光谱学是一门独立的学科，它是通过微观级的物质，也就是分子、原子等对光的吸收与发射，研究光与物质的相互作用的一门学科。它自17世纪牛顿的色散实验起源，发展极其缓慢。当激光出现后，就像是赋予了光谱学新的生命力，特别是可调谐激光器的出现和发展，使光谱学发生了革命性的变化，使它发展成为一门新的学科，也就是激光光谱学。它既是传统基础学科的重要研究手段，又是在许多应用学科中不可缺少的探测与分析方法。因此，激光光谱学不仅被专业工作者所掌握，也为许许多多应用专业的科技工作者所熟悉。

    拉曼光谱是一种散射光谱，它是在1928年由印度科学家拉曼和克利希南进行液体蒸汽实验时发现的一种新的光散射现象。当一束激发光的光子与作为散射中心的分子发生非弹性的相互碰撞时，大部分的光子仅仅是改变了方向，而且光的频率和之前用于激发的光源相一致，这种散射被称作瑞利散射。但是，也有很少量的光子不仅改变了光的传播方向，还改变了光波的频率，这种散射叫做拉曼散射。

【实验目的】

    1. 了解拉曼散射的基本原理。    2. 掌握基本实验操作。    3.测量GO-TiO2固态薄膜的拉曼光谱，分析其谱线特点。    4.（选做）对比GO-TiO2薄膜经过不同紫外光曝光时间后拉曼谱线的变化，分析其原因。

【实验原理】

    （1）拉曼散射的频移与谱线强度规律

    拉曼散射的产生原因是光子与分子间发生了能量交换，从而改变了光子的能量，其散射光的强度约占总散射光强度的1E-6至1E-10数量级，而瑞利散射相比则强得多，约为激发光强的10-3倍，所以在激光问世前拉曼散射现象很难被观察到。激光器问世之后，优质的、高强度的单色光的提供就有了保障，这有力推动了拉曼散射的研究及其应用。拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领城，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。拉曼散射最重要的用途就是进行物质结构的研究，它已经成为了物质结构研究的强大工具。

    受光照射时，介质对光除反射、吸收和透射之外，总有一部分向四周散射相对于入射光发生频率或波数的改变。散射分为三类，第一类是散射光的频率与入射光的基本相同，频率变化小于，相应的波数变化小于，通常称它为瑞利(Rayleigh)散射，第二类是频率变化约为，波数变化约为，称为布里渊(Brillouin)散射，第三类的频率或波数变化比较大，频率变化大于，波数变化大于，这就是拉曼(Raman)散射。拉曼散射的散射光频率v与入射光频率相比有明显的变化，即 ，其强度数量级约为瑞利散射的。瑞利线 长波一侧出现的散射线称为斯托克斯(Stokes)线，又称为红伴线；把短波一侧出现的称为反斯托克斯(anti-Stokes)线，又称紫伴线，通常斯托克斯线的强度比反斯托克斯线要强一些。散射光频率 相对于入射光频率的偏移，即拉曼光谱的频移，是拉曼谱的一个重要特征量。散射线的频移量相对于瑞利线是对称的，而且这些谱线的频移不随入射光频率而变化，只决定于散射物质的性质。换句话说，在不同频率单色光的入射下都能得到类似的拉曼谱。

    综上所诉，拉曼散射谱线具有三个基本特征：①虽然拉曼散射线的频率与入射光波长有关，但同一物质的同一拉曼谱线的频率与瑞利线的频率之差(称拉曼频移)却与入射光波长无关，仅取决于散射物质本身；②拉曼谱线中斯托克斯线与反斯托克斯线相对于中间的瑞利散射线对称；③斯托克斯线的强度要强于反斯托克斯线，但又都比瑞利线的强度弱很多。

    拉曼光散射是光与物质的相作用的一种特殊形式，利用经典理论方法也能直观、定性地说明一些重要现象。经典方法通过将介质极化看成为电磁场的激发源，即原子与分子在经典场的作用下产生透导偶极矩而导致极化，而极化的原子与分子发射散射光这一理论，再根据分子偶极矩矢量的公式进行推导出拉曼活性项表达式，通过它可以看出入射光在介质中的诱导偶极矩，受到分子的振动调制，诱导偶极矩与分子的极化率成正比。并且它既与入射光有关，又与极化率的振荡部分成比例。经典方法能正确地告诉我们拉曼散射光会在哪些频率上出现。但是，在经典方法中的斯托克线与反斯托克斯散射线在强度上没有差别。这与事实是不相符的。因为从实验中我们发现，拉曼散射的斯托克斯散射线的强度与反斯托克斯散射线的强度明显不相等，斯托克斯散射线的强度明显要强于反斯托克斯散射线的强度，这是经典方法无法解释的问题。因些,我们必须用量子理论来进一步解释这一问题。

    按照量子理论，频率为的入射光子与物质分子的作用可视为一个碰撞过程。若为弹性碰撞，则碰撞后两者互不交换能量，而仅改变光子的运动方向，于是散射光子的频率保持不变，这就形成瑞利散射。若发生的是非弹性碰撞，那么碰撞后光子不仅改变运动方向，还与物质分子交换了能量。这个过程也可以看做入射光子的湮灭和另一个不同能量的散射光子的产生，期间分子的能量状态发生了变化。这种非弹性碰撞的结果就会导致拉曼散射光的产生。

    设和为碰撞前、后光子的频率，与 分别代表分子的某一较低和较高能级，其能级差，则按能量守恒原则作用前后应有:

                      （1）

    于是，若碰撞时分子从入射光子获得能量使其由较低能级跃迁到较高能级 ，如图1所示，则碰撞后光子的频率< ，这就出现斯托克斯散射线；若碰撞时分子将一部分能量转移给入射光子使其由较高能级跃迁到较低能级，则由式(1）可知，碰撞后光子的频率> ，这就出现反斯托克斯散射线。不仅如此，由式(1)还可看出，对于确定的两个能级 和 ，相应的一对斯托克斯线和反斯托克斯线相对于瑞利线应是对称的。此外，由于表征分子振动与转动状态的能级并不仅仅是 和 ，所以产生的拉曼散射谱线应有若干条。需要说明的是，图1中的虚线只是代表高于分子初始态的与入射光子能量对应的一个虚能级，而不是分子的某一实际能级。由此也可以看出，拉曼效应对激发光的波长是没有特别要求的。反过来，若该虚能级恰好与分子的某一实际能级重合，则产生的将是共振拉曼效应。

图1 斯托克斯散射与反斯托克斯散射的示意图

    拉曼散射的强度与下述因素有关：入射光强度Ii 、形成分子由 跃迁的拉曼散射截面 、以及处于初始能态的粒子数。显然， Ii越强、 越大，产生的拉曼散射谱线也越强。此外，按统计分布规律，在热平衡状态下，分子数按能量分布遵从玻尔兹曼分布律： ，式中， 代表能级E 的简并度， 分别表示玻尔兹曼常量和温度。若 ，则 通常为基态，反之必为某一激发态。由于位于较低能级的分子数多于位于较高能级的分子数，这就自然解释了为何斯托克斯线的强度大于反斯托克斯线强度的现象。同时还可以看出，当温度升高时，反斯托克斯线将增强。

    （2）拉曼散射光的偏振态和偏振度

    许多物质的分子通常有确定的空间取向，因此对某一分子而言，不论入射光是否是偏振光，该分子的拉曼散射将呈某种偏振状态，而且即使入射光是偏振光，其散射光的偏振方向通常也不一定与其偏振方向一致。对拉曼散射偏振状态的测量，可确定分子结构的类型及其相应的振动方式。然而在产生散射的入射光照射区域中有大量的分子，每个分子虽然有确定的空间取向，尤其是气态或液态待测样品，由于分子中含有大量的取向无规则的分子，在宏观上呈无规则分布，因此即使入射光是线偏振光，散射光的偏振方向也可能与入射光不同，甚至散射光还可能是非完全偏振的。这一现象称为散射光的“退偏”，“退偏度”便是定量描述退偏程度的物理量。    首先，定义入射光传播方向与观测方向所构成的平面为散射平面，用表示上述两方向间的夹角， 表示退偏度，则当入射光偏振方向平行于散射平面，定义退偏度：

式中，光强I的左上标表示入射电矢量方向与散射平面的关系，右下标表示散射电矢量方向与散射平面的关系。类似地，当入射光偏振方向垂直于散射平面，定义退偏度：

上述两式表示，偏振的入射光作用于物质分子后所产生的拉曼散射光相对于原来入射光退偏振的程度。由于拉曼散射光的强度比入射光的强度弱很多，为避免受入射光影响， 一般不为0或 ，实际测量仪器中常取。研究发现，退偏度 与极化率的各向同性部分 及各向异性系数间有下述关系：

式中， 称为平均电极化率， 称为各向异性率，是极化率各向异性的量度。于是，当分子振动完全对称时，极化率是各向同性的，各向异性系数 =0，此时退偏度 =0，表明所产生的拉曼散射光完全偏振；而当分子的振动为非对称时，极化率是各向异性的， =0， =3/4，表明此情况下的拉曼散射光是退偏振的。可见，退偏度一般在0—3/4之间。 越接近于0，分子振动所含的对称振动成分就越多。

    当入射光为自然光时，退偏度定义为：偏振面平行于散射面的散射光强与偏振面平行于散射面的散射光强之比，即

式中，n系指自然光。    在此情况下，对应于 ，偏振度的关系为：

可以看出， 。

    实验测得的退偏度可判断分子振动的对称性。例如对某振动，当表明此时散射是完全偏振的，因此分子的各向异性率 必为零；当 ， 时，则散射光是完全退偏的，表明平均极化率 必为零；而当 之间时，散射光就是部分偏振的。散射光这种偏振特性反映了分子振动模式的对称性质。例如某个振动模式拉曼线的退偏度 ，则说明不管入射光是否为偏振光，它只激发感应偶极矩 分量，而 的散射光在x-y 平面角度内具有相同的最大强度，说明该振动必是对称振动。

【实验装置】

HR800型共聚焦显微拉曼光谱仪

    该仪器总体包括5个部分：激光源、外光路、色散系统、接收系统、信息处理控制与显示系统。图2示出的是HR800型拉曼光谱仪的结构图。该仪器可以对固体、粉未、液体样品进行非破坏性直接测试，可对样品点、线、面进行逐点扫描。HR800型共聚焦拉曼光谱仪简易图示如图3所示。

 图2 HR800型拉曼光谱仪结构图

图3 HR800型共聚焦拉曼光谱仪简易图示

    HR800型拉曼光谱仪的尺寸标注，如图4所示。其主要规格及技术指标：    (1)激光器波长：785nm，633nm，488nm，325nm。    (2)拉曼位移范围：0-4000cm-1。    (3)机动X-Y显微镜台，分辨率：0.1μm，重复性：1μm，范围：75×100、100×100、215×100mm。    (4)CCD探测器：风冷（1024×256像素—26μm）。

 图4 HR800型拉曼光谱仪的尺寸标注图

【实验操作步骤】    1. 开机    依次打开稳定电压、接线板电源（3个）、机箱电源、XY控制平台电源、电脑、Labspec6程序。设置CCD温度为-70℃、开白光、激光。白光在不开camera时调成最暗。    2. 上样      固体样品：    (1)首先确保样品表面不能有液体。如果需要测试湿的样品，可以将镜头用保鲜膜包好，或者用石英片将样品盖好。    (2)样品放置要平稳，用camera检查一下样品是否抖动。    (3)检查放置样品的衬底大小是否合适，移动操作杆看平台移动是否受阻。    (4)如果是透明样品，要确保衬底没有强拉曼信号。    液体样品：    选择与其他显微镜不相邻的位置安装液体镜头，样品池为1cm石英比色皿，样品量需 1ml。    3. 校正    校正零点：    (1)“Spectrometer” 点左箭头使光栅位置回到零点。    (2)将平台上方的stem上提顺时针转动固定。    (3)点击工具栏中实时测量，得到零点锋，按“Stop”停止采谱。    (4)若零值较小，则将菜单栏中“Setup”，“Instrument Calibration”中“Zero”值改小（改最后两位）。反之则改大。    校正硅峰：    (1)“Spectrometer”在空白处输入520.7cm-1（硅的一级峰标准位置）。    (2)将硅片置于显微镜正下方，将stem稍稍提起逆时针转动后放下。白光打开后，点击“摄影”得到动态camera图像。转动操纵杆使得camera图像最清晰，即达到最佳焦距。此时调暗白光打开激光，camera图像呈现出最小光斑。    (3)点击工具栏中实时测量，得到硅峰。    (4)若硅峰有偏差，按校零方法校正。    4. 测样    (1)镜头的选择根据样品来定，样品若比较平整，信号又较弱可以选用50×或100×，若样品信号较强可选用10×，若样品既不平整信号又弱，可以采用50×长焦镜头。    (2)上样和聚焦方法同校正时一样。    (3)光谱范围设置：在“Acquisition”中“Multi Window”设置。Time(%)为相对曝光时间，根据各个光谱段信号强度而设定。    (4)其它参数设置：激光波长、激光功率、共焦孔、狭缝、文件命名、实时测量曝光时间、正式测量曝光时间和扫描次数均在控制面板中进行设置。    (5)点击工具栏中开始按钮，可进行采谱。    5. 数据处理    (1)数据管理工具：从左到右依次为剪切、打开、保存、打印和帮助。    (2)数据显示和信息：从左到右依次为使窗口尺寸适合于当前图谱、强度上适合当前图谱、标出当前窗口的中心位置、数据尺寸（显示并可修改当前图谱在XY两个方向上的极限位置）以及图谱参数。    (3)基本数据处理：从左到右依次为极限校正、数据校正、数据平滑、傅里叶转换、数据数学处理、峰的操作和外形描述。    6.（选做）对比GO-TiO2薄膜经过不同紫外光曝光时间后拉曼谱线的变化，参考图5，分析其原因。    7. 关机    关白光、激光，设置CCD温度为室温，等待实际温度达到室温、关闭Labspec6程序、电脑、X控制平台电源、机箱电源一接线板电源(3个)、稳压电源。

 图5 GO-TiO2薄膜的拉曼谱线

【注意事项】

    1.更换镜头和滤镜前要洗净并擦干双手，手指不能接触镜头透镜部分和滤光片，更换时需轻拿轻放。

    2.固态样品不能有溶剂残留，若样品本身含液体需用石英片覆盖或将镜头包膜。

    3.使用操纵杆调焦距时幅度要小，动作要轻，防止镜头压到样品表面（特别是50×和100×镜头）；调节平台位置时注意不要超过极限位置，若达到极限位置平台不能再移动时，应先关闭平台再手动调整。

    4.白光、激光不用时要关闭或放在Standby状态。

    5.电源机箱上的按钮未经许可不得随意拔动，软件中的部分参数未经许可不得随意改动。

【思考题】    1.如何判断激光束照射被测样品处于最佳位置？    2.GO-TiO2薄膜经过不同紫外光曝光时间后拉曼谱线有何变化？原因是什么？【参考文献】[1] 周进，沙振舜，谭伟石，江兴方，徐永祥.近代物理实验.南京大学出版社，2013.[2] 王魁香，韩炜，杜晓波.新编近代物理实验.科学出版社，2007.[3] 路同兴，路铁群.《激光光谱技术原理及应用》.中国科学技术大学出版社，1999.[4] 杨序刚，吴琪琳.《拉曼光谱的分析与应用》.国防工业出版社，2008.