机械工程学院
现代光学实验（II）实验报告
_2014_年_ 12_月 25 日
题目： 现代光学实验（II） 学号： 姓名： 班级：
实验一 激光拉曼／荧光光谱实验
【实验目的】
1.了解拉曼光谱的基本原理，理解它的光谱和能级跃迁特性。 2.了解拉曼光谱仪的结构和特点。
3.测量四氯化碳的拉曼光谱，计算其中各谱线的位移值，并估计相应的振动能级的结构。 4.测量其他溶液的的拉曼光谱，并分析其特殊。 【仪器用具】
LRS – III激光拉曼/荧光光谱仪 【实验原理】
一、拉曼光谱原理简介
印度物理学家拉曼（Raman）在1928年研究苯的光散射时发现，在散射光中除了有与入射光频率相同的谱线外，还有与入射光频率发生位移（频率增加或减少）、而且强度极弱的谱线。前者为已知的瑞利（Rayleigh）散射光，后者被命名为拉曼散射光。拉曼光谱与分子的转动和振动状态有关，因此能反映分子内部结构的变化，所以研究分子的拉曼光谱能得到有关分子内部结构的信息，因而它在许多科学领域内都得到了广泛的应用。 1. 拉曼光谱的经典理论
根据电磁辐射的经典理论，单色入射光辐射到物质上时，能使其中的分子产生振荡形成感生电偶极矩P。当入射光光强不是很大时，在一级近似下，此感生偶极矩P与分子极化率α以及入射光的电场强度E之间的近似关系为：
P= αE (1) 一般情况下，分子极化率是原子座标的函数，而且是各向异性的，因此它可由一个张 量（αij）(i,j=x,y,z)来描述，由此式(1)的各分量表示为：
或者以矩阵形式表示为：
由于分子中的原子总是在作热振动，即它们的原子核总是围绕其平衡位置在作振动，因而分子的极化率也在随之发生着变化。按照一般的方法，将极化率的各分量在平衡位置附近按简正座标展开成泰勒级数形式并只保持到一次项：
其中，(αij)0是分子在平衡位置时的αij 值，通常为常数，Qk，Ql …是分子振动的简正座标。
为简单期间，若只考虑一个（第k个）简正振动，则上式简化为：
式中α′k 也为常数。
设分子的简正振动为简谐振动，即
(6)
入射光电场强度为：
(7)
将式(5)、(6)、(7)代入(1)式（只有一个分量的情况）得
式中，第一项表示感生偶极矩以不变的频率ν0辐射，对应于瑞利散射，第二项和第三项分别表示感生偶极矩以频率ν0－νk和ν0＋νk辐射，分别对应于拉曼散射中，称为斯托克斯（Stokes）线和反斯托克斯线的两条特征谱线。 2. 拉曼光谱的量子理论
按照量子理论，频率为ν0的光子入射到分子上时，可能会发生弹性和非弹性两种散射。 在弹性散射过程中，光子与分子间没有能量交换，光子仅仅改变其运动方向，而不改变其频 率。这种散射对于应瑞利散射。在非弹性散射过程中，光子与分子存在着能量交换，光子不 仅改变了运动方向，同时还可能把一部分能量传递给分子或从分子中得到一定的能量。在这 两种过程中，光子的频率都发生了改变。光子失去能量的过程对应于频率减小，称之为斯托 克斯拉曼散射；而光子得到能量的过程对应于频率的增加，称之为反斯托克斯拉曼散射。 在图1中，其中的虚能级实际上是不存在的。hν为分子的相邻两个振动能级的间隔。可 以看出，斯托克斯线和反斯托克斯线与瑞利线之间的能量差分别为h(ν0-ν)-hν0=－hν和h(ν0＋ν)-hν0=hν，其数值相等，符号相反。这说明拉曼谱线对称地分布在瑞利线的两侧。
一般情况下，分子的振动能级远大于分子的热运动能，所以按照玻尔兹曼分布，处于振动激发态E1能级的分子数，要远远少于处于基态E0能级上的分子数。因此，斯托克斯线的强度要大于反斯托克斯线的强度。 拉曼光谱的强度取决于跃迁矩阵元：
（9）
式中，ψm和ψn分别为上下两能级的波函数。同时，由公式(4)或(5)可知，要产生拉曼
光谱，
还必须有：
（10）
满足公式(10)的条件，则称该分子具有拉曼活性的。拉曼光谱的具体性质和现象请参考相
关的专业书籍。
二、实验仪器和装置
本实验使用的仪器为：LRS-III型激光拉曼/荧光光谱仪（天津港东科技发展有限公司）。仪器的总体结构如下图所示：
在该装置中，激发光源采用波长为532nm（波数为18797.0cm-1）的偏振半导体激光器，输出功率不小于40mW。偏振方向可以通过一1/2波片调节。单色仪采用1200L/mm、闪耀波长为500nm的光栅，相对孔径比为D/f=1/5.5。光接收器为光电倍增管（日产R6249）。为提高信噪比，光强接收采用单光子计数器。整个装置的主要技术指标有：波长范围：200～800nm（单色仪）；波长准确度：不大于0.4nm；波长重复性：不大于0.2nm；杂散光：不大于10-3；线色散倒数：2.7nm/mm；谱线半宽度：不大于0.2nm（波长在586nm处）。
【实验内容】
1. 测量四氯化碳的拉曼光谱，计算其中各谱线的位移值，并估计相应的振动能级的结构。
现代光学实验(II)实验报告教材
