摘 要

印度科学家C.V.拉曼于1928年的时候所发现的拉曼散射效应，是因为入射光子和分子碰撞的时候,分子的振动能量或者转动能量与光子能量叠加所导致的。这一效应也打开了对分子结构钻研的一扇大门，20世纪30年代的时候，拉曼光谱是研究微观分子结构，进行光谱分析的主要手段。21世纪是一个方方面面迅速发展的时代，面对层出不穷的新材料，化合物，拉曼光谱分析无疑是一种非常好的观测手段。

本课题是设计一个简易的拉曼测量仪用于进行拉曼散射光测量，用于进行材料的拉曼光散射测量和光谱分析以确定其结构。创新点在于使用透镜进行光束聚集，而不是使用反射镜。

关键字：拉曼，散射，光谱分析

Abstract

In 1928，an Indian scientist, C.V. Raman, found Raman scattering effect. When a photon runs into a molecular, the molecular vibration energy and rotational energy react with photon energy. This effect also opens the door to the molecular structure study, which is the main method of molecular structure analysis in the 1930s. In 21st century, for new materials and compounds analysis, Raman spectroscopy is still a good method.

This paper is to design a simple Raman spectrum measuring setup，which is used for Raman scattering measurement to determine the structure of different materials.The point of the Raman spctrum is using lenses to gather light, rather than using mirrors.

Key Words：Raman,scattering,Spectral analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 拉曼效应的发现 1

1.2 拉曼光测量仪发展 1

1.3 国内外发展现状 2

1.4 拉曼光谱仪的应用 3

第2章 拉曼效应原理 5

2.1 散射 5

2.2 拉曼效应量子解释 6

2.3 拉曼光谱仪分类 7

第3章 设计 9

3.1 总体设计 9

3.2 各部分设计 9

3.2.1 激光器光路部分 9

3.2.2 拉曼光路 11

3.2.3 CCD 11

3.3 仿真分析 13

3.3.1 Zemax介绍 13

3.3.2 部件分析 13

3.3.3 总体连接 17

3.4 系统特点 18

3.5 结果预测与改进 18

第4章 总结 22

参考文献 23

致 谢 24

第1章 绪论

拉曼光谱测量仪用于检测待测物因拉曼效应产生的拉曼散射光，通过对拉曼散射光的分析来获得待测物的物质结构等信息。拉曼光谱测量仪被广泛应用于物质分析、医药检测等领域，发挥了重要的作用。

1.1 拉曼效应的发现

在1928年时，印度物理学家拉曼进行了水银灯照射苯溶液的试验，他发现了一种前人没有观察到的情况，即为发现了与入射光光功率不同的散射光，这种出现其他光功率散射光的情况又被称为了拉曼散射，测得的光谱被叫做拉曼散射光光谱。同时，由于发现了拉曼散射现象，拉曼成为了1930年的诺贝尔物理学奖得主。

1.2 拉曼光测量仪发展

拉曼散射在被拉曼发现之后，人们快速发现了其意义，但是当时的拉曼光测量仪普遍使用汞弧灯用于提供照射待测物的光，使得拉曼散射的应用与发展非常迟缓，汞弧灯利用两根电极在气体中通电后分开产生的放电电弧发光。这种光的单色性非常差，能量低，同时方向性也很不好，照射在介质上激发的拉曼散射光同样也非常弱，甚至强度在入射光的光强的百万分之一，非常难以被检测出来，这种光源制约了拉曼光测量仪的使用与发展。直到30年之后，小朵梅曼，一位美国物理学家使用强闪光灯刺激红宝石晶体i，产生了集中的纤细红色光柱，也标志着世界第一台成功运转的激光器诞生了。激光以其高功率、能量聚集、方向性强、单色性好的优点，瞬间取代了汞弧灯，成为了人们普遍使用的拉曼光的入射光源。伍林等人研究^[1]显示了激光光源的出现使得拉曼散射测量仪出现了本质上的发展。同时，光栅单色仪的出现，也加速了拉曼测量技术的研究，当复合光线进入了单色仪入射狭缝时，由光学准直镜将入射的复合光线进行一定的会聚，将其转化为平行光，然后这束平行光会照射到衍射光栅上，衍射光栅存在的色散效应将复合光线按照其波长的不同分开，不同波长的光离开光栅的的时候是被分开的，它们的出射角度是不同的，这时我们可以使用凹面反射镜来进行成像。

在1974年的时候，弗莱希曼等科学家对光滑银电极的表面进行了毛糙化处置之后对这一表面进行了拉曼测量，获得了吸附在银电极表面的吡啶分子的拉曼光谱，且这种拉曼光谱的质量远超直接进行拉曼测量测得的单分子层吡啶分子的拉曼光谱，这种现象可以证明毛糙不光滑的表面对吸附在表面的上分子的拉曼光谱信号有着加强的作用。拉曼光谱测量技术并不需要破坏待测物，需要的待测物量非常少，但是拉曼光谱测量技术也有着其缺点，即有着灵敏度低的缺点，我们可以使用表面增强拉曼技术来克服这种问题，使得拉曼光谱测量对低浓度物质也有反应，获得常规拉曼光谱不易得到的待测物质的信息，因此，这种技术也被广泛应用于研究吸附界面的界面结构以及构象研究等。目前人们比较认同的表面拉曼增强原理可以分为拉曼物理增强机理以及拉曼化学增强机理。物理增强机理主要指表面等离子体共振引起局域电磁场增强，这是因为用作基底的铜银金三种币族元素的s电子以及d电子能隙如果与其他的金属比较则相对较大，使得这三种元素的电子不易发生带间跃迁，当选择合适的激发光波长的时候，可以避免因为带间跃迁引发的能量损失，提高拉曼散射效率。化学增强机理主要表现为拉曼过程里光电场与电子密度是否容易发生形变情况，化学增强机理作用的时候分子处于化学吸附在基底的表面的状态，在这种情况下，待测物质分子会与表面介质、其他共同吸附的分子等发生一定的化学作用，这些化学作用会影响分子的电子散布的情况，甚至引起待测物质与基底的表面分子产生非共振的增强效应，从而影响了其体系的极化率，导致影响了待测物分子的拉曼强度。人们可以利用表面增强拉曼效应将样品的拉曼光谱强度增强1000至1000000倍，有利于进行在表面上的吸附物的状态与结构分析，种晓利等人使用表面拉曼增强技术来研究PATP在Ag/TiO2纳米管基底上的分布和结构情况^[2]。

人们还通过傅里叶变换拉曼实验分离了荧光效应，这也提高了拉曼光谱的分辨率。在1987年的时候，美国的珀金埃尔默股份有限公司（PE公司）研发并且制造出了傅里叶变换拉曼光谱仪，这台光谱仪使用近红外激光激发，是世界上第一台傅里叶拉曼光谱仪。使用近红外激光来照射样品，可以减少荧光等无用光的影响，对于获得的干涉信号，傅里叶变换拉曼光谱仪使用傅里叶变换技术分析信号，这种测量技术允许多次累加测量结果来提高信噪比，可以用于测量血液中葡萄糖含量、分析碳酸钙结构与共聚物、研究金属有机物的结构等。CCD与光纤的发展也提供了更为科学的光分析方法，使用电脑分析CCD接收到的光信息，精度与准确率更高。带色散仪的发明有利于对信号的处理，多道探测器的出现使得同时进行多种波长的光谱分析成为可能。同时，近红外FT拉曼光谱技术的发展让拉曼光谱可以实现过程监控，而人们使用多变量分析法可以对得到的信号进行定量分析，这些仪器与计算方法的进步使得拉曼光谱在高分子科学测量中占据了举足轻重的地位。