LRS-Ш型激光拉曼仪探测本领的综合分析

胡晓书 付 强 刘小雨 蒿凤有

（东北林业大学理学院物理系，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 引言

激光拉曼光谱法作为一种新型无损检测技术，在科学研究和国民经济各领域得到广泛的应用.如在物理学方面应用于发展新型激光器、分子瞬态寿命、产生超短脉冲等研究.在化学方面应用于分子鉴定、分子结构分析、有机和无机分析化学、催化和环境科学等.拉曼光谱实验也是近代物理实验中的重要内容［1］.实验中由于拉曼散射光较弱和噪声干扰等原因，往往无法获得满意的谱图，无法对样品进行准确分析［2］.因此如何获得质量较好的拉曼散射谱是拉曼光谱技术和实验成功的关键.

影响激光拉曼光谱仪性能的有分辨率、光谱响应范围以及响应灵敏度等.其中仪器的分辨率是光谱仪最重要的性能参数之一［3，4］.实验中仪器的出射、入射狭缝宽度，阈值大小，积分时间以及负高压的设置和仪器的分辨率有直接的关系，影响谱图效果［5］.本文以近代物理实验中常用的CCl4样品为例，运用LRS-Ш型激光拉曼光谱仪研究了不同实验参数对谱图效果的影响，使学生对拉曼光谱有更完整的认识，加深学生对拉曼光谱理论的理解，有利于提高学生分析问题解决问题的能力，为以后实验的顺利进行提供参考.

2 实验原理与实验方法

本文采用天津港东生产的LRS-Ш型激光拉曼光谱仪，以倍频YVO3∶Nd激光为光源，光源波长为532.0nm.采用光电倍增管作为拉曼光谱的单通道接收器件，单光子计数器进行信号处理，并应用计算机对谱仪运行进行自动控制、自动信号采集和加工处理.拉曼光谱仪一般由图1所示的五个部分构成［6］.

图1 拉曼光谱仪的基本结构示意图

样品CCl4为四面体结构，碳原子在中心，四个氯原子位于四面体的四个顶点，为Td群结构.根据理论分析，CCl4分子应该有四条基本振动拉曼谱线.实验上对应这四种振动形式的拉曼谱线位移为218cm-1（e对称弯曲振动）、314cm-1（f对称弯曲振动）、459cm-1（α1对称伸缩振动），而762cm-1、790cm-1构成费米共振拉曼线.在拉曼光谱分辨率足够高的情况下，可明显观察到762cm-1、790cm-1这两个光谱峰.本文以这两个共振谱线的可分辨效果来探索光谱仪的探测性能.

3 实验结果和分析

（1）阈值的选取对测量结果的影响

谱图质量灵敏性依赖于甄别电平（阈值）的选取.如果选择过小，则脉冲幅度甄别器无法排除噪声脉冲的干扰，拉曼散射峰将被淹没于噪声之中；而如果选择阈值过大，拉曼散射信号将减弱或被误认为噪声从而被排除.为了选取恰当的阈值，我们研究了阈值在15～23V范围内的拉曼图谱，如图2所示.由图2可以看出，阈值取19V及以下时噪声过大，谱图分辨率降低，当取21～23V时效果不错，其中，取21V谱图效果最佳.

图2 拉曼光谱图随阈值的变化

（2）积分时间对测量结果的影响

积分时间是指采样的曝光时间，即单光子计数器累计光子数的时间.积分时间越长，记下的光电子数就越多，测出来的谱线的峰值强度越强，但测量所用的时间也越长.实验研究了积分时间50～550ms的拉曼光谱如图3所示.由图3可知当积分时间大于350ms时，谱图效果变化不明显，但积分时间小于250ms时谱图分辨率低，谱线半宽度逐渐增加.因此积分时间取350～550ms效果好.

（3）负高压对测量结果的影响

负高压是指光电倍增管的工作电压.调节负高压可以使光电倍增管在特定谱线光强的情况下达到灵敏度和稳定性的最好状态.本实验研究了负高压为6、7、8V的光谱.其中6、7V时接收到的光谱强度过小，无法呈现清晰的光谱图.当负高压为8V时，两光谱峰分立，光谱分辨效果最好.

（4）入射狭缝宽度对测量结果的影响

图3 拉曼光谱图随积分时间的变化

狭缝宽度是影响谱图分辨率的主要因素.在出射狭缝宽度调为0.15mm，阈值为21V，积分时间为400ms，负高压为8V的情况下，入射狭缝从0.05mm逐渐增加到0.4mm，测得CCl4的762cm-1，790cm-1两个光谱峰.所得结果如图4所示，图5、图6是谱线的半宽度随入射狭缝宽度变化的关系曲线.

由图4可知，随着入射狭缝宽度的增加，光谱强度增大.当入射缝宽低于0.05mm时，光谱强度太弱，而当缝宽大于0.20mm时，分辨率下降，双峰有重合趋势.因此，取0.10～0.20mm最优.图5、图6显示谱线的半宽度随入射狭缝宽度增加呈不规则变化.入射狭缝宽度为0.10～0.20mm时半宽度具有最小值，说明此时仪器分辨率最高，和拉曼光谱图的结果相一致.

图6 谱线（左）半宽度随入射狭缝宽度的变化

（5）出射狭缝宽度对测量结果的影响

图7是对CCl4分子762cm-1、790cm-1两个光谱峰的测量.将入射狭缝宽度固定为0.15mm，阈值是21V，积分时间是400ms，负高压是8V.调节出射狭缝的宽度，范围从0.05mm开始逐渐增大，每次改变0.05mm，一直到0.4mm为止.图8、图9分别给出了谱线半宽度随出射狭缝宽度的变化情况.

由图7-图9可以看出，出射缝宽低于0.05mm时，光谱强度太弱，谱图分辨率过低，半宽度具有较大值.当出射狭缝宽度为0.10～0.20mm时，光谱图层次分明，半宽度有较小值，仪器分辨率很高.而当出射狭缝宽度大于0.20mm时，谱线的不稳定性增加，谱线上出现锯齿状的噪音，此时谱线半宽度也逐渐增加，表明仪器分辨率迅速下降.

图9 谱线（左）半宽度随出射狭缝宽度的变化

4 结论

实验研究了LRS-Ш型激光拉曼仪的探测本领，给出了光谱随狭缝宽度、阈值大小、积分时间和负高压变化规律.仪器的最佳工作条件是：入射、出射狭缝宽度为0.10～0.20mm，阈值为21V，积分时间为350～550ms，负高压为8V，这样不仅使光谱仪在最高分辨率下工作，也可以最大范围地减少观测时的噪声.以上最佳实验参数的确定为拓展试验内容进一步研究各种样品的拉曼光谱测量提供了依据.

［1］朗D A.拉曼光谱学［M］.顾本源，许政一，叶良修，等译.北京：科学出版社，1983.

［2］吴思诚，王祖铨.近代物理实验［M］.北京：北京大学出版社，1995.

［3］陆培民.CCl4的激光拉曼光谱［J］.物理与工程，2009，19（6）：31～35.

［4］李帮军.对样品实验比较测试与拉曼光谱分析［J］.物理与工程，2005，15（6），41～43.

［5］申晓波，郝世明，胡亚菲.激光拉曼光谱实验最优实验参数的确定［J］.物理实验，2009，29（10），31～33.

［6］师振宇，黄山，方堃，等.拉曼光谱实验方法及谱分析方法的研究［J］.物理与工程，2007，17（2）：60～64.