激光拉曼光谱论文

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1、激光拉曼光谱技术及应用【摘要】论文主要介绍了拉曼光谱的产生原理，其中有自发拉曼反射、超拉曼反射、相干反斯托克斯拉曼反射以及受激拉曼反射的原理，从它们的研究发现，产生条件和限制因素等等方面做了简要分析。最后讲述激光拉曼光谱技术在研究领域中和实际生产生活中的应用。【关键词】激光拉曼光谱自发反斯托克斯受激应用【正文】光谱学它是一门独立的学科，它是通过微观级的物质，也就是分子、原子、团族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。光谱学逐渐进入实质性的发展阶段是1860年基尔霍夫用自己制造出的分光仪发现了铯元素和铷

2、元素。一方面，光谱学本身的原理与定律建立起来了，另一方面对近代物理学的建立与发展起了极为重要的推动作用。当激光出现时，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，是光谱学发生了革命性的变化，使它发展成为了一门新的学科，也就是激光光谱学。它既是传统基础学科的重要研究手段，又是许多在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。它是由1928年印度科学家拉曼与克里希南进行液体与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

3、弹性的相互碰撞时,大部分的光子仅仅是改变了方向,发生一般的散射,而且光的频率和之前的用于激发的光源相一致,这种散射被称作是瑞利散射。但是，也有很少量的光子很特殊，因为它们不仅改变了光的传播方向,而且还改变了光波的频率,这种散射就叫做拉曼散射。其散射光的强度约占总散射光强度的十的负六次方至十的负十次方数量级。其的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换，从而改变了光子的能量。从激光器问世之后，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域，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结

4、构都有很大价值。拉曼散射最重要的用途就是用于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。拉曼光散射是光与物质的相互作用的一种特殊形式，利用经典理论方法也能直观、定性地说明其中的一些重要现象。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诱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。在入射光作用下，发出的相应的和频

5、或差频辐射，就是拉曼散射光，其相应的振动模被称为拉曼活性模。我们通常将频率降低的差频光散射称为斯托克斯散射，而将频率升高的和频光散射称为反斯托克斯散射。为了与非线性受激拉曼散射区别，又将这种散射称之为正常拉曼散射。又由于散射光无相干性，具有自发发射性质，因此也称它为自发拉曼散射。斯托克斯散射与反斯托克斯散射带分布在入射光光子能量，即瑞利光位置的两侧。由此可见，拉曼光谱的测量是以高频光波去研究分子的红外运动。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斯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

6、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。因此，我们必须才用量子理论来进一步解释这一问题。在量子理论中，分子的振动是量子化的。拉曼散射过程可以看成入射光子在介质中产生或湮灭声子，即分子的振动量子。斯托克斯散射是将入射光子损失的能量交给了分子，即光子在系统中产生了声子。产生声子与原有声子无关，所以斯托克斯散射的几率是与温度无关的。反斯托克斯散射将从分子吸收能量，使声子湮灭。但声子湮灭的几率与系统所处的激发振动态的几率有关，因此，它是与温度有关的。这样就能说

7、明了斯托克斯带的强度比反斯托克斯带的强度要高。下图是拉曼散射图，图中n是存在的振动量子数。假定振动能级的能量间隔远小于电子态之间的间隔。如图所示，入射光使分子上升到电子激发态，再从电子激发态返回到电子基态的不同的振动态上。入射光子的斯托克斯散射的能量损失转交给了分子，因此系统处具有了较高的振动量子数。与此相反，反斯托克斯散射从分子获得能量，因此分子跃迁到了较低的振动态。由此可见，拉曼散射过程是经过了一个电子激发态的中间态跃迁过程。但是，这种跃迁与激光诱导荧光的能级跃迁相比是不相同的，激光诱导荧光的能级跃迁的中间态是分子的一个电子本征态，吸收与发射是明确的两个相继

8、发生的过程。而在拉曼散射