过程，只不过在散射中这两个过程几乎是同时发生的。再辐射（散射光）如图7.14.2所示，可能有三种结果，分别对应斯托克斯线（图7.14.2（a ））、反斯托克斯线（图7.14.2（b ））和瑞利线（图7.14.2（c ））。
实验步骤：（请根据你的实际操作过程，充实补充下面的实验步骤，包括软件的操作详细过程） 1、将四氯化碳倒入液体池内，调整好外光路，注意将杂散光的成像对准单色仪的入射狭缝上，并将狭缝开至0.1mm 左右；
2、启动LRS-II/III 应用软件；
3、输入激光的波长；
4、扫描数据；
5、采集信息；
6、测量数据；
7、读取数据；
8、寻峰；
9、修正波长；
10、计算拉曼频移。
实验数据： nm 6.532=λ
nm 9.5191=λ nm 7.5232=λ nm 3.5263=λ
nm 8.5384=λ nm 6.5415=λ nm 7.5456=λ 数据处理：
11
14585.5191
6.53211
1
--=-=
-
=
?cm nm
nm λλ
ν
12
23197.5231
6.53211
1
--=-=
-
=
?cm nm
nm λλ
ν
13
32243.5261
6.53211
1
--=-=
-
=
?cm nm
nm λλ
ν
14
42168.5381
6.53211
1
-=-=
-
=
?cm nm
nm λλ
ν
15
53126.5411
6.53211
1
-=-=
-
=
?cm nm
nm λλ
ν
16
64507.5451
6.53211
1
-=-=
-
=
?cm nm
nm λλ
ν
实验总结：
本次拉曼光谱实验获得了成功！通过该实验，懂得了拉曼光谱实验仪的基本原理和构造，学会了光路的调节方法，掌握了该仪器软件的基本操作方法，认识到激光和四氯化碳等物质分子相互作用后，会产生不同于入射激光波长的新的波长的光--拉曼光，认识到利用拉曼光谱仪可进行许多行业的科学研究，对许多行业的科研有重要的意义。
（二）激光拉曼散射的量子理论
1、量子理论
依据量子散射理论，光量子与分子的非弹性碰撞过程用薛定鄂方程描述
（3－3－16）
式中H
是光子和分子不存在相互作用时候的哈密顿算符，H’是光子与散射分子体系
相互作用算符（微扰），Ψ是有微扰存在时系统的波函数。
设非微扰时光子－分子体系的本征函数为，则有微扰时的本征函数可表述为
（3－3－17）
(t)是时刻为t此微扰体系处于第n个非微扰本征态的几率振幅。（3－3－17）a
n
代入（3－3－16）两边同乘并对所有变量积分得
（3－3－18）
后式是非微扰本征函数所确定得相互作用能量算符得矩阵元，E
n ，E
m
是非微扰本征
状态得本征值，即分子体系本征能量与光子能量之和。因此体系处于初态（a）,中间态（b），和终态(c) 的几率振幅的导数为
（3－3－19）
初始时，，设时间范围足够短，几率状态不发生明显变化，即
，则由（3－3－19）式中第二项得
（3－3－20）
代入（3－3－19）第三项得
（3－3－21）
上式对时间积分并代入初始条件（，）得
（3－3－22）
（3－3－23）
所考虑的时间内变化很少，但远大于光波的振动周期，，即,因为
（3－3－24）
所以单位时间内系统由本征状态a到本征状态c的跃迁几率
（3－3－25）
只有当E
c =E
a
时上式不为零。
设散射前后分子的能量分别为和入射光子和散射光子的能量为hν
和hν，如
图3－3－3所示。则E
c =+hν,E
a
=+ hν
,由E
c
=E
a
得
（3－3－26）
当>时，，反stocks线；<时, ，stocks线。因为粒子数分布N∝,即低能级分子数多，所以从低能级向高能级跃的stocks谱线得强度高于反stocks线的强度。
图3－3－3 拉曼散射的量子解释示意图
既然体系状态分成若干分立的能级，那么对于N个分子的体系，其第h个振动能级上的粒子数，在平衡状态时候服从玻尔兹曼分布。所以，由该体系产生的拉曼散射其斯托克斯和反斯托克斯光强必然不同。
二者强度之比为：
（3－3－27）其中是激发光的频率，是振动频率，h是Planck常数，k是Boltzmann常数，T是绝对温度.
2、选择定则、拉曼活性
因为，，，所以
＋
（3－3－28）
只有当n=m时上式第一项不为零，这就是瑞利散射项：只有当n=时第二项为零，这就是线性谐振子的拉曼散射项。由此得到线性谐振子的拉曼散射选择定则：
（3－3－29）
完全相似的讨论可用于刚性转子的拉曼光谱的转动选择定则：
（3－3－30）
显然只有极化率对简正坐标的导数不为零时上式第二项不为零，由此得到振动具有拉曼活性的判据: 振动分子的极化率对简正坐标的导数不为零的简正振动具有拉曼活性。
经典理论中提到的振动的拉曼活性问题 , 在半经典的量子理论中就是体系第h个振动的跃迂矩阵元是否为零的问题,这也就是通常所说的量子跃迂选择定则。在量子力学中,从体系波函数和力学量的对称性质就可以直接得到某个振动的具体选择定则，从而决定该振动是否是拉曼活性的,无须像经典理论那样 , 为判断拉曼洁性需经繁复的计算。
(三)其它拉曼散射效应
1、共振拉曼效应
当激发光的能量接近或等于散射分子的某个电子吸收带的能量时，某些拉曼线强度显著增大，甚至可增大倍。在共振拉曼散射时，激发线的能量正好等于一个电子跃迁所需要的能量。共振拉曼散射的stocks过程和反stocks过程用图3－3－4表示如下：
（图3－3－4 正常拉曼散射、电子拉曼散射和共振拉曼散射图）
2、电子拉曼散射
电子拉曼跃迁发生在两个电子能级之间，如图3－3－4所示。普通样品中电子能级间隔较大，因而入射光频率必须很大，不易观察到电子拉曼跃迁。目前在稀土离子和过渡金属离子单晶的低能级电子态观察到了电子拉曼跃迁。
3、非线性激光拉曼效应
受激拉曼效应：当入射光功率超过某一阈值时，某些散射谱线的强度增加，线宽变窄，具有和激光同样好的方向性，成为受激光谱线。
逆拉曼散射效应：在一束有连续光谱的激光泵浦下拉曼介质对高强度单色光产生的吸收线。其反stocks线的吸收率比stocks线的吸收率更大。
超拉曼散射效应：当入射激光足够强时，出现,拉曼散射线，该过程属三光子过程：吸收2个光子，发射一个光子()。该谱线通常很弱。
拉曼诱导克尔效应：强激光入射时光学介质将感生双折射，当同时用频率为的探测激光照射介质时，若（-）→（拉曼线频率），则双折射最大。
相干反Stocks拉曼效应和相干Stocks拉曼效应：均为3光子过程，如图3－3－5和图3－3－6所示。前者是2-→,后者是2-→过程。
图3－3－5 相干反Stocks拉曼散射图3－3－6相干Stocks拉曼散射
（四）拉曼散射的偏振态和退偏度
1、偏振态
对于某一个空间取向确定的分子,入射光为偏振光所引起的拉曼散射光也是偏振光，但是，散射光的偏振方向与入射光偏振方向不一定一致,它们之间的具体关系由微商极化率张量具体形式决定。
分子的微商极化率张量的具体形式由该分子所属的对称变换性质决定。所谓对称变换是指经该变换所代表的操作( 如旋转、反演等),经过这些操作分子与自身重合。微商极化率可用矩阵表示,一般情况下,它是实对称矩阵 , 即的各个分量均为实数。并且满足等式＝，式（3－3－13）的矩阵形式表示就是：
（3－3－31）
下面以水分子为例,具体说明的具体形式是如何由分子的对称变换性质决定的。水分子的结构和它的振动方式如图3－3－7所示,
图3－3－7 水分子结构及其振动方式
它的全部对称变换4个,除不动的变换(记作E)外,有绕 z 轴转1800的变换
C
(z) 、x-z平面的镜反射，y-z平面的镜反射。由于在这些对称变换下分子与2
自身重合,反映分子固有性质的微商极化率张量应当不变,但是感应偶极矩P、振动正则
坐标Q和外电场 E 的各个分量在对称变换下或者改变符号(记作－1)、或者不改变符号(记作+1) , 它们变号的具体情况列表3－3－1。
表3－3－1 ，和在对称变换下的特征
y z
1 -1 -1
1 1 1
根据表3－3－1振动 Q
3
经过三个对称变换后, 对应的式（3－3－31）应分别改写
为：
：
（3－3－32）：
（3－3－33）：
（3－3－34）
为了对任何E
X ,E
Y
和E
Z
以上第一式都成立,显然必须有
（3－3－35）
同理 , 根据以上第二或第三式显然还必须有
（3－3－36）
最后我们得到水分子微商极化率的具体形式是:
（3－3－37）
据此,式（3－3－13）的各分量表达式为:
（3－3－38）
根据同样的讨论,我们得到的表达式和相应于式（3－3－13）的分量表达式分别为:
（3－3－39）
（3－3－40）
比较式（3－3－38）和式（3－3－40）,可以具体看到: 在同一外场作用下,不同形
式的将使得所产生的感应偶极矩不相同 .例如对于电场振动Q
3
不产生感应偶
极矩,而振动Q
1将产生感应偶极矩:又如对同一外场,振动Q
3
和Q
1
虽然都产生感
应偶极矩,但是它们的取向是不同的,前者在z方向,后者在x方向。结合式（3－3－1）,根据感应偶极矩的具体形式,我们还可以进一步知道散射光在空间的强度分布。例如,对于振动偏振方向平行于x方向的入射光所感生的感应偶极矩，辐射的散射光在x-y平面内观察光强是均匀的,偏振方向沿 Z 轴:在 x -z 平面内观察其光强正比于观察方向与 z轴夹角θ的正弦函数的平方，偏振方向在x-z平面内。因此,不同分子或同一分子不同的振动的对称变换性质的差别,在拉曼散射的偏振强度谱中是反映得很清楚的。因而通过测量偏振拉曼谱,可以获是分子及其振动的对称性质的信息,有助于区分不同类型的分子和不同的振动方式。
例如：铌酸锂(LiNbO
3
)晶体为单轴晶体，x和y轴等价，有18个振动模
4A
1(R)+5A
2
(IR)+9E(R,IR)，其中只有4A
1
+9E是拉曼活性的。拉曼张量为：
若测量配置为：
（字母的含义，从左到右，分别为：入射辐射的传播方向；入射辐射的电矢量方向；被观察的散射电矢量方向；散射辐射的传播的方向）
根据动量守恒，所以
可以计算出拉曼活性：
（3－3－41）
（3－3－42）
（3－3－43）
2、退偏度
拉曼散射的退偏度
：当电磁辐射与一系统相互作用时，偏振态常发生变化，这种现象称为退偏。在拉曼散射中，散射光的退偏往往与分子的对称性有关。
散射平面：入射光传播方向和观测方向组成的平面，当入射光为平面偏振光，且偏振方向平行于散射平面，而观测方向在散射平面内与入射光传播方向成θ角时，定义退偏度为；当入射光偏振方向垂直于散射平面时，定义退偏度即：
（3－3－44）
光强I左上标表示入射光电矢量与散射平面的关系，I的右下标表示散射光的电矢量与散射平面的关系。
当入射光为自然光时，退偏度为：
（3－3－45）
例如，入射光沿直角坐标的z轴入射，沿y方向观测时，几种退偏度的情况。
图3－3－8 退偏度与散射面示意图
（1）当入射光沿x轴方向偏振时，散射平面为y-z平面，其退偏度为
（3－3－46）
（2）当入射光沿y方向偏振时，退偏度为：
（3－3－47）
（3）当入射光为自然光时，退偏度为：
（3－3－48）
显而易见 ,退偏度可以用微商极化率张量中各元素二次乘积的空间平均值来表达，对于无规取向的分子 , 有：
（3－3－49）
（3－3－50）
（3－3－51）
的其它分量的二次乘积的空间平均值为零。上面各等式中的称为平均极化率，是“平均”极化率的一种度量，称为各向异性率，是极化率各向异性的度量。这两个量在坐标转动时均保持不变 , 它们的具体表达式分别为：
（3－3－
52）
（3－3－53）
由此可得，入射光为平面偏振光时
（3－3－54）
（3－3－55）
入射光为自然光时：
SERS(表面增强拉曼散射)理论
SERS 的物理类模型 物理类模型致力于阐释金属表面局域场的增强，它的主要代表包括表面电磁增强模型和镜像场模型。 1、表面电磁增强模型（Electromagnetic Enhancemant Model ，简记为EM ） 表面电磁增强模型[5~7]又可称为表面等离子体共振模型，它认为一个吸附在金属表面的分子的诱发偶极矩是通过金属椭球由入射场和散射场共同产生的。对于椭球比光波波长小的情况，在频率与偶极表面等离子体共振时，散射场比入射场大，这可以看作是椭球外部空间的场密度的影响。因此拉曼散射场会与金属颗粒的强散射场引起的金属颗粒表面的等离子体振荡发生共振，这种共振的结果使振荡分子产生了非常大的能量。 如图2－1所示，把一个可以看成经典电偶极子的分子放在球形金属颗粒外的r 'ρ处，以频率为ω0的平面波照射，分子偶极子会产生频率为ω的拉曼散射，其偶极矩为： ),(),(00ωαωr E r P P ρρρρ?'=' (2-1) 这里的α'是分子的拉曼极化率而P E ρ包括两部分： ),(),(),(000ωωωr E r E r E LM i P '+'='ρρρρρρ (2-2) 其中i E ?是入射场的场强，LM E ρ是用Lorenz-Mie 理论计算获得的散射场场强。在 观察点r ρ处与拉曼散射相关的电场由下式给出 ),(),(),(ωωωr E r E r E sc dip R ρρρρρρ+= (2-3) 图2－1 纳米颗粒表面增强散射示意图
其中，dip E ρ是球形颗粒不存在时振荡偶极子P ρ发射的场，sc E ρ是由球形颗粒产生的必须满足频率ω的边值问题的散射场。 拉曼散射的强度R I 是远场振幅R E ρ的平方：2/)ex p(),(lim r ikr r E I R kr R ω??∞ →=，增强因子G 定义为0R R I I G =，其中0R I 是在金属球形颗粒不存在时的拉曼强度。 那么在小颗粒的限制下，增强因子可由下式给出： [] 230333033303)(3)1/()1/()(3i n n r g a r i r g a g a r i i n n g a i G ρρρρρρρρρ?+'+'-'+'-?+= (2-4) 这里的i ρ指入射场在r '处的偏振态，也就是()i E r E i ρρ00,='ω，r r n ''=/ρρ，g 和g 0是表达式()()21+-εε在ω和ω0处的值，其中ε是胶体颗粒与周围物质的复合介电函数的比值。 当分子在金属球表面上()a r ='即且入射和散射光场的偏振方向与散射平面垂直时，增强因子将由下式给出： 2 0042215gg g g G +++= (2-5) 当Re(ε)等于-2时，g(或g 0)的值将会变大。这也恰好是激发球形颗粒表面等离子体的条件。此时，G 主要决定于gg 0项，方程(2-5)将变成 2 080gg G = (2-6) 于是根据这一模型，当入射光和散射光的频率满足表面等离体子共振条件时， 就可以得到强的SERS 信号，在这种情况下，G 的值将与()[]41ε''-'成正比式中的ε' 和ε'' 分别为()εRe 和()εIm 。 当球体完全被吸附分子覆盖时，可以对每个分子的拉曼散射光求平均，将每一个吸附分子都认为成一个垂直于表面振动的偶极子，则 2 0)21)(21(g g G ++= (2-7) 于是，对于从吸附在球形金属颗粒上的分子观察到SERS 效应的电磁理论，当下列条件满足时，将能够观察到强的增强：（1）颗粒的尺寸必须小于光的波长λ（2）激发频率或散射频率必须满足表面等离体子共振条件（3）分子不能距表面太远。
拉曼散射理论
拉曼散射理论 TTA standardization office【TTA 5AB- TTAK 08- TTA 2C】
激光拉曼光谱实验拉曼散射是印度科学家Raman在1928年发现的，拉曼光谱因之得名。光和媒质分子相互作用时引起每个分子作受迫振动从而产生散射光，散射光的频率一般和入射光的频率相同，这种散射叫做瑞利散射，由英国科学家瑞利于1899年进行了研究。但当拉曼在他的实验室里用一个大透镜将太阳光聚焦到一瓶苯的溶液中，经过滤光的阳光呈蓝色，但是当光束进入溶液之后，除了入射的蓝光之外，拉曼还观察到了很微弱的绿光。拉曼认为这是光与分子相互作用而产生的一种新频率的光谱带。因这一重大发现，拉曼于1930年获诺贝尔奖。 激光拉曼光谱是激光光谱学中的一个重要分支，应用十分广泛。如在化学方面应用于有机和无机分析化学、生物化学、石油化工、高分子化学、催化和环境科学、分子鉴定、分子结构等研究；在物理学方面应用于发展新型激光器、产生超短脉冲、分子瞬态寿命研究等，此外在相干时间、固体能谱方面也有广泛的应用。 实验目的：1、掌握拉曼光谱仪的原理和使用方法； 2、测四氯化碳的拉曼光谱，计算拉曼频移。 实验重点：拉曼现象的产生原理及拉曼频移的计算 实验难点：光路的调节 实验原理：[仪器结构及原理] 1、仪器的结构 LRS-II激光拉曼/荧光光谱仪的总体结构如图12-4-1所示。 2、单色仪
单色仪的光学结构如图12-4-2所示。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汇聚，经平面镜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，光谱信号通过光电倍增管转换成相应的电脉冲，并由光子计数器放大、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。 3、激光器 本实验采用50mW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。 4、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、偏振组件 P1和P2以及聚光透镜C1和C2等组成（见 图12-4-3）。激光器射出的激光束被反射 镜R反向后，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，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。 5、信号处理部分： 光电倍增管将光信号变成电信号并进行信号放大，最后送入电脑显示系统，
拉曼光谱
激光拉曼光谱 [实验目的] 1、学习使用光谱测量中常用的仪器设备； 2、测量4CCl （液体）的拉曼光谱； 3、学习简单而常用的光谱处理方法，并对4CCl 的拉曼光谱进行处理，求出4CCl 的主要拉曼线的拉曼位移。 [拉曼光谱基本原理] 1、 现象 频率0v 的单色辐射入射到透明气体、液体或光学上完整透明的固体上时，大部分辐射无改变地透过，还有一部分受到散射。其中将出现频率为0m v v ±的辐射对。这种辐射频率发生改变的散射成为拉曼（Raman ）散射；还有辐射频率不发生改变的散射称为瑞利散射。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，即0v 和0m v v ±合起来构成拉曼光谱。0v 称为瑞利线，0m v v ±称为拉曼线，m v 称为拉曼位移。且频率为0m v v -的拉曼线称为斯托克斯线，频率为0m v v +的拉曼线称为反斯托克斯线。瑞利散射的强度通常约为入射辐射强度的310-，强的拉曼散射的强度一般约为瑞利散射强度的310-， 2、 解释 对拉曼散射的完整理论解释是非常复杂的，限于篇幅这里不作介绍，请大家参看附后的有关参考书。下面用一个简单模型——散射系统与入射辐射之间的能量交换模型对其加以解释。 设散射系统有两个能级1E 、2E ，且有21E E >，210E E hv ->。由于入射辐射的相互作用，系统可以从低能级1E 跃迁到高能级2E ，这是必须要从入射辐射中获得所需能量21E E E ?=-。这个过程可以认为是系统吸收一个能量为0hv 的入射光子，从1E 能级跃迁到某一更高能级（通常散射系统并没有这样一个能级，所
以称其为虚能级），然后，放出一个能量为0hv E -?的散射光子而跃迁到2E 能级。此时，散射光子的频率可表述为： 000m hv E E v v v v h h -??= =-=- 另一方面，如果散射系统处于激发能级2E ，由于相互作用的存在，它可以从高能级2E 跃迁到低能级1E 。此时系统必须把能量21E E E ?=-交给入射辐射。同样这一过程可认为是系统吸收一个能量为0hv 的入射光子。从2E 能级跃迁到某一高的虚能级，然后以放出一个能量为0hv E +?的散射光子而跃迁到1E 能级。此时，散射光子的频率可表述为： 000m hv E E v v v v h h +??==+=+ 以上的描述可用图1来直观表示。 拉曼散射所涉及到得能级1E 、2E ，一般为散射系统的振动、转动能级（对于分子系统而言），或为晶格振动能级（对于晶体而言）。即拉曼位移m v 通常对应系统的振动、转动频率或晶体振动频率。
拉曼散射原理
拉曼散射（Raman scattering） 拉曼散射原理：光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射，又称拉曼效应。1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年，印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)两侧对称地伴有频率为v0±vi(i＝1，2，3，…）的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线；频率差vi 与入射光频率v0无关，由散射物质的性质决定，每种散射物质都有自己特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收频率相一致。拉曼散射的强度比瑞利散射（可见光的散射）要弱得多。 作用：以经典理论解释拉曼散射时，认为分子以固有频率vi 振动，极化率拉曼散射为研究晶体或分子的结构提供了重要手段，在光谱学中形成了拉类型：拉曼散射共分为两类型 1、共振拉曼散射（resonance Raman scattering）：当一个化合物被拉曼光谱中较活跃的一个领域，原因在于：（1）当一些分子被吸附到某些粗糙的金属，如金、银或铜的表面时，它们的拉（见电极化率）也以vi 为频率作周期性变化，在频率为v0的入射光作用下，v0与vi 两种频率的耦合产生了v0、v0+vi 和v0-vi 三种频率。频率为v0的光即瑞利散射光，后两种频率对应拉曼散射谱线。拉曼散射的完善解释需用量子力学理论，不仅可解释散射光的频率差，还可解决强度和偏振等一类问题。 曼光谱学的一分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率，并可决定分子的对称性、分子内部的作用力等。自激光问世以后，关于激光的拉曼散射的研究得到了迅速发展，强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象[1]。 入射光激发，激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡然增加，这个效应被成为共振拉曼散射。 共振拉曼光谱是激发拉曼谱线强度显著增加，提高了检测的灵敏度，适合于稀溶液的研究，这对于浓度小的自由基和生物材料的考察特别有用；（2）可用于研究生物大分子中的某一部分，因为共振拉曼增强了那些拉曼谱线是属于产生电子吸收的集团，其他部分可能因为激光的吸收而被减弱；（3）从共振拉曼的退偏振度的测量中，可以得到正常拉曼光谱中得不到的分子对称性的信息。 2、表面增强拉曼散射（SERS，surface-enhanced Raman scattering）：
拉曼理论
拉曼散射理论 一、 拉曼散射的经典理论 由经典电磁理论 [1, 2, 11] 可知：入射光电磁场感生偶极矩为 ()∑=i i i t r e t M )( (1-1) 若电磁场中电场分量ε 按如下形式变化： t E E L ωcos 0 = (1-2) 式中ωL 比原子振动频率大很多，而与电子的振动频率相当。则感生偶极矩M 可写成电场E 的级数表示式 n E n E E E M ξγβα! 1!31!2132+???+++= (1-3) 式中α是电子极化率，β是超极化率，γ、ζ是高阶秩张量。 我们只讨论正常拉曼散射的线性相，即E α，将 α对简正坐标按 泰勒级数展开 ???+???? ????+???? ????+???? ????+=3 33202200!31!21Q Q Q Q Q Q ααααα (1-4) 上式中的Q 的一次项确定了一级拉曼效应，二次项确定了二级拉曼效应。若分子中的原子以ωq 频率振动，则由t COS Q Q q ω0=可得一次拉曼效应中的电子极化率随时间变化规律为 ()t Q Q t q ωαααcos 00 0 ???? ????+= (1-5) 所以有
()()()[] t t E Q Q t E t t E Q Q t E E t M q L q L L q L L ωωωωαωαωωαωαα++-???? ????+=???? ????+==cos cos 21cos cos cos cos 000 00000 00 (1-6) 可以看出感生偶极矩M 振动不仅有入射光频率L ω，而且还有 ()q L ωω 两种对称分布在L ω两侧的新频率，它们起源于原子振动 队电子极化率α的调制。前者相应于频率不变的弹性光散射，如瑞利散射；后者相应于频率发生变化的非弹性光散射，即拉曼散射。而频率减少的()q L ωω-称为斯托克斯频率；频率增加的 ()q L ωω +称为反斯托克斯频率。对于前者，散射的分子从入射光 中“吸收”一个振动量子，而后者，散射分子放出一个振动量子和入射的光量子“结合”成频率为()q L ωω+的散射光。 诚然，经典光电磁场理论能很好的解释拉曼频移的物理起因，但是，在斯托克斯与反斯托克斯散射强度之比的计算中得到了，出现了与实验事实相反的结论：由电磁波辐射方程组可推算出偶极子散射强度为 ()()2 3 32t M c t I = (1-7) 将(1- 6)式代入上式得拉曼散射强度为 ()()()[] ???+++-+=交叉项＋t B t B t B AE t I q L q L L ωωωωω22 222122020cos cos cos (1-8) 式中的420 2 L B ωα＝相应于瑞利散射项，()4 200 2221 41q L Q Q B ωωα-???? ????=相应于斯托克斯散射项，()4 200 222 2 41q L Q Q B ωωα+???? ????=相应于反斯托克斯散
拉曼光谱
拉曼光谱 1.1引言 拉曼光谱和红外光谱都反映了分子振动的信息，但其原理却有很大差别：红外光谱是吸收光谱，而拉曼光谱是散射光谱。红外光谱的信息是从分子对入射电磁波的吸收得到的，而拉曼光谱的信息是从入射光与散射光频率的差别得到的。拉曼光谱的突出优点是可以很容易地测量含水的样品， 而且拉曼散射光可以在紫外和可见光波段量测。由于紫外光和可见光能量很强，因此其量测比红外波段要容易和优越得多。 拉曼光谱得名于印度物理学家拉曼(R a m a n)。1928年， 拉曼首先从实验观察到单色的入射光投射到物质中后产生的散射，通过对散射光进行谱分析，首先发现散射光除了含有与入射光相同频率的光外，还包含有与入射光频率不同的光。以后人们将这种散射光与入射光频率不同的现象称为拉曼散射。拉曼因此获得诺贝尔奖。 当一束入射光通过样品时，在各个方向上都发生散射。拉曼光谱仪收集和检测与入射光成直角的散射光。由于收集和检测的散射光强度非常低，因此拉曼光谱的应用和发展受到很大限制。六十年代激光开始广泛应用，拉曼光谱仪以激光作光源， 光的单色性和强度都大大提高，拉曼散射仪的信号强度因而大大提高，拉曼光谱技术得以迅速发展，应用领域遍及物理，材料，化学，生物等学科，并已成为光谱学的一个分支 拉曼光谱学。 2.1拉曼光谱原理 2.1.1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(R a y l e i g h s c a t t e r i n g)。1899年，瑞利从实验中得出结论：晴天时天空呈兰色的原因是大气分子对阳光的散射。瑞利还证实：散射光的强度与波长的四次方成反比。这就是瑞利散射定律。由于组成白光的各种颜色的光中，兰光的波长最短，因而散射光强度最大。天空因而呈现兰色。 瑞利当时并没有考虑到散射光的频率变化。 他认为散射光与入射光的频率是相同的。所以后来把与入射光波长相同的散射称为瑞利散射，而把波长与入射光不同的散射称为拉曼散射。 2.1.2拉曼散射的产生 2.1.2.1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未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。 2.1.2.2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
拉曼散射理论
拉曼散射理论 当考虑拉曼散射，大家可以想一想物理两种方法之一：经典的波函数或量子粒子解释。在古典波解释，光被认为是电磁辐射，其中包含一个振荡电场，随着通过它的极化的分子相互作用。极化是通过与电场相互作用的电子云的能力来确定。例如，软分子如苯往往是强大的拉曼散射而像水更难分子往往是相当微弱的拉曼散射。 拉曼散射解释图R-2的比较 当考虑量子粒子解释，光被认为是一个光子它撞击分子，然后inelasticaly飞散。在此解释的散射光子的数量成比例的键的大小。例如，分子具有大π键如苯倾向于散射大量的光子，而水与小单键往往是非常弱拉曼散射。图的R-2示出了这两种方法的视觉比较。 当导出拉曼效应，它通常是最容易通过考虑上的弹簧上的简单双原子分子作为质量（如图R-3）其中 m 表示原子质量，x表示位移开始与经典解释，并K表示的粘结强度。 图R-3双原子分子作为一种大众在春天 当使用该近似，该分子的位移可以通过使用胡克定律如待表达 公式R-1 通过更换降低的质量（M1M2 / [M1 + M2]）与μ和总位移（X1 + X2）其中 q，方程可以简化为，
方程的R-2 通过解这个方程对于 q，我们得到， 方程的R-3 其中νm是分子振动并且被定义为， 方程的R-4 从方程的R-3和R-4，显而易见的是，在分子振动与频率成比例的粘结强度和反比于降低的质量余弦图案。由此我们可以看到，每个分子将具有不仅由分子中的原子数，但也个别键的特性来确定它自己的独特的振动签名。通过拉曼效应，这些振动频率可由于这样的事实，一个分子的polorizabilityα，是位移，q的函数来测量。当入射光与分子相互作用时，它诱导一个偶极矩，P，等于该分子的polorizability和电场入射光源的产物。这可表示为， 方程的R-5 其中，E o为强度和νo为电场的频率使用小振幅近似，polorizability可谓位移的线性函数， 方程的R-6 当与方程的R-3和R-5的结果在合并， 方程的R-7 在等式的R-7中，我们看到，有从该分子的相互作用与入射光2所得的效果。第一效果被称为瑞利散射，它是主导作用并导致在入射光的频率没有改变。第二个效果是拉曼散射分量和时扩大到， 方程的R-8
拉曼散射理论
精心整理 激光拉曼光谱实验 拉曼散射是印度科学家Raman在1928年发现的，拉曼光谱因之得名。光和媒质分子相互作用时引起每个分子作受迫振动从而产生散射光，散射光的频率一般和入射光的频率相同，这种散射叫做瑞利散射，由英国科学家瑞利于1899年进行了研究。 实验原理：[仪器结构及原理] 1、仪器的结构 LRS-II激光拉曼/荧光光谱仪的总体结构如图12-4-1所示。 2、单色仪 单色仪的光学结构如图12-4-2所示。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汇聚，经平面镜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，光谱信号通过光电倍增管转换成相应的电脉冲，并由光子计数器放大、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。 3、激光器 本实验采用50mW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。 4 光器）P2以及聚 12-4-3反向镜M2 通过单色仪扫描出的某条拉曼谱线的强弱来判断。 5、信号处理部分： 光电倍增管将光信号变成电信号并进行信号放大，最后送入电脑显示系统，在电脑上显示出拉曼光谱。 [拉曼光谱的特性]：
频率为υ的单色光入射到透明的气体、液体或固体材料上而产生光散射时，散射光中除了存在入射光频率υ外，还观察到频率为υ±△υ的新成分，这种频率发生改变的现象就被称为拉曼效应。υ即为瑞利散射，频率υ+△υ称为拉曼散射的斯托克斯线，频率为υ-△υ的称为反斯托克斯线。△υ通常称为拉曼频移，多用散射光波长的倒数表示，计算公式为 1 1 Array式中）； S k N H L α 进行分析和研究。 [拉曼散射原理] 样品分子被入射光照射时，光电场使分子中的电荷分布周期性变化，产生一个交变的分子偶极矩。偶极矩随时间变化二次辐射电磁波即形成光散射现象。单位体积内分子偶极矩的矢量和称为分子的极化强度，用P表示。极化强度正比于入射电场 = Pα E
拉曼散射与布里渊散射
拉曼散射与布里渊散射 拉曼散射和布里渊散射都属于非弹性散射，它是光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效应。非弹性散射的一个特点就是它的散射频率不等同于入射频率。 布里渊散射 布里渊散射是泵浦光子、斯托克斯光子与声子间的相互作用，其过程是一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子。不过与此同时，一个泵浦光子也可以吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。因此在自发布里渊散射光谱中，同时存在能量相当的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线。受激布里渊散射的具体过程是：当泵浦光在光纤中传播时，其自发布里渊散射光沿泵浦光相反的方向传播，当泵浦光的强度增大时，自发布里渊散射的强度增加，当增大到一定程度时，反向传输的斯托克斯光和泵浦光将发生干涉作用，产生较强的干涉条纹，使光纤局部折射率大大增加。这样由于电致伸缩效应，就会产生一个声波，声波的产生激发出更多的布里渊散射光，激发出来的散射光又加强声波，如此相互作用，产生很强的散射。 布里渊散射在分布式光纤传感器、光纤陀螺、光纤相位共轭镜、布里渊放大器等领域有重要的应用。受激布里渊散射光纤陀螺的基本原理是：经过分束的两束激光沿不同的方向在光纤环中传播，其产生的SBS光的频率与系统三角速度有关，测量SBS光的拍频，即可得到系统的角速度。 拉曼散射 光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。其物理意义是入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。拉曼散射光谱中同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关，只和样品的振动转动能级有关；斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。拉曼散射分为两种，表面增强拉曼散射与共振拉曼散射。共振拉曼散射是当一个化合物被入射光激发，激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡然增加，这个效应被成为共振拉曼散射。表面增强拉曼散射是当一些分子被吸附到某些粗糙的金属，如金、银或铜的表面时，它们的拉曼谱线强度会得到极大地增强，这种不寻常的拉曼散射增强现象被称为表面增强拉曼散射效应。 拉曼散射技术可以提供快速、简单、可重复、无损伤的物质定性定量分析。由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品。共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。重要的拉曼散射技术有单道检测的拉曼光谱分析技术、以CCD为代表的多通道探测器、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术、共振拉曼光谱分析技术等。 利用拉曼散射还可以制成拉曼光纤放大器，该放大器的物理实现方法是：受激拉曼散射将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上；如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可以得到放大。根据增益介质的不同，又可分为分布式拉曼放大器（DRA）和分离式拉曼放大器（LRA）。
瑞利散射激光雷达
分析raleigh 测温与测风原理的区别即难点 1 测风激光雷达的基本思想 1.1 光的多普勒效应 光的传播不依赖介质，多普勒效应只与相对运动有关。如图1，光源相对于 速度为V 的S 惯性系静止，在S 中一列起始'1t 截止' 2t ，光波发射的波数为N 。在 静止的D 惯性系中观测：波列起始1t ，截止2t 时刻观测者接收波列起始和截止时分别为： 111r t c τ=+ （1.1.1） 22221211 (()cos )r t t r t t c c τυθ=+=++- （1.1.2） 由时间相对性： ' ' 21t t -= （1.1.3） 图1 光的多普勒频移 观测者接受波列的频率为： 2121()(1cos )N N t t c υττυθ===--+ （1.1.4） 其中0'' 21N t t υ=- ， 所以0υ= （1.1.5） cos θ为光传播方向与相对运动方向夹角的余弦值，远离时为正值。 考虑运动目标散射或反射光的多普勒频移： 第一次多普勒频移：10υ= ， 第二次多普勒频移：21υ= 为了简化上式，将1υ其泰勒展开： 2423 1021cos cos cos [1()][1()()]2v v v v v O O c c c c c αααυυ=-+*-+- （1.1.6）
2100cos cos cos (1)(1)(1)[12cos cos ]22 v v v v c c c c θθααθαθ υυυυ+-=- =--≈- （1.1.7） 2102cos cos 22 v c αθαθ υυυυ+-?=-=- （1.1.8） 考虑雷达系统中，elevation αθ== c o s r υυα= 02 r v c υυ?=- 即径向速度2 r v λ υ=-? （1.1.9） 1.2 测风激光雷达工作简介 多普勒测风激光雷达的工作原理如图2所示：激光束以一定方位角和天顶角指向大气的被探测区域。在某一时刻，激光脉冲只是照明大气中一个近似圆柱体的部分(忽略了激光脉冲包络内由于光束发散引起的横截面积变化)。放照明区域，大气分子的热运动或者气溶胶粒子的布朗运动使得大气后向散射信号多普勒展宽，而粒子整体平均运动速度导致了大气后向散射信号的多普勒频移。一小部分大气后向散射信号被望远镜接收，由雷达的接收机记录每一时刻(对应于每一高度)的大气回波信号．通过计算不同点上的多普勒频移，最后反演该径向上不同高度的风速大小。如果进行平面或立体扫描，则可以反演大气风场的水平风速、风向信息。 图2 多普勒频移测风激光雷达工作示意图
拉曼散射理论
激光拉曼光谱实验 拉曼散射是印度科学家Raman在1928年发现的，拉曼光谱因之得名。光和媒质分子相互作用时引起每个分子作受迫振动从而产生散射光，散射光的频率一般和入射光的频率相同，这种散射叫做瑞利散射，由英国科学家瑞利于1899年进行了研究。但当拉曼在他的实验室里用一个大透镜将太阳光聚焦到一瓶苯的溶液中，经过滤光的阳光呈蓝色，但是当光束进入溶液之后，除了入射的蓝光之外，拉曼还观察到了很微弱的绿光。拉曼认为这是光与分子相互作用而产生的一种新频率的光谱带。因这一重大发现，拉曼于1930年获诺贝尔奖。 激光拉曼光谱是激光光谱学中的一个重要分支，应用十分广泛。如在化学方面应用于有机和无机分析化学、生物化学、石油化工、高分子化学、催化和环境科学、分子鉴定、分子结构等研究；在物理学方面应用于发展新型激光器、产生超短脉冲、分子瞬态寿命研究等，此外在相干时间、固体能谱方面也有广泛的应用。 实验目的：1、掌握拉曼光谱仪的原理和使用方法； 2、测四氯化碳的拉曼光谱，计算拉曼频移。 实验重点：拉曼现象的产生原理及拉曼频移的计算 实验难点：光路的调节 实验原理：[仪器结构及原理] 1、仪器的结构 LRS-II激光拉曼/荧光光谱仪的总体结构如图12-4-1所示。 2、单色仪 单色仪的光学结构如图12-4-2所示。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汇聚，经平面镜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，光谱信号通过光电倍增管转换成相应的电脉冲，并由光子计数器放大、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。 3、激光器 本实验采用50mW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。 4、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、偏振组件P1和P2以及聚光透镜C1 和C2等组成（见图12-4-3）。激光器射出的激光束被 反射镜R反向后，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
拉曼光谱的原理及应用
拉曼光谱的原理及应用 拉曼光谱由于近几年来以下几项技术的集中发展而有了更广泛的应用。这些技术是：CCD检测系统在近红外区域的高灵敏性，体积小而功率大的二极管激光器，与激发激光及信号过滤整合的光纤探头。这些产品连同高口径短焦距的分光光度计，提供了低荧光本底而高质量的拉曼光谱以及体积小、容易使用的拉曼光谱仪。 （一）含义 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的和短的成分, 统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，分子结构的研究谱线特征 （二）拉曼散射光谱具有以下明显的特征： a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关； b. 在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧, 这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。 c. 一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。 （三）拉曼光谱技术的优越性 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，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。 1 由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。 2 拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。相反，若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器 3 拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。 4 因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且，拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品。 5 共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。 （四）几种重要的拉曼光谱分析技术 1、单道检测的拉曼光谱分析技术 2、以CCD为代表的多通道探测器用于拉曼光谱的检测仪的分析技术 3、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术 4、共振拉曼光谱分析技术 5、表面增强拉曼效应分析技术 (五) 拉曼频移，拉曼光谱与分子极化率的关系
仪器分析作业第十一章(16)
专业：生物工程姓名：潘红波学号：1025004350 1、何谓瑞利散射、拉曼散射、斯托克斯散射、反斯托克斯散射？答：瑞利散射：散射光的频率与入射光相同的散射现象。 拉曼散射：光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。 斯托克斯散射：处于振动基态的分子，被入射光激发到虚拟态，然后回到振动激发态，产生能量为h(v0-v1)拉曼散射。这种散射光的能量比入射光的能量低此过程称为斯托克斯散射。 反斯托克斯散射：处于振动激发态的分子，被入射光激发到虚拟态后跃迁会振动基态，产生能量为h(v0+v1)的拉曼散射，称为反斯托克斯散射。 2、何为拉曼位移，它的物理意义是什么？ 答：拉曼位移是以激发光波数作为零并处于图的最右边且略去反斯托克斯线的谱带。它表示散射光与入射光频率的差值。 3、何谓共振拉曼效应，它有哪些特点？ 答：激发光等于或接近于待测分子中生色团的电子吸收频率时，入射激光与生色基团的电子耦合而处于共振状态，即产生共振拉曼效应。特点：灵敏度高，选择性高，可以判别细菌等物种属性和体内研究活细胞的膜组成和物种代谢。 5、激光为什么是拉曼光谱的理想光源？ 答：（1）激光亮度极强，可得到较强的拉曼射线。 （2）激光的单色性极好，有利于得到高质量的拉曼光谱图。
（3）激光的准直性可使激光束汇聚到试样的微小部位以得到该部位的拉曼信息。 （4）激光几乎完全是线偏振光，简化了去偏振度的测量。 7、为什么提到拉曼光谱时，总要联想到红外光谱？ 答：因为拉曼光谱与红外光谱同源与分子振动光谱。但拉曼光谱是散射光谱，拉曼活性取决于振动中极化率是否变化。红外光谱是吸收光谱，只有产生偶极距变化的振动才是红外活性的。 8、为什么讲拉曼光谱能提供较多的分子结构信息？ 答：对于一定基团，其拉曼频率的变化反映了与基团相连的分子其余部分和结构。拉曼光谱具有较宽的测定范围，且可从同一仪器，同一试样室中测得，可在较短的时间内获得更多的信息。
拉曼散射及与红外吸收的比较
拉曼散射及与红外吸收的比较 方青龙光学111605 一、拉曼散射的定义 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。散射光按频率可分成三类：第一类，散射光的频率与入射光的频率基本相同，频率变化小于3×105HZ，或者说波数变化小于10-5cm-1，这类散射通常称为瑞利（Rayleigh）散射；第二类，散射光频率与入射光频率有较大差别，频率变化大于3×1010Hz，或者说波数变化大于1cm-1，这类散射就是所谓拉曼（Raman）散射；散射光频率与入射光频率差介于上述二者之间的散射被称为布里渊（Brillouin）散射。从散射光的强度看，瑞利散射的强度最大，一般都在入射光强的10-3左右，常规拉曼散射的强度是最弱的，一般小于入射光强的10-6。 上图是光散射的频谱图，纵坐标为光散射强度，横坐标为散射频率（以波数为单位）。图中分别标出了瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射的频谱分布情况以及斯托克斯和反斯托克斯谱区。 拉曼散射现象在实验上首先由印度科学家拉曼（C.V.Raman）和前苏联科学家曼杰斯塔姆（л·и·мандепь－щгам）分别在1928年发现。由于拉曼散射强度很弱，早先的拉曼光谱工作主要限于线性拉曼谱，在应用上以结构化学的分析工作居多。但是60年代激光技术的出现和接收技术的不断
改进，拉曼光谱突破了原先的局限，获得了迅猛的发展，在实验技术上，迅速地出现了如共振拉曼散射以及高阶拉曼散射、反转拉曼反射、受激拉曼散射和相干反斯托克斯散射等非线性拉曼散射和时间分辨与空间分辨拉曼散射等各种新的光谱技术，由于拉曼光谱技术的发展，凝聚态中的电子波、自旋波和其它元激发所引起的拉曼散射不断被观察到，使之也都成为拉曼光谱的研究对象。至今，拉曼光谱学在物理、化学、地学和生命科学等各个方面已得到日益广泛的应用。 二、拉曼散射的经典解释 一个频率为p ω的光入射到一个分子上，可使分子的电子云势发生变形，并做重新分布、因而产生场致电耦极矩μ E α=μ (1) ()p p 0t cos E E δ+ω= (2) 如果把入射光看成是平面单色波，E 就是入射光电场的表达式，如果分子是各向同性的，α就是一个标量、简单的可看成是一比例常数。我们称α为分子的电极化率。如果分子是各向异性的，那么α将是一个张量。α与外电场无关、但与分子的构型和振动模式有关。若K Q 是分子振动的简正坐标，那么()k Q α=α。若振动振幅很小，则α可展开成： +???? ???α?+ α=α∑ K e K K e Q Q (3) K Q 是时间的简谐函数： ) t cos(Q Q K K ) K (0 K δ+ω= (4) K K 2πν =ω是第K 简正模的角频率，把(2)、(3)和(4)式代入(1)式得 ()()()?? ?????? ??δ+ω?δ+ω? ??? ? ??α ?+ δ+ωα=α=μ∑ p p K K ) K (0e K K p p e 0t cos t cos Q Q t cos E E ()()()[ ]()()[] ?? ?? ? ?? ? ????????δ-δ+ω-ω +δ+δ+ω+ω???? ???α ?+ δ+ωα=∑ K p K p K p K p )K (0e K K p p e 0t cos 2 1t cos 21Q Q t cos E (4) 显然在这个展开式中有三种频率成分：第一项：频率在分为p ω，散射光没有频率改变，并且直接同分子极化率有关，我们称这种散射为瑞利散射，它对应
光散射原理及其应用
安徽大学 本科毕业论文（设计、创 作） 题目: 光散射原理及其应用 学生姓名：彭果学号：B21114051 院（系）：物理与材料科学学院专业：光信息科学与技术入学时间：二〇一一年九月 导师姓名：喻远琴所在单位：安徽大学物理与材料科学学院完成时间：二〇一五年六月
光散射原理及其应用 彭果 (安徽大学物理与材料科学学院，安徽合肥230061) 摘要：光通过不均匀物质时朝四面八方散射的现象称为光散射。本文首 先简要阐述了光散射的原理和分类；然后运用光散射的知识解释了一些 生活中常见的大气现象，例如蓝天、白云、朝霞、晚霞以及夕阳等；最 后介绍了光散射在医疗和摄影等方面的应用。 关键词：光散射，瑞利散射，拉曼散射，偏振 Light scattering principle and application Pengguo (School of Physics & Material Science, Anhui University, Hefei 230061, China) Abstract: Light scattering by the light passing through the inhomogeneous material is called light scattering. In this paper, the principle and classification of optical scattering are briefly introduced. Introduces the application of light scattering in the phenomenon of life, and the application of light scattering in medical treatment, photography, etc Key words:Light scattering and Rayleigh scattering, Raman scattering, polarization 晚霞满天，一片又一片的火烧云，把天空织成美丽的锦缎，真是一幅绮丽的奇景，晚霞有多少种颜色？红色，黄色，金色，紫色，蓝色，或许还有别的颜色。这是小学语文课文的《火烧云》，火烧云的形成其实包含了光散射的原理。在生活中光散射的现象随处可见，蓝天、白云、晓霞、彩虹、雾中光的传播等等常见的自然现象中都包含着光的散射现象。 随着科技的发展，光散射在各个科学技术部门中有广泛应用。例如，根据胶体体系中光散射理论，光散射可用于判断溶胶还是分子液体，照相补光，利用共振光散射法做DNA的定量分析，基于光散射流式细胞仪的广泛应用，瑞利光散射光谱法研究牛血红蛋白与镝（Ⅲ）的相互作用等，复杂结构光散射的射线跟踪方法及其应用。光散射的应用在生活中的各方面都有重要意义。
拉曼散射原理
拉曼散射（Raman scattering），光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年，印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)两侧对称地伴有频率为v0±vi(i＝1，2，3，…）的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线；频率差vi 与入射光频率v0无关，由散射物质的性质决定，每种散射物质都有自己特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收频率相一致。拉曼散射的强度比瑞利散射（可见光的散射）要弱得多。 编辑本段意义作用 以经典理论解释拉曼散射时，认为分子以固有频率vi振动，极化率（见电极化率）也以vi为频率作周期性变化，在频率为v0的入射光作用下， v0与vi两种频率的耦合产生了v0、v0+vi和v0-vi3种频率。频率为v0的光即瑞利散射光，后两种频率对应拉曼散射谱线。拉曼散射的完善解释需用量子力学理论，不仅可解释散射光的频率差，还可解决强度和偏振等一类问题。 拉曼散射为研究晶体或分子的结构提供了重要手段，在光谱学中形成了拉曼光谱学的一分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率，并可决定分子的对称性、分子内部的作用力等。自激光问世以后，关于激光的拉曼散射的研究得到了迅速发展，强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象[1]。 编辑本段类型 拉曼散射共分为两类型： 1、共振拉曼散射（resonance Raman scattering）：当一个化合物被入射光激发，激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡然增加，这个效应被成为共振拉曼散射。 共振拉曼光谱是激发拉曼光谱中较活跃的一个领域，原因在于：（1）拉曼谱线强度显著增加，提高了检测的灵敏度，适合于稀溶液的研究，这对于浓度小的自由基和生物材料的考察特别有用；（2）可用于研究生物大分子中的某一部分，因为共振拉曼增强了那些拉曼谱线是属于产生电子吸收的集团，其他部分可能因为激光的吸收而被减弱；（3）从共振拉曼的退偏振度的测量中，可以得到正常拉曼光谱中得不到的分子对称性的信息。