第14讲-第七章-激光拉曼光谱技术课件

第七章第七章 激光拉曼光谱技术激光拉曼光谱技术1Laser spectroscopy and its application 第七章 激光拉曼光谱技术1Laser spectrosco1928年年印印度度科科学学家家拉拉曼曼(C.V.Raman)与与克克里里希希南南(K.S.Krishnan)报报告告了了在在液液体体与与蒸蒸汽汽中中发发现现的的一一种种新新的的光光散散射射现现象象：当当一一束束光光入入射射到到分分子子上上时时，除除了了产产生生与与入入射射光光频频率率0相相同同的的散散射射光光以以外外，还还有有频频率率分分量量为为0M的的散散射射光光且且与与分分子子振振动动或或转转动动相相关关的的频频率率。这这种种现现象象后后来来被被称称为为拉拉曼曼散散射射。由由于于这这一一发发现现拉拉曼曼获获得得了了1930年年度度的的诺诺贝贝尔尔奖奖。其其实实这这一一现现象象在在拉拉曼曼之之前前已已由由伍伍特特(Wood)记记录录到到了了，但但伍伍特特仅仅把把它它当当作作光光谱谱板板上上的的一一个个污污斑斑而而忽忽 略略 了了，同同 年年 前前 苏苏 联联 科科 学学 家家 兰兰 茨茨 别别 尔尔 格格(Landsberg)与与曼曼杰杰斯斯塔塔姆姆(Mandelstam)在在晶晶体体中也独立地发现了这一现象中也独立地发现了这一现象。第一节第一节 自发拉曼散射自发拉曼散射2Laser spectroscopy and its application1928年印度科学家拉曼(C.V.Raman)与克里希南(K拉曼光散射是入射光与物质间发生能量转移的非弹性散射非弹性散射。当能量为的入射光子与处于能级i的分子发生碰撞时，分子在激发到能级f的同时散射出能量为s的光子，其能量关系为能量差能量差=i-f=(i-s)为分子的振动为分子的振动能或能或转动转动能或能或电电子能。子能。1 拉曼散射理论拉曼散射理论3Laser spectroscopy and its application1.1 经典处理经典处理拉曼光散射是入射光与物质间发生能量转移的非弹性散射。当能量为 拉拉曼曼光光散散射射是是光光与与物物质质的的相相互互作作用用的的一一种种特特殊殊形形式式，全全面面的的论论述述要要用用全全量量子子理理论论的的方方法法，即即光光场场与与原原子子状状态态都都是是量量子子化化的的，但但是是经经典典方方法法也也能能直直观观、定定性性地地说说明明其其中中的的一一些些重重要要现现象象。用用经经典典方方法法时时，将将介介质质极极化化看看成成为为电电磁磁场场的的激激发发源源，即即原原子子与与分分子子在在经经典典场场的的作作用用下下产产生生诱诱导导偶偶极极矩而导致极化，而极化的原子与分子发射散射光矩而导致极化，而极化的原子与分子发射散射光。4Laser spectroscopy and its application 拉曼光散射是光与物质的相互作用的一种特殊形式，全面的 在入射光的电场在入射光的电场Ei的作用下，分子的偶极矩矢量的作用下，分子的偶极矩矢量的一般表达式为：的一般表达式为：常数项，是分子的永久偶极矩，与入射光无关线性极化率,与入射光电场E成正比高阶非线性项5Laser spectroscopy and its application 在入射光的电场Ei的作用下，分子的偶极矩矢量 为简单起见只考虑因分子的振动引起的永久偶极为简单起见只考虑因分子的振动引起的永久偶极矩与极化率随时间的变化，这时矩与极化率随时间的变化，这时i与与ij可以用分子简可以用分子简正模坐标展开成的泰劳正模坐标展开成的泰劳级数：级数：6Laser spectroscopy and its application 为简单起见只考虑因分子的振动引起的永久偶极矩如果原子的位移很小，就可以将原子的位移与光波电场随时如果原子的位移很小，就可以将原子的位移与光波电场随时间的变化近似为正弦的间的变化近似为正弦的,即有即有直流项7Laser spectroscopy and its application由于物质的各种发射都和它的相应由于物质的各种发射都和它的相应偶极矩的变化有关，因此每一项都偶极矩的变化有关，因此每一项都有某种相应的辐射发射机制。有某种相应的辐射发射机制。如果原子的位移很小，就可以将原子的位移与光波电场随时间的变化 这这是是分分子子各各项项偶偶极极矩矩随随时时间间周周期期的的变变化化之之和和，n为为由由确确定定模模引引起起的的对对偶偶极极矩矩的的调调制制频频率率。只只要要(i/qn)q0，分分子子可可以以等等于于振振动动频频率率的的光光波波交交换换能能量量，即可对等于分子振动频率红外光产生吸收。即可对等于分子振动频率红外光产生吸收。红外活性项红外活性项第二项：第二项：8Laser spectroscopy and its application 这是分子各项偶极矩随时间周期的变化之和，n第三项：第三项：这这是是在在入入射射光光诱诱导导下下出出现现的的电电偶偶极极矩矩变变化化项项，所所以以它它发发射射出出的的光光频频率率与与入入射射光光相相同同，称称作作为为入入射射光的再发射，也称作光的再发射，也称作弹性散射弹性散射或或瑞利散射光瑞利散射光。瑞利散射项瑞利散射项9Laser spectroscopy and its application第三项：这是在入射光诱导下出现的电偶极矩变化项，所以最后一项是：最后一项是：它可以它可以看作入射光在介质中的诱导偶极矩受到了分子的振动调看作入射光在介质中的诱导偶极矩受到了分子的振动调制制。诱导偶极矩与分子的极化率成正比，既与入射光有关，又。诱导偶极矩与分子的极化率成正比，既与入射光有关，又比例于极化率的振荡部分，是入射光与振动模的乘积。只要比例于极化率的振荡部分，是入射光与振动模的乘积。只要(ijij/q qn n)q q00，在入射光作用下就会发射相应的和频或差频，在入射光作用下就会发射相应的和频或差频辐射，即拉曼散射光辐射，即拉曼散射光。拉曼活性项拉曼活性项斯托克斯散射斯托克斯散射反斯托克斯散射反斯托克斯散射10Laser spectroscopy and its application最后一项是：它可以看作入射光在介质中的诱导偶极矩受到了分子的具有两个振荡模系统的红外与散射光谱具有两个振荡模系统的红外与散射光谱11Laser spectroscopy and its application具有两个振荡模系统的红外与散射光谱11Laser spect分分子子的的振振动动光光谱谱：红红外外活活性性项项与与拉拉曼曼活活性性项项。这这两两项项可可能能都都存存在在，但但也也可可能能只只存存在在其其中中的的一一项项。由由此此可可见见，拉拉曼曼光光谱谱的的测测量是以高频量是以高频光波光波(可见光可见光、紫外光紫外光)去去研究分子的红外运动。研究分子的红外运动。12Laser spectroscopy and its application分子的振动光谱：红外活性项与拉曼活性项。这两项可能都存在，但从经典表达式看从经典表达式看:似乎斯托克斯线与反斯托克斯散射线在强似乎斯托克斯线与反斯托克斯散射线在强度上没有差别。这显然与事实不符，例如度上没有差别。这显然与事实不符，例如CCl4的拉曼散射的的拉曼散射的实验谱，该谱的斯托克斯散射线的强度与反斯托克斯散射线实验谱，该谱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，前者强于后者。的强度明显不相等，前者强于后者。？1.2 量子论观点量子论观点CCl4的拉曼散射光谱13Laser spectroscopy and its application从经典表达式看:似乎斯托克斯线与反斯托克斯散射线在强度上没有 从从量子角度，分子振动是量子化的。拉曼散射过程可看成量子角度，分子振动是量子化的。拉曼散射过程可看成入射光子在介质中产生或湮灭声子入射光子在介质中产生或湮灭声子(分子的振动量子分子的振动量子)。斯托。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振动量子统中产生振动量子(声子声子)。产生声子与原有声子无关，所以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。反斯托克斯散射将从分子吸收能量，使声子湮灭。但分子吸收能量，使声子湮灭。但声子湮灭的几率与系统所处声子湮灭的几率与系统所处的激发振动态的几率有关，因而与温度有关的激发振动态的几率有关，因而与温度有关。因此。因此斯托克斯斯托克斯带的强度与反斯托克斯带的强度之比反映了玻耳兹曼因子带的强度与反斯托克斯带的强度之比反映了玻耳兹曼因子exp(-h/kBT)(注意，散射强度之比并不只与玻耳兹曼因子有关注意，散射强度之比并不只与玻耳兹曼因子有关)14Laser spectroscopy and its application 从量子角度，分子振动是量子化的。拉曼散射过程可看成入假定振动能级的能量间隔远小于电子态之间的间隔，假定振动能级的能量间隔远小于电子态之间的间隔，入射光使分子上升到电子激发态，再从电子激发态返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。子获得能量，因此分子跃迁到了较低的振动态。拉曼散射能级图振动量子数振动量子数15Laser spectroscopy and its application假定振动能级的能量间隔远小于电子态之间的间隔，入射光使分子上拉拉曼曼散散射射过过程程是是经经过过一一个个电电子子激激发发态态的的中中间间态态跃跃迁迁，与与激激光光诱诱导导荧荧光光的的能能级级跃跃迁迁不不同同，LIF的的中中间间态态是是分分子子的的电电子子本本征征态态，吸吸收收与与发发射射是是明明确确的的两两个个相相继继发发生生的的过过程程。在在拉拉曼曼散散射射中中，是是在在由由测测不不准准关关系系确确定定的的很很短短时时间间内内，分分子子增增加加了了一一个个数数量量上上等等于于入入射射光光子子损损失失(或或增增加加)的的能能量量，拉拉曼曼散散射射是是系系统统经经过过了了一一个个“虚虚”激激发发态态的的跃跃迁迁过过程程。虽虽然然，可可以以找找到到在在某某些些波波长长上上拉拉曼曼散散射射的的中中间间态态与与分分子子的的真真实实本本征征态态相相重重合合的的能能级级，并并且且拉拉曼曼散散射射截截面面会会大大大大增增加加，但但这这是一种共振拉曼散射，与荧光发射机制完全不同。是一种共振拉曼散射，与荧光发射机制完全不同。16Laser spectroscopy and its application拉曼散射过程是经过一个电子激发态的中间态跃迁，与激光诱导荧光在在经经典典理理论论中中，选选择择定定则则主主要要其其是是讨讨论论其其拉拉曼曼活活性性问问题。设题。设E Esisi为散射光的电场矢量的为散射光的电场矢量的i i分量，则由分量，则由拉曼活性得：拉曼活性得：结论：输入或输出的电场结论：输入或输出的电场(Eoj或或Esi)是通过拉曼张量是通过拉曼张量n相关相关联的。联的。2 选择定则选择定则17Laser spectroscopy and its application在经典理论中，选择定则主要其是讨论其拉曼活性问题。设Esi为由此可见：如果下标为由此可见：如果下标为i,j的张量元不为零，那么的张量元不为零，那么Eoj和和Esi之间的拉曼散射是可能之间的拉曼散射是可能的，拉曼的，拉曼张量元张量元n是否为零要从群是否为零要从群论的计算中来确定论的计算中来确定。只有只有分子在振动过程中，分子的极化率分子在振动过程中，分子的极化率发生变化才属于拉曼活性；对于红外光谱，分子的偶极矩发发生变化才属于拉曼活性；对于红外光谱，分子的偶极矩发生变化才属于红外活性生变化才属于红外活性。对于一个给定振动模对于一个给定振动模n，拉曼张量定义为，拉曼张量定义为18Laser spectroscopy and its application由此可见：如果下标为i,j的张量元不为零，那么Eoj和Esi拉曼与红外的选择定则缘源拉曼与红外的选择定则缘源用三个简单分子以列表的方式对振动模的红外活性和拉曼活性作一些定性讨论用三个简单分子以列表的方式对振动模的红外活性和拉曼活性作一些定性讨论19Laser spectroscopy and its application拉曼与红外的选择定则缘源用三个简单分子以列表的方式对振动模的虽虽然然有有一一些些分分子子(如如异异核核双双原原子子分分子子)既既有有拉拉曼曼光光谱谱，又又有有红红外外吸吸收收光光谱谱，但但有有些些跃跃迁迁只只能能在在拉拉曼曼光光谱谱中中观观察察到到，而而另另一一些些只只能能在在直直接接吸吸收收光光谱谱中中观观察察到到，也也有有一一些些跃跃迁迁在在吸吸收收光光谱谱或或Raman光光谱谱中中都观察不到都观察不到。对对于于极极性性基基团团的的振振动动、分分子子的的非非对对称称振振动动使使分分子子的的偶偶极极矩矩发发生变化，因而是红外活性的生变化，因而是红外活性的；对对于于非非极极性性基基团团的的振振动动、分分子子的的全全对对称称振振动动使使分分子子的的极极化化率率发发生生改改变变，产产生生拉拉曼曼活活性性。大大多多数数有有机机分分子子一一般般具具有有不不完完全全的的对对称称性，因而在红外与拉曼光谱中都有反映性，因而在红外与拉曼光谱中都有反映。极极性性基基团团与与分分子子的的非非全全对对称称振振动动产产生生红红外外吸吸收收带带，一一些些强强极极性性基基团团，如如：OH,C=O,C X(X为为卤卤素素)等等在在红红外外光光谱谱中中有有强强吸吸收收带带，而而测测不不到到拉拉曼曼光光谱谱。非非极极性性的的、但但易易于于极极化化的的健健(或或基基团团)，如如：C=C=C,N=N,S S 等等，不不会会产产生生红红外外光光谱谱，但但有有明显的拉曼光谱明显的拉曼光谱。20Laser spectroscopy and its application虽然有一些分子(如异核双原子分子)既有拉曼光谱，又有红外吸收拉曼散射拉曼散射光的强度与散射物质的性质有关。按照原子的偶光的强度与散射物质的性质有关。按照原子的偶极辐射原理，分子的斯托克斯频率的感应偶极矩为极辐射原理，分子的斯托克斯频率的感应偶极矩为(s)的辐的辐射功率为射功率为由于由于(s)=1/2(/q)q0EL，辐射功率为可以写为：辐射功率为可以写为：3.拉曼信号强度拉曼信号强度21Laser spectroscopy and its application3.1 3.1 拉曼信号强度拉曼信号强度拉曼散射光的强度与散射物质的性质有关。按照原子的偶极辐射原理通常用微分散射截面来表征物质的拉曼散射能力通常用微分散射截面来表征物质的拉曼散射能力，微分，微分散射截面的定义为散射截面的定义为一块厚度为一块厚度为l的介质，在的介质，在s频率上发射的散射光的功频率上发射的散射光的功率率P(s)为为入射光的入射光的总强度总强度单位体积内单位体积内的分子数的分子数收集立体收集立体22Laser spectroscopy and its application通常用微分散射截面来表征物质的拉曼散射能力，微分散射截面的定表7-1 几种分子的拉曼频移与微分截面物质激发波长nm频移R(cm-1)微分截面(d/d)10-29cm2mol-1-1苯(C6H6)632,8514.5488.09920.8000.0292.570.083.250.10氯苯(C6H5CH3)632,8514.5488.010020.3530.0131.390.051.830.06硝基苯(C6H5NO2)632,8514.5488.013451.570.069.000.2910.30.4CS2694.3632,8514.5488.06560.7550.590.0343.270.104.350.13CCl4632,8514.5488.04590.6280.0231.780.062.250.0723Laser spectroscopy and its application表7-1 几种分子的拉曼频移与微分截面物质激发波长频移微分图7-7 拉曼散射的四种类型3.2 共振拉曼散射共振拉曼散射正常拉曼散射、预共振拉曼散射、分列共振拉曼散射与连续共振拉曼散射四类正常拉曼散射、预共振拉曼散射、分列共振拉曼散射与连续共振拉曼散射四类24Laser spectroscopy and its application图7-7 拉曼散射的四种类型3.2 共振拉曼散射正常拉曼散当拉曼散射的中间态与分子的真实本征态发生重合时，拉曼散射的截面会大大增加。其实，根据能级的跃迁情况，拉曼散射可以分为：拉曼散射可以分为：正常拉曼散射：正常拉曼散射：在虚态与任何电子态相距远离时的情况；预预拉拉曼曼散散射射：当虚态接近于激发电子态的振动和转动本征态的情况。共共振振拉拉曼曼散散射射：当虚态位于激发电子态的振动和转动本征态上的情况。连连续续共共振振拉拉曼曼散散射射：而当虚态处在离解限上面的连续区内时的情况。3.2 共振拉曼散射共振拉曼散射25Laser spectroscopy and its application当拉曼散射的中间态与分子的真实本征态发生重合时，拉曼散射的截在共振拉曼情况下，对应的量子力学表达式为：在共振拉曼情况下，对应的量子力学表达式为：I0与与L为入射激光的强度与它的频率，为入射激光的强度与它的频率，R为拉曼振动频移，为拉曼振动频移，c为光速为光速i和和j可以为可以为x、y或或z，ij为极化张量元为极化张量元26Laser spectroscopy and its application在共振拉曼情况下，对应的量子力学表达式为：I0与L为入射激Ri和和Rj为为相相应应态态间间的的跃跃迁迁矩矩阵阵元元，当当0=r-m时时，而而态态r处处在在连连续续区区，则则入入射射光光被被吸吸收收并并产产生生共共振振拉拉曼曼散散射射，r为为中中间间态态的的衰衰减减常常数数。当当发发生生共共振振拉拉曼曼散散射射时时，第第一一项项的的分分母母仅仅剩剩下下r，说说明明在在共共振振区区中中大大大大地地增增大大了了。一一般般共共振振拉拉曼曼散散射射线线的的强强度度可可比比正正常常拉拉曼曼谱谱线线的的强强度度增增加加104106倍倍，所所以以在共振拉曼散射对于实际的光谱研究是很有意义的在共振拉曼散射对于实际的光谱研究是很有意义的。对对于于近近共共振振拉拉曼曼散散射射或或共共振振拉拉曼曼散散射射，这这时时态态m与与n之之间间的的极化张量元极化张量元ij为：为：27Laser spectroscopy and its applicationRi和Rj为相应态间的跃迁矩阵元，当0=r-m 时，而态并并不不是是所所有有情情况况下下都都能能得得到到共共振振拉拉曼曼散散射射，如如果果被被测测物物质质在在近近红红外外、可可见见或或紫紫外外光光区区没没有有电电子子吸吸收收带带，也也就就无无法法达达到到共共振振条条件件；某某些些物物质质在在这这些些光光谱谱区区虽虽有有电电子子吸吸收收带带，但但在在激激光光激激发发下下具具有有强强烈烈的的荧荧光光发发射射，形形成成了了对对拉拉曼曼散散射射的的干干扰扰，甚甚至至对对拉拉曼曼谱谱产产生生湮湮灭灭的的现现象象；某某些些物物质质激激光光照照射射下下会会出出现现光光化反应化反应。28Laser spectroscopy and its application并不是所有情况下都能得到共振拉曼散射，如果被测物质在近红外、4.1 4.1 一般装置一般装置拉拉曼曼散散射射装装置置基基本本上上是是相相同同的的：样样品品池池、激激光光照照射射系系统统、散散射射光光收收集集与与分分光光系系统统、信信号号处处理理系系统统等等部部分组成。分组成。4 激光拉曼光谱实验装置激光拉曼光谱实验装置29Laser spectroscopy and its application4.1 一般装置4 激光拉曼光谱实验装置29Laser s 激激光光光光源源通通常常采采用用He-Ne激激光光器器的的632.8nm和和氩氩离离子子激激光光器器的的514.5nm固固定定波波长长的的激激光光谱谱线线。如如果果进进行行共共振振拉拉曼曼激激光光测测量量，使使用用氩氩离离子子激激光光泵泵浦浦的的染染料料激激光光器器，然后调谐，然后调谐激光波长来寻找合适的共振拉曼能级。激光波长来寻找合适的共振拉曼能级。近近年年为为了了进进行行生生物物大大分分子子等等方方面面的的研研究究，采采用用高高功功率率准准分分子子激激光光泵泵浦浦染染料料激激光光，并并经经BBO晶晶体体与与KDP晶晶体体倍倍频频，可可获获得得从从220-970nm波波段段范范围围内内连连续续可可调调的的激激发发光光源源,为为开开展展生生物物大大分分子子与与其其它它分分子子相相互互作作用用的紫外拉曼光谱提供有效的研究手段。的紫外拉曼光谱提供有效的研究手段。4.1.1 激光照射系统激光照射系统30Laser spectroscopy and its application 激光光源通常采用He-Ne激光器的632.8nm和氩 与与吸吸收收光光谱谱中中采采用用的的方方法法相相同同，在在拉拉曼曼光光谱谱技技术术中中也也可可以以将将样样品品放放在在激激光光腔腔内内，或或放放在在激激光光腔腔外外。将将样样品品放放入入激激光光腔腔内内时时，检检测测灵灵敏敏度度将将会会显显著著地地增增加加。然然而而，内内腔腔工工作作方方式式只只对对于于对对于于弱弱吸吸收收的的样样品品适适用用，对对于于大大多多数数样样品品，特特别别是是液液体体、固体等物质，一般都置于激光腔外固体等物质，一般都置于激光腔外。4.1.2 样品池样品池31Laser spectroscopy and its application 与吸收光谱中采用的方法相同，在拉曼光谱技术中也可以将几种拉曼池旋转装置32Laser spectroscopy and its application几种拉曼池旋转装置32Laser spectroscopy 通通常常，拉拉曼曼散散射射信信号号是是十十分分微微弱弱的的。例例如如，当当激激光光束束的的功功率率为为1W时时，光光电电倍倍增增管管上上接接收收到到的的拉拉曼曼散散射射功功率率仅仅为为10-1010-11W。为为了了尽尽可可能能的的获获得得大大的的拉拉曼曼散散射射信信号号，需需要要提提高高对对散散射射光光的的收收集集率率，因因此此，透透镜镜L2的的设设计计要要考考虑虑到到最最佳佳的的收收集集立立体体角角，并并要要和和单色仪的收集立体角相匹配。单色仪的收集立体角相匹配。4.1.3 散射光的收集与分光系统散射光的收集与分光系统33Laser spectroscopy and its application通常，拉曼散射信号是十分微弱的。例如，当激光束的功率为1W时分光系统一般采用光栅单色仪。对单色仪的要求分光系统一般采用光栅单色仪。对单色仪的要求是分辨率。单色仪分辨能力决定于单色仪本身的分辨是分辨率。单色仪分辨能力决定于单色仪本身的分辨率、色散和狭缝宽度。除了分辨率外，分光系统还要率、色散和狭缝宽度。除了分辨率外，分光系统还要有优良的抑制杂散光的能力，为此，常将两个单色仪有优良的抑制杂散光的能力，为此，常将两个单色仪组成双联单色仪，甚至组成三联单色仪。当采用双联组成双联单色仪，甚至组成三联单色仪。当采用双联单色仪时，它的分辨率可达单色仪时，它的分辨率可达0.5cm-1，杂散光为，杂散光为10-11W.34Laser spectroscopy and its application分光系统一般采用光栅单色仪。对单色仪的要求是分辨率。单色仪分近近来来在在光光谱谱仪仪上上的的一一个个重重要要的的改改进进是是采采用用阶阶梯梯光光栅栅。阶阶梯梯光光栅栅具具有有很很高高的的色色散散率率，但但是是对对不不同同级级次次的的重重迭迭不不能能很很好好解解决决。现现在在可可采采用用CCDCCD检检测测器器，它它与与阶阶梯梯光光栅栅组组成成直直角角的的低低分分辨辨率率光光栅栅，能能使使不不同同级级次次相相互互错错开开。这这种种光光谱谱仪仪的的还还具具有有覆覆盖盖范范围围宽宽的的优优点点，一一次次采集就以高分辨率覆盖全部的振动模频率范围。采集就以高分辨率覆盖全部的振动模频率范围。35Laser spectroscopy and its application近来在光谱仪上的一个重要的改进是采用阶梯光栅。阶梯光栅具有很 现现代代的的激激光光拉拉曼曼光光谱谱仪仪通通常常采采用用光光电电技技术术方方法法处处理理散散射射信信号号，这这是是将将光光电电倍倍增增管管安安装装于于单单色色仪仪的的出出光光口口。信信号号处处理理系系统统包包括括直直流流放放大大器器或或光光子子计计数数器器、记记录录仪仪等等部部分分。对对于于信信号号较较强强的的拉拉曼曼光光谱谱，可可在在光光电电倍倍增增管管输输出出直直接接送送到到放放大大器器进进行行放放大大，而而对对于于微微弱弱的的拉拉曼曼信信号号则则进进入入单单光光子子计计数数器器，这这时时光光电电倍倍增增管管的的选选择择要要符符合合单单光光子子计计数数的的要要求求。在在现现代代的的激激光光拉拉曼曼光光谱谱仪仪中中还还常常采采用用计计算算机机控控制制技技术术，使使拉拉曼信号的采集、处理与定标等集于一身曼信号的采集、处理与定标等集于一身。4.1.4 信号处理系统信号处理系统36Laser spectroscopy and its application 现代的激光拉曼光谱仪通常采用光电技术方法处理散射信号用激光激发分子，不可避免产生荧光发射，特别用激光激发分子，不可避免产生荧光发射，特别共振拉曼涉及到在电子吸收带附近的激发，分子发射共振拉曼涉及到在电子吸收带附近的激发，分子发射的荧光的波长也往往与拉曼线波长相近，因此造成对的荧光的波长也往往与拉曼线波长相近，因此造成对拉曼检测的强烈干扰。拉曼检测的强烈干扰。解决荧光干扰办法：添加适当的猝灭剂使荧光猝解决荧光干扰办法：添加适当的猝灭剂使荧光猝灭；将样品冷却；用基质隔离减弱荧光；适当改变激灭；将样品冷却；用基质隔离减弱荧光；适当改变激发波长，使拉曼线与荧光线分离。发波长，使拉曼线与荧光线分离。4.2 荧光干扰的消除荧光干扰的消除(1)37Laser spectroscopy and its application用激光激发分子，不可避免产生荧光发射，特别共振拉曼涉及到在电4.2 荧光干扰的消除荧光干扰的消除(2)Laser spectroscopy and its application38在在实实验验技技术术上上采采用用时时间间鉴鉴别别技技术术，从从测测量量时时间间上上避避开开对对发发射射荧荧光光的的接接收收。原原因因：荧荧光光发发射射是是受受激激分分子子在在荧荧光光寿寿命命的的时时间间内内的的再再发发射射过过程程，拉拉曼曼散散射射是是在在由由测测不不准准关关系系所所确确定定的的时时间间内内对对分分子子振振动动态态的的布布居居过过程程。由由此此可可见见，拉拉曼曼发发射射很很快快，约约10-14s，荧荧光光寿寿命命则则要要长长得得多多，通通常常在在10-810-12s范范围围内内。在在时时间间分分辨辨拉拉曼曼测测量量中中，通通常常可可以以采采用用锁锁模模激激光光器器产产生生的的超超短短脉脉冲冲激激发发，使使用用具具有有电电子子快快门门的的光光子子计计数数器器处处理理，就就可可实实现现时时间间鉴别，把拉曼光谱信号从强荧光背景中提取出来。鉴别，把拉曼光谱信号从强荧光背景中提取出来。4.2 荧光干扰的消除(2)Laser spectrosco当当激激发发光光很很强强时时，原原子子可可以以同同时时吸吸收收两两个个光光子子乃乃至至多多个个光光子子而而从从低低能能态态跃跃迁迁到到高高能能态态。在在拉拉曼曼光光谱谱中中也也会会出出现现相相类类似似情情况况，当当入入射射激激光光0的的功功率率增增强强时时，在在散散射射光光中中会会出出现现频频率率为为20R，甚甚至至为为30R的的分分量量，为为区区别别于于0R的的正正常常拉拉曼曼散散射射，它它们们被被称称为为超超拉拉曼曼散散射射。超超拉拉曼曼散散射射谱谱线线很很弱弱，一一般般仅仅为为入入射射光光强强度度的的10-13。与与正正常常拉拉曼曼散散射射的的命命名名方方式式相相同同，将将频频率率降降低低的的20-R分分量量称称为为超超拉拉曼曼斯斯托托克克斯斯线线，频频率率升高的分量升高的分量20+R称为称为超拉曼反斯托克斯线超拉曼反斯托克斯线。5 超拉曼散射超拉曼散射39Laser spectroscopy and its application当激发光很强时，原子可以同时吸收两个光子乃至多个光子而从低能与与双双光光子子吸吸收收相相像像，超超拉拉曼曼散散射射也也是是一一个个三三光光子子过程过程。但是但是超拉曼散射与双光子吸收有本质的差别超拉曼散射与双光子吸收有本质的差别：在在双双光光子子吸吸收收中中只只有有中中间间能能级级是是虚虚能能级级，它它的的上上能级是一个分子的本征能级能级是一个分子的本征能级；而而在在超超拉拉曼曼散散射射过过程程中中，分分子子在在吸吸收收两两个个入入射射光光子子hL与与散散射射一一个个光光子子h(2LR)的的过过程程中中都都涉涉及及了了虚能级，即存在两个虚能级。虚能级，即存在两个虚能级。40Laser spectroscopy and its application与双光子吸收相像，超拉曼散射也是一个三光子过程。40Lase超拉曼散射能级图，超拉曼散射能级图，a-a-超拉曼散射，超拉曼散射，b-b-双光子荧光双光子荧光41Laser spectroscopy and its application超拉曼散射能级图，a-超拉曼散射，b-双光子荧光41Lase超拉曼散射光谱的实验装置与普通拉曼光谱仪没超拉曼散射光谱的实验装置与普通拉曼光谱仪没有本质差异。只是因为超拉曼散射比普通拉曼散射有本质差异。只是因为超拉曼散射比普通拉曼散射更弱，因此从单色仪出射的超拉曼线一般都用光子更弱，因此从单色仪出射的超拉曼线一般都用光子计数处理。有时，为了不使测试时间拉长，可以采计数处理。有时，为了不使测试时间拉长，可以采用光学多道光谱处理系统。用光学多道光谱处理系统。42Laser spectroscopy and its application超拉曼散射光谱的实验装置与普通拉曼光谱仪没有本质差异。只是因 出出现现超超拉拉曼曼散散射射的的条条件件是是(/q)00，与与正正常常拉拉曼曼散散射射的的选选择择定定则则不不同同，在在具具有有中中心心对对称称的的分分子子中中，超超极极化化率率可可以以为为零零，在在散散射射光光中中不不会会出出现现超超瑞瑞利利散散射射光光，这这对对于于接接收收超超拉拉曼曼散散射射特特别别有有利利。此此外外，有有些些对对于于红红外外与与正正常常拉拉曼曼都都是是非非活活性性振振动动，但但对对于于超超拉拉曼曼散散射射却却是是活活性性的的。比比如如乙乙烷烷C2H6，乙乙烷烷分分子子属属于于D3d点点群群，具具有有中中心心对对称称，所所以以没没有有超超瑞瑞利利线。线。43Laser spectroscopy and its application 出现超拉曼散射的条件是(/q)00乙烷乙烷C2H6的超拉曼线的超拉曼线44Laser spectroscopy and its application乙烷C2H6的超拉曼线44Laser spectroscop表表面面增增强强拉拉曼曼散散射射(Surface-Enhanced Raman Scattering-SERS)是是一一种种高高灵灵敏敏度度的的拉拉曼曼散散射射检检测测技技术术。SERS现现象象是是：当当分分子子吸吸附附在在某某种种金金属属表表面面时时，其其散散射射截截面面比比不不吸吸附附时时增增大大好好几几个个数数量量级级，例例如如当当吡吡啶啶分分子子吸吸附附于于银银电电极极表表面面时时，其其散散射射截截面面比比常常态态吡啶分子增大了吡啶分子增大了5-6个数量级。其主要特点表现为：个数量级。其主要特点表现为：表表面面增增强强拉拉曼曼散散射射与与吸吸附附金金属属种种类类有有关关，目目前前发发现现有有表表面面增增强强效效应应的的金金属属有有：金金、铜铜、银银、锂锂、钠、钾等，其中以银的增强效应最显著；钠、钾等，其中以银的增强效应最显著；6 表面增强拉曼光谱表面增强拉曼光谱45Laser spectroscopy and its application表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Rama与吸附金属表面的粗糙度有关，当金属表面与吸附金属表面的粗糙度有关，当金属表面具有微观具有微观(原子尺度原子尺度)或亚微观或亚微观(纳米尺度纳米尺度)结构时，结构时，才有表面增强效应；才有表面增强效应；正常拉曼散射光的强度与激发光的频率的四正常拉曼散射光的强度与激发光的频率的四次方成正比，而对表面增强拉曼散射这一关系并不次方成正比，而对表面增强拉曼散射这一关系并不成立，表现为宽频带的共振关系；成立，表现为宽频带的共振关系；表面增强拉曼散射与分子的振动模式有关，表面增强拉曼散射与分子的振动模式有关，振动模式不同，增强因子也不同；振动模式不同，增强因子也不同；46Laser spectroscopy and its application与吸附金属表面的粗糙度有关，当金属表面具有微观(原子尺度)由由于于表表面面增增强强拉拉曼曼散散射射有有很很高高的的灵灵敏敏度度，因因此此在在表表面面吸吸附附、催催化化、防防腐腐、电电化化学学、感感光光等等领领域域获获得了重要的应用得了重要的应用。目目前前出出现现了了将将表表面面增增强强拉拉曼曼散散射射与与显显微微镜镜相相结结合合技技术术，做做出出超超细细银银丝丝的的探探针针电电极极，这这种种探探针针能能有有选选择择地地增增强强细细丝丝针针尖尖周周围围的的微微小小区区域域的的信信号号，它它们们在生物学研究中特别有用。在生物学研究中特别有用。47Laser spectroscopy and its application由于表面增强拉曼散射有很高的灵敏度，因此在表面吸附、催化、防Laser spectroscopy and its application48但是：表面增强拉曼散射的理论还不完善但是：表面增强拉曼散射的理论还不完善表面增强拉曼表面增强拉曼散射的理论散射的理论物理方面物理方面化学方面化学方面Laser spectroscopy and its app在在物物理理方方面面：假假设设表表面面是是由由一一些些与与入入射射波波长长相相当当的的金金属属球球组组成成，当当入入射射光光子子和和金金属属球球相相互互作作用用时时，金金属属球球的的电电子子产产生生位位移移，因因而而产产生生振振荡荡偶偶极极子子并并发发射射拉拉曼曼光光。振振荡荡偶偶极极子子有有自自己己的的固固有有振振荡荡频频率率，振振荡荡频频率率的大小决定于金属的种类与颗粒的形状与大小的大小决定于金属的种类与颗粒的形状与大小。固固体体理理论论中中，常常用用等等离离子子体体描描述述金金属属中中自自由由电电子子气气的的集集体体振振动动。在在忽忽略略阻阻尼尼的的时时，它它的的振振动动频频率率为为=4Ne2/m。49Laser spectroscopy and its application在物理方面：假设表面是由一些与入射波长相当的金属球组成，当入对对于于金金、铜铜、银银等等金金属属，它它们们位位于于可可见见到到近近红红外外区区，当当入入射射光光的的频频率率和和振振荡荡偶偶极极子子的的固固有有振振荡荡频频率率相相等等时时，就就产产生生共共振振效效应应。理理论论认认为为，对对于于阻阻抗抗较较大大的的d区区过过渡渡族族金金属属，拉拉曼曼散散射射的的增增强强效效应应不不会会很很大大，而而在在入入射射光光作作用用下下几几乎乎可可以以产产生生自自由由电电子子的的金金属属，即即金金、铜铜、银银、锂锂、钠钠、钾钾等等，如如实实验验结结果果那那样样，应应有有很很强强的的增增强强拉拉曼曼散散射射效效应应。这这种种模模型型被被称称为为等等离离子子体体共共振振模模型型，此此外外还还有有所所谓谓镜镜象象场场模模型型与与天天线线共振模型等多种理论。共振模型等多种理论。50Laser spectroscopy and its application对于金、铜、银等金属，它们位于可见到近红外区，当入射光的频率从从化化学学方方面面：分分子子极极化化率率的的增增强强与与膜膜层层及及基基体体的的相相互互作作用用有有关关。膜膜层层分分子子与与金金属属基基体体间间发发生生电电荷荷转转移移，形形成成了了化化学键学键，使，使极化率极化率增加增加。51Laser spectroscopy and its application以以金金属属铜铜吸吸附附吡吡啶啶为为例例，吡吡啶啶分分子子有有充充满满电电子子的的轨轨道道和和空空*轨轨道道，Cu的的外外层层电电子子的的排排列列为为3d104s1，在在可可见见光光子子的的作作用用下下，充充满满电电子子的的3d轨轨道道有有一一个个电电子子跃跃迁迁到到吡吡啶啶分分子子的的空空*轨轨道道上上。这这种种电电子子迁迁移移会会使使Cu的的极极化化程程度度增增强强，从从而而增增强强了了拉拉曼曼散散射射。在在对对吡吡啶啶分分子子在在银银胶胶体体溶溶液液中中的的吸吸附附研研究究表表明明，吡吡啶啶分分子子在在银银胶胶体体表表面面吸吸附附有有“平平躺躺”和和“竖竖立立”两两种种状状态态。当当吡吡啶啶分分子子“平平躺躺”于于银银胶胶体体表表面面时时，认认为为是是依依靠靠吡吡啶啶分分子子的的键键上上的的电电子子与与银银表表面面的的作作用用。当当吡吡啶啶分分子子“竖竖立立”在在银银胶胶体体表表面面时时，是是依依靠靠吡吡啶啶氮氮原原子子上上提提供供的的孤孤对电子与银成健的维系作用。后者比前者更为稳定。对电子与银成健的维系作用。后者比前者更为稳定。从化学方面：分子极化率的增强与膜层及基体的相互作用有关。膜自自发发拉拉曼曼散散射射光光的的强强度度是是相相当当弱弱(自自发发拉拉曼曼效效应应是是一一阶阶线线性性极极化化效效应应)。实实验验发发现现，随随着着激激光光功功率率的的提提高高，由由强强激激光光电电场场诱诱导导的的二二次次以以上上的的高高阶阶极极化化现现象象越越来来越越显显著著，产产生生了了一一些些具具有有良好的方向性与良好的方向性与相干性拉曼散射光相干性拉曼散射光(相干拉曼散射相干拉曼散射)。相相干干拉拉曼曼散散射射现现象象有有：受受激激拉拉曼曼散散射射(SRS)(SRS)、受受激激拉拉曼曼增增益益散散射射(SRGS)(SRGS)与与逆逆拉拉曼曼散散射射(IRS)(IRS)、相相干干斯斯托托克克斯斯拉拉曼曼散散射射(CSRS)(CSRS)与与反反斯斯托托克克斯斯线线拉拉曼曼散散射射(CARS)(CARS)、拉拉曼曼诱诱导导克克尔尔效效应应(RIKES)(RIKES)等等。这这些些拉拉曼曼散散射射现现象象的的共共同同特特点点是是信信号号强强度度大大，可可比比自自发发拉拉曼曼散散射射光光的的强强度度提提高高10109 9量量级级。用用相相干干拉拉曼曼散散射射进进行行光光谱谱测测量量，发现了一些用自发拉曼散射无法发现的光谱信息。发现了一些用自发拉曼散射无法发现的光谱信息。第二节第二节 相干反斯托克斯拉曼散射光谱相干反斯托克斯拉曼散射光谱52Laser spectroscopy and its application自发拉曼散射光的强度是相当弱(自发拉曼效应是一阶线性极化效应经典的方法处理拉曼散射时，将入射光对分子作用经典的方法处理拉曼散射时，将入射光对分子作用看成为使分子产生诱导偶极矩：看成为使分子产生诱导偶极矩：1 三阶非线性极化系数三阶非线性极化系数线性项线性项线性极化率线性极化率自发拉曼散射自发拉曼散射电场的平方项电场的平方项超拉曼散射超拉曼散射超瑞利散射超瑞利散射二次谐波、和频与二次谐波、和频与差频等等混频差频等等混频三次非线性项三次非线性项相干拉曼散射相干拉曼散射三次谐波三次谐波53Laser spectroscopy and its application经典的方法处理拉曼散射时，将入射光对分子作用看成为使分子产生忽略常数项，可把诱导偶极矩诱导偶极矩改写为(1)、(2)、(3)分别为一阶、二阶和三阶极化率张量。极化强度P与感应偶极矩的关系为N为分子密度，为表示宏观作用场与介质中局域场关系的因子。大多数光学折射率接近于1的物质，宏观作用场与局域场是相等的。因此有54Laser spectroscopy and its application忽略常数项，可把诱导偶极矩改写为(1)、(2)、对于三阶张量对于三阶张量(3)，它的计算要用，它的计算要用到量子力学，推导过程及表达式到量子力学，推导过程及表达式比较复杂，为简单起见，不考虑比较复杂，为简单起见，不考虑极化率的张量性质，而把它看作极化率的张量性质，而把它看作为标量。在这种情况下，三阶极为标量。在这种情况下，三阶极化强度化强度有：有：55Laser spectroscopy and its application对于三阶张量(3)，它的计算要用到量子力学，推导过程及表达三三阶极化强度阶极化强度P(3)(r,t)的非线性的非线性现象有如下特点：现象有如下特点：三阶非线性现象与介质的对称性无关；三阶非线性现象与介质的对称性无关；参参与与三三阶阶非非线线性性光光学学过过程程是是四四光光子子过过程程，通通称称为为四四波波混混频频。三三个个光光子子来来自自入入射射波波，另另一一个个光光子子为为新新产生的，因此产生的，因此(3)是四个光子频率的函数；是四个光子频率的函数；其其三三个个入入射射光光子子的的频频率率可可以以是是相相等等的的，也也可可以以不不等等。四四波波的的混混频频过过程程便便产产生生出出众众多多的的频频率率分分量量，它它们分别对应不同的非线性光学现象。们分别对应不同的非线性光学现象。56Laser spectroscopy and its application三阶极化强度P(3)(r,t)的非线性现象有如下特点：56L与与(3)相关的非线性光学现象有：相关的非线性光学现象有：三三次次谐谐波波：(3)(3,)，产产生生频频率率为为入入射射波波频频率率三三倍倍的的谐谐波；波；四四波波混混频频：(3)(1+23,1,2,3)，产产生生频频率率为为两两束束光光的的频率之和并与第三束光混频的谐波；频率之和并与第三束光混频的谐波；拉曼散射：拉曼散射：(3)(R,R),R为为分子振动频率分子振动频率；光光克克尔尔效效应应：(3)(,-)，在在拉拉曼曼介介质质内内由由激激光光诱诱导导产产生生的双折射效应；的双折射效应；布布里里渊渊散散射射：(3)(,-,)，这这是是入入射射光光对对介介质质声声振振动的散射，动的散射，为声子频率，其频率范围在为声子频率，其频率范围在1010Hz；双光子吸收：双光子吸收：(3)(,-,)，入射光对分子的双光子激发。，入射光对分子的双光子激发。57Laser spectroscopy and its application与(3)相关的非线性光学现象有：57Laser spec相相干干反反斯斯托托克克斯斯与与斯斯托托克克斯斯拉拉曼曼散散射射是是一一种种特特殊殊三三阶阶非非线线性性混混频频现现象象。设设有有频频率率为为1和和2的的两两束束激激光光入入射射到到样样品品上上，假假定定12，并并且且1激激光光有有足足够够强强度度。当当满满足足1-2=R是是拉拉曼曼活活性性振振动动或或转转动动跃跃迁迁的的频频率率时时，三三阶阶极极化化系系数数将将产产生生效效率率很高的混频。混频产生频率为很高的混频。混频产生频率为3的拉曼散射光的拉曼散射光2 相干反斯托克斯与斯托克斯拉曼散射相干反斯托克斯与斯托克斯拉曼散射相干斯托克斯相干斯托克斯(CSRS)散射散射相干反相干反斯托克斯斯托克斯(CARS)散射散射58Laser spectroscopy and its application相干反斯托克斯与斯托克斯拉曼散射是一种特殊三阶非线性混频现象这这种种非非线线性性混混频频是是两两个个1光光子子与与一一个个2光光子子间间的的混混频频，由由于于混混频频效效率率很很高高，混混频频产产生生的的3拉拉曼曼散散射射光光强强度度高高，方方向向性性好好，具具有有相相干干性性。由由于于CSRS频频率率3既既低低于于频频率率2和和1，同同时时分分子子受受激激发发射射的的荧荧光光也也低低于于激激发发光光频频率率，因因此此在在CSRS散散射射光光测测量量中中容容易易受受到到荧荧光光干干扰扰。显显然然，采采用用CSRS散散射射方方法法是是有有缺缺陷陷的的。而而CARS散散射射的的频频率率既既高高于于频频率率2和和1，因因此此在在CARS散射的测量中避开了荧光散射的测量中避开了荧光干扰。干扰。59Laser spectroscopy and its application这种非线性混频是两个1光子与一个2光子间的混频，由于混频CARS过程能级图60Laser spectroscopy and its applicationCARS过程能级图60Laser spectroscopy 进进行行CARS光光谱谱实实验验需需要要两两束束激激光光，一一束束为为频频率率L的的泵泵浦浦光光，另另外外一一束束为为斯斯托托克克斯斯频频率率光光s，是是通通过过对对差差频频L-s扫扫频频获获得得CARS拉拉曼曼光光谱谱，因因此此两两束束激激光光中中要要有有一一束束的的频频率率是是可可调调谐谐的的。由由于于拉拉曼曼信信号号的的强强度度IAS比比例例于于IL2Is，因因此此在在CARS光光谱谱实实验验中中要要用用强强激激光光泵泵浦浦，利利于于增增强强信信号号，通通常常还还常常将将光光束束聚聚焦焦成成50-200m大大小小的的光光斑斑。然然而而，当当激激光光太太强强时时，会会在在聚聚焦焦光光斑斑处处出出现现光光学学击击穿穿或或由由强强激激光光电电场场诱诱导导产产生生动动态态斯斯塔塔克克效效应应，所所以以应应有有一一个个最最大大聚聚焦焦强强度度的限制值。的限制值。3 实验与应用实验与应用61Laser spectroscopy and its application进行CARS光谱实验需要两束激光，一束为频率L的泵浦光，另在在CARS光光谱谱实实验验中中，一一些些常常见见的的脉脉冲冲染染料料激激光光器器，如如氮氮分分子子、准准分分子子激激光光等等泵泵浦浦的的染染料料激激光光都都可可以以使使用用，但但是是习习惯惯上上Nd:YAG激激光光器器用用得得最最多多。通通常常将将YAG激激光光的的二二次次谐谐波波（532nm）作作为为频频率率L固固定定的的泵泵浦浦光光束束，而而用用它它泵泵浦浦染染料料产产生生的的可可调调谐谐激激光光为为斯斯托托克克斯斯频频率率光光s。两两束束光光的的脉脉冲冲功功率率都都在在1MW以以上上，并并要要求有高质量的光束，重复频率也较高，常用求有高质量的光束，重复频率也较高，常用10-30Hz。62Laser spectroscopy and its application在CARS光谱实验中，一些常见的脉冲染料激光器，如氮分子、准l对对于于凝凝聚聚介介质质，1-3，出出射射的的CARS光光束束与与入入射射光光也也有有一一夹角夹角。l对对于于无无色色散散的的低低压压气气体体，0，这这时时，出出射射的的CARS光光束束则则与入射的聚焦光束是共线的。与入射的聚焦光束是共线的。CARS光谱实验原理图63Laser spectros