拉曼光谱的数据初步处理

摘要

本文主要目的是熟悉拉曼光谱仪原理，并掌握拉曼光谱仪的实验测量技术以及拉曼光谱的数据初步处理。

文章首先论述了拉曼光谱仪开发设计、安装调试中所应用的基本理论、设计原理与关键技术，介绍了激光拉曼光谱仪的发展动态、研究方向和国内外总体概况。其次阐述了拉曼散射的经典理论及其量子解释。并说明了分析拉曼光谱数据的各种可行的方法，包括平滑，滤波等。再次根据光谱仪器设计原理详细论述了分光光学系统的结构设计和激光拉曼光谱仪的总体设计，并且对各个部件的选择作用及原理做了详细的描述。最后，测量了几种样品的拉曼光谱，并利用文中阐述的光谱处理方法进行初步处理，并且进行了合理的分析对比。

总之，本文主要从两个方面来分析拉曼光谱仪的实验测量和光谱数据处理研究：一、拉曼光谱仪的结构，详细了解拉曼光谱仪的工作原理。二、拉曼光谱数据处理分析，用合理的方法处理拉曼光谱可以有效便捷的得到较为理想的实验结果。通过对四氯化碳、乙醇、正丁醇的光谱测量以及光谱数据分析，得到了较为理想实验效果，证明本文所论述方法的可行性和正确性。

关键词: 拉曼光谱仪光栅光谱分析

目录

第1章引言 (1)

1.1 拉曼光谱分析技术 (1)

1.2 现代拉曼光谱技术与特点 (1)

1.3研究拉曼光谱仪的意义 (2)

1.4 本文的主要内容 (2)

第2章基本理论 (3)

2.1拉曼散射经典解释[8] (3)

2.2拉曼散射的量子解释 (5)

2.2.1散射过程的量子跃迁 (5)

2.2.2量子力学结果 (5)

2.2.3 Placzek近似 (10)

2.3拉曼光谱数据分析方法 (13)

2.3.1数据平滑处理 (13)

2.3.2基线校正 (14)

2.3.3数据求导处理 (14)

2.3.4数据增强算法 (15)

2.3.5傅里叶变换 (15)

2.3.6小波变换 (16)

2.3.7 数字滤波 (16)

第3章常规拉曼检测系统 (17)

3.1 光源 (18)

3.2 滤光片 (19)

3.3 拉曼光谱仪及计算机软件 (20)

3.3.1光栅 (20)

3.3.2光电倍增管 (22)

第4章拉曼光谱测量及数据处理和结论 (23)

4.1 物质的拉曼光谱测量 (23)

4.2拉曼光谱数据处理与分析 (26)

4.2.1平滑处理 (26)

4.2.2 低通滤波处理 (29)

4.3结论 (30)

第5章论文总结与展望 (31)

致谢： (31)

参考文献： ................................................................................................ 错误!未定义书签。

第1章引言

1.1 拉曼光谱分析技术

1928年印度实验物理学家拉曼发现了光的一种类似于康普顿效应的光散射效应，称为拉曼效应。简单地说就是光通过介质时由于入射光与分子运动之间相互作用而

引起的光频率改变。拉曼因此获得1930年的诺贝尔物理学奖，成为第一个获得这一

奖项并且没有接受过西方教育的亚洲人[1]

拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线(频率为)两侧对称地伴

有频率为 (k=1，2，3，⋯)的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线：频率差与入射光频率无关，由散射物质的性质

决定，每种散射物质都有自己特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收频率相一

致[2]。

拉曼光谱即拉曼散射的光谱。靠近瑞利散射线两侧的谱线称为小拉曼光谱：远

离瑞利散射线的两侧出现的谱线称为大拉曼光谱。拉曼散射的强度比瑞利散射要弱

得多。瑞利散射线的强度只有入射光强度的千分之一，拉曼光谱强度大约只有瑞利

线的千分之一。与入射光频率相同的成分称为瑞利散射，频率对称分布在两侧的谱

线或谱带称为拉曼散射。拉曼光谱的理论解释是：入射光子与分子发生非弹性散射，分子吸收频率为的光子，发射的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态(斯托克斯线)：分子吸收频率为的光子，发射的光子，同时分子从高能态跃迁到低能态(反斯托克斯线)与分子红外光谱不同，极性分子和非极性分子都能产生拉曼光谱[3]。

拉曼光谱为研究晶体或分子的结构提供了重要手段，在光谱学中形成了拉曼光

谱学的一个分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率，并可决定分

子的对称性、分子内部的作用力等。但拉曼光谱本身有一定的局限性，比如拉曼散

射的强度较弱，对样品进行拉曼散射研究时有强大的荧光及瑞利散射干扰等等。因

此它在相当长一段时间里未真正成为一种有实际应用价值的工具，直到激光器的问世，提供了优质高强度单色光，有力推动了拉曼散射的研究及其应用。激光使拉曼

光谱获得了新生，因为激光的高强度极大地提高了包含双光子过程的拉曼光谱分辨

率和实用性。此外强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象。为了进一步

提高拉曼散射的强度，人们先后发展了傅立叶变换拉曼光谱、表面增强拉曼光谱、

超位拉曼光谱、共振拉曼光谱、时间分辨拉曼光谱等新技术，使光谱仪的效率和灵

敏度得到更大的提高。目前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，对于定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。随着拉

曼光谱学研究的深入，拉曼光谱的应用必将愈来愈广泛[4]。

1.2现代拉曼光谱技术与特点

30年代拉曼光谱曾是研究分子结构的主要手段，此时的拉曼光谱仪是以汞弧灯

为光源，物质产生的拉曼散射谱线极其微弱，因此应用受到限制，尤其是红外光谱