激光技术与应用

激光技术与应用1、激光加工技术2、军事激光技术3、激光在精密测量中的应用4、激光拉曼光谱分析应用激光加工技术工作原理激光器工件工作台光阑反射镜聚焦镜电源无论是哪一种激光加工的方法，都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上，使激光与物质相互作用。一般都是利用激光的热效应激光加工应用吸收激光材料加热熔化与汽化等离子体屏蔽加工材料范围广：适用于加工各种金属材料和非金属材料，特别适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。加工性能好：工件可离开加工机进行加工，可透过透明材料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。可进行微细加工：激光聚焦后焦点直径理论上可小至1μ以下，实际上可实现φ0.01mm的小孔加工和窄缝切割。加工速度快，效率高。激光加工不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。激光加工特点激光淬火技术是利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。硬度、强度、耐磨性齿圈周向螺旋扫描激光淬火齿轮轴激光表面淬火卷曲机大面积激光相变轴毂激光表面淬火激光表面处理影响：疲劳强度耐腐蚀性耐磨性等激光表面融凝技术激光融覆技术杂质、气孔、化合物释放出来基层表面添加熔覆材料激光焊接激光辐射能量作用于材料表面并转化为热量，表面热量通过热传导向内部扩散，使材料融化，在两材料连接区的部分形成熔池。在激光束向前运动后，熔池中的熔融金属随之凝固，形成连接两块材料的焊缝

激光焊接

◎激光焊接所需能量密度较低，因不需将材料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。

◎优点：没有焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现不同材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。激光打孔

◎焦点位置对孔的质量影响：若焦点与加工表面之间距离很大，则激光能量密度显著减小，不能进行加工。如果焦点位置偏离加工表面1mm，可以进行加工，此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化。焦点位置对孔形状影响激光打孔激光切割

◎激光切割具有切缝窄、速度快、热影响区小、省材料、成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。

◎可以切割钢板、不锈钢、钛、钽、镍等金属材料，以及布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。激光打标激光雕刻激光雕刻金属雕激光雕刻瓷雕激光雕刻竹雕激光雕刻石雕激光内雕机采用定光式和动光式相结合的工作方式，在计算机控制下，通过水晶体与激光聚焦点的相对运动，激光聚焦点在水晶内微爆炸形成一个小点，由无数有序的点组成一幅精致、完美的立体图案。

水晶内雕激光微加工

激光等离子体屏蔽现象

激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。固体激光器◎YAG（结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器◎红宝石激光器◎混合气体：氦约80%，氮约15%，CO2约5%◎通过高压直流放电进行激励◎波长10.6μm，为不可见光◎能量效率5%～15%反射凹镜反射平镜电极放电管CO2气体冷却水进口冷却水出口激光高压直流电源图7-71CO2激光器示意图气体激光器——CO2激光器（图7-71）激光器军事激光技术四系伪装教研室军事激光技术军事激光技术科目：军事激光技术教学目的：了解激光的产生、特点熟悉激光对抗措施及其发展趋势掌握激光在军事上的应用教学内容：一、激光概述二、激光在军事上的应用军事激光技术一、激光概述激光是利用外部能源激励物质，使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光。（一）含义军事激光技术一、激光概述（二）激光产生的条件1.工作物质任何光学透明的固体、液体、气体都可作工作物质。2.激励能源如光源、电源、热源、化学能源3.光学谐振腔军事激光技术一、激光概述（三）激光的特点1.方向性好>2公里38万公里军事激光技术一、激光概述（三）激光的特点2.亮度高3.单色性好4.相干性好一、激光概述（四）激光器军事激光技术可能用于激光武器的激光器:钇铝石榴石激光器(Nd3+:YAG)气动CO2激光器(GDL)化学激光器(CL)

二极管泵浦激光器(DPL)自由电子激光器(FEL)军事激光技术一、激光概述（四）激光器AvcoERL135kWALL380kW气动CO2激光器军事激光技术一、激光概述（四）激光器ABLCOIL~1000kW化学激光器MIRACLDF2200kW军事激光技术二、激光在军事上的应用（一）激光测距

利用激光测量目标距离的方法叫激光测距。激光测距技术可根据不同用途，研制不同的测距仪，目前世界上各种型号的激光测距仪已有200多种。军事激光技术二、激光在军事上的应用（一）激光测距

1、原理主要是用激光器发射激光信号，然后利用接收器接收到激光回波，通过计时器计算时间差，就可探测出目标的距离。军事激光技术二、激光在军事上的应用（一）激光测距

2、特点优点：操作简便，速度快，只要瞄准目标，几秒钟便可测得数据；测量精度高，例对卫星测轨，精度可达±4厘米；体积小，重量轻；抗电磁干扰能力强。缺点：不能全天候使用；作用距离受天气和战场条件影响较在。军事激光技术二、激光在军事上的应用（一）激光测距

3、主要军事应用其在军事上的主要应用在地形测量、战场前沿测距、坦克及火炮的测距、测量云层、飞机、导弹及卫星的高度等。军事激光技术（二）激光雷达二、激光在军事上的应用1、原理激光雷达与微波雷达工作原理相似，都是利用电磁波照射目标并接收回波的方法，发现、识别和指示目标。军事激光技术

2、特点优点：识别能力强；测量精度高；抗干扰性能好；盲区小；反应快。缺点：波长短；耗能量大；受大气条件影响大，不适于作搜索雷达。（二）激光雷达二、激光在军事上的应用军事激光技术

3、主要军事应用武器鉴定试验；武器火控；跟踪识别；指挥导引；大气测量。（二）激光雷达二、激光在军事上的应用军事激光技术（三）激光制导二、激光在军事上的应用

利用激光控制弹体的飞行方向，引导弹体命中目标的技术就叫激光制导技术。军事激光技术（三）激光制导二、激光在军事上的应用1、激光波束制导军事激光技术（三）激光制导二、激光在军事上的应用2、半主动激光制导军事激光技术（三）激光制导二、激光在军事上的应用3、全自动激光制导军事激光技术（三）激光制导二、激光在军事上的应用

4、特点精度高；抗干扰能力强；结构简单，成本低。无法全天候工作；生存能力低；只能补允或部分取代其它制导系统。军事激光技术（四）激光通信二、激光在军事上的应用军事激光技术（五）激光武器二、激光在军事上的应用

激光武器是指利用激光的能量直接摧毁目标或杀伤破坏其组成部分使之丧失战斗力的武器称为激光武器。两大硬件激光器光束定向器四项关键单元技术激光器件跟瞄发射大气传输破坏机理

激光武器的结构

光束定向器大气发射系统跟瞄系统激光器目标军事激光技术（五）激光武器二、激光在军事上的应用激光武器的结构光束定向器激光器作战指挥系统军事激光技术（五）激光武器二、激光在军事上的应用以光速射击，对战术目标无需计算提前量，响应速度快。破坏目标需要能量沉积时间，对跟瞄精度要求高。目标提前点

激光武器的发展动态

世界各国竞相发展激光武器，美、俄、英、法、德、日等均投入巨资研制。目前国外主要激光武器研究项目有：空基：ALL—ATL—ABL(美)陆基：TSL—MIRACL—THEL/ACTD(美)HELEX(德)天基：

SBL(美)美国在白沙靶场的高能激光试验设施MIRACL氟化氘激光器输出功率220万瓦SeaLite光束定向器

主镜直径1.8米白沙靶场打导弹试验

美国为以色列研制的THEL“鹦鹉螺”

激光功率40万瓦

主镜直径0.7米2000.6.6.鹦鹉螺THEL打靶试验情况

机载激光武器(ABL)光束发射安全隔仓主动照明

光束控制照明激光高能激光光束发射作战控制B747-400ABL

预计2007年部署第一架激光飞机，美国空军计划建立一支由7架作战攻击型激光飞机组成的机队，该队具有对单个战区提供弹道导弹防御的能力。ABL试验

2002年7月19日在美堪萨斯州西部沙漠进行了ABL飞机的首次试飞。试飞持续了2个小时，目的是看结构大改造后的飞机是否能正常飞行。试验时未发射激光。据说激光发射装置要在今年晚些时候才能完成安装。

DF化学激光器P=5～10MW,D=8m作用距离4000-12000km美国研制中的天基高能化学激光武器(SBL)SBL(天基激光武器)主要用途：在助推段摧毁飞出稠密大气层的弹道导弹近期发展：定于2013演示用激光武器样机上天四、激光武器的作战方式美总统小布什宣布退出反导条约，加速NMD（导弹防御计划）进程

预警卫星(DSP)和早期预警雷达探测和跟踪到穿出云层的导弹高技术战争中的导弹与反导弹美总统小布什宣布退出反导条约，加速NMD（导弹防御计划）进程

高分辨地基雷达(X波段雷达)捕获和跟踪到导弹战斗部和诱饵的位置坐标美总统小布什宣布退出反导条约，加速NMD（导弹防御计划）进程

根据雷达数据发射地基拦截器美总统小布什宣布退出反导条约，加速NMD（导弹防御计划）进程

根据雷达数据和自身传感器，地基拦截器识别出战斗部和诱饵美总统小布什宣布退出反导条约，加速NMD（导弹防御计划）进程

拦截导弹战斗部激光武器在反空袭作战中的作用现代空袭战——敌对我威胁的特点：远程偷袭防区外投放；超低空、机动突防；大量使用精导武器。这些特点都有赖于大量使用光电传感器。攻击敌机光电告警、指示和火控系统；攻击激光、电视制导炸弹导弹和其它精确制导弹药的传感器。拦截巡航导弹、战术导弹和火箭弹等中低空来袭的高速、机动小目标。近十年来，局部战争的特点之一：激光武器在反巡航弹和战术导弹火箭中的作用大量使用巡航导弹、战术导弹和制导火箭。其共同特点是目标小、难以发现和高速机动。光束定向器

照明、捕获、识别、瞄准、跟踪激光发射点火跟瞄锁定状态大气参数数据破坏机理数据自动化指挥微波雷达交战过程反空袭、反导光束定向器

照明、捕获、识别、瞄准、跟踪激光发射点火跟瞄锁定状态大气参数数据破坏机理数据自动化指挥微波雷达交战过程反空袭、反导激光在精密测量中的应用1激光测距2激光准直及多自由度测量激光测距的特点激光测距仪与其它测距仪(如光电测距仪等)相比，具备的特点：探测距离远测距精度高抗干扰性强保密性好体积小重量轻激光测距仪的分类激光测距仪的分类：激光测距不同于激光测长，它的测量距离要大得多，按照测量距离可分为下述三类：1、短程激光测距仪，它的测程仅在五公里以内，适用于各种工程测量2、中长程激光测距仪，测程为五至几十公里，适用于大地控制测量和地震预报等3、远程激光测距仪，它用于测量导弹、人造卫星、月球等空间目标的距离激光测距是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离的，其换算公式为测距方法分类脉冲测距法：测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光脉冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时间间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间t。脉冲法测距精度大多为米的量级相位测距法：它是通过测量连续调制的光波在待测距离上往返传播所发生的相位变化，间接测量时间t。这种方法测量精度较高，因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用脉冲测距激光脉冲测距仪的简化结构如下图所示图6-18激光脉冲测距仪的简化结构测距仪对光脉冲的要求光脉冲应具有足够的强度光脉冲的方向性要好光脉冲的单色性要好光脉冲的宽度要窄用于激光测距的激光器：红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器、半导体激光器激光巨脉冲的产生和计时激光巨脉冲的产生-----调Q技术测距时用的光脉冲功率是很大的，一般其峰值功率均在一兆瓦以上，脉冲宽度在几十毫微秒以下。这样的光脉冲通常叫做“巨脉冲”。但是，一般的激光脉冲并不是巨脉冲，它的宽度较大(约1ms左右)，同时脉冲功率也不够大，所以不能满足测距需求。对激光器采用“调Q技术”，就可使之满足测距要求计时：在脉冲测距中由于脉冲在测程上往返时间极短，所以通常是用记录高频振荡的晶体的振动次数来进行计时图6-19脉冲计数原理方框图相位测距原理相位测距:是对发射的激光强度进行连续的调制，测定它在待测距离d上往返的相位变化，从而间接测量传播时间t，进而测量距离与脉冲测距的区别：调制方式不同，脉冲测距调制激光器产生巨脉冲，相位测距调制激光器产生强度成余弦变化的连续波信号处理方式不同，脉冲测距用开关电路高频脉冲计数，测量内外光路产生的两个脉冲之间相距的时间，相位测距比较主振信号与返回信号之间相位差，来计算光线从测距仪到被测点传播往返的时间相位测距的测尺相位测距是对发射的激光强度进行余弦型调制，光波每传播一个调制周期，相位就变化2，相应的传播距离为=cT。所以距离d、光波往返相位差和光波调制波长之间的关系为应当注意到：此处的并不是光的波长，而是余弦型调制造成的光强变化对应的强度“光波”的“波长”，该调制波长实际上是被测距离的度量单位，因此把该波长的一半称作“测尺”，被测距离可以用该测尺表示为相位测量和多测尺测距当被测距离大于一个波长时，相位超过，因此可以表示为式中是不足2的相位移的尾数，N为相位移的整数部分。任何测量交变信号相位移的比相方法都不能确定出相位移的整周期数，因而当距离d大于测尺长Ls时，就需要更长的测尺来测定距离，但是长的测尺在相位差的测量精度一定的条件下距离的分辨率也会减小，因此既要保证测量精度又要扩大测量的范围就需要设置多个测尺，用大的测尺提高测量的范围，用小的测尺提高测量精度分散的直接测尺测距举例分散的直接测尺测距方法选定的测尺频率是直接与测尺长度Ls相对应的.基本测尺长度Lsb(精测测尺，决定测量精度)和若干辅助测尺长度(粗测测尺，决定测量范围)。例如：选用两把测尺和相应的测尺频率为在测相精度为千分之一的情况下，测距精度为测距量程为集中的间接测尺测距原理假定用两个调制频率为s1和s2的光波分别测量同一距离d由上两式可得令：则：上式中Ls可以认定为一个新的测尺长度，其相应的测尺频率s是上式中的正是用s1和s2的差额s＝

s1－s2的光波测量距离d时所得到的相位尾数之差。通常把频率s1和s2称为间接测尺频率，而把差频频率s＝

s1－s2称为相当测尺频率集中的间接测尺举例间接测尺频率相当测尺频率测尺长度精度s15MHz15MHz10m1cm10.9s1.5MHz100m10cm20.99s150KHz1Km1m30.999s15KHz10Km10m40.9999s1.5KHz100Km100m集中的间接测尺的测尺频率都集中在较为窄小的频率范围内，可以使放大器和调制器有相近的增益和相位稳定性，而且各频率对应的振荡石英晶体也可以统一相位差的测量信号频率越低，其相位变化2需要的时间就越长，这样也就越便于相位的测量。所以中、低频的相位测量精度总是远远高于高频信号的测相精度。因而高频信号相位差的测量大都采用差额的方法。把高频信号转化为低频信号进行处理，这就是所谓的“差频测相”差频测相的原理如右图所示差频法测相位的数学模型设主控振荡信号该信号被光电接收放大后变为设本地振荡信号在混频器的输出端分别得到差频参考信号er（和混频）和测距信号em

（和混频）

，它们的表达示为两者通过相位计检测得到相位差，从而可以计算出被测距离6.4激光准直及多自由度测量激光具有极好的方向性，经过准直的连续输出的激光束可以认为是一条直线；可以利用激光光束作为空间基准线，来测量平直度、平面度、平行度、垂直度，也可以作为三维测量的基准；可以广泛用于开凿隧道、铺设管道、建筑造桥、修路开矿、大型设备安装和定位等；激光的单色性还可以用于制作衍射准直仪提高对准精度。激光准直仪的原理激光束横截面上的光强分布是“高斯分布”，光束的能量是大部分集中在有效半径为z0的截面内。由于中心光强最大，所以光束分布中心连线可以构成一条理想的准直基准线有效截面半径z0和远场发散角2TEM00光束有效截面半径z0和远场发散角2的表达式为波长为0.6328m

的He-Ne激光器输出的激光，光束腰部的截面半径0

其光束有效截面半径按下图方式变化当z0较大时激光准直仪的结构框图简单的激光准直仪可以直接用目测来对准，为了便于控制和提高对准精度，一般的激光准直仪都采用光电探测器来对准。准直仪的基本组成如图示为1）He-Ne激光器；2）发射光学系统；3）光电目标靶；4）指示及控制系统图6-21激光准直仪的基本组成方框图发射光学系统激光准直仪发射光学系统的结构如下图所示，由目镜L1、物镜L2和光阑A组成。该望远镜系统对普通光束的倾角压缩比为如果21，22

分别为高斯光束入射和出射该望远系统的光束发散角的话，则该望远系统对高斯光束的发散角压缩比为M’和M的关系为：图6-22激光准直仪光学系统结构示意图衍射效应的影响由于衍射效应，出射光束发散角还与物镜L2的孔径大小有关。根据圆孔的夫琅和费衍射理论可知，一个直径为D的圆孔所造成的衍射角(即光束发散角的一半），如下图所示为通常忽略物镜L2的衍射效应！光电目标靶激光准直仪的光电目标靶，通常用的是四象限光探测器。如下图所示，它是由上、下、左、右对称装置的四块硅光电池组成。图6-23四象限光电探测器原理图解决光电池对称问题的平衡电阻方法在四象限光电探测器中，要求每片光电池的灵敏度必须严格一致，它们之间的相对位置亦应准确，这在实际上是很难做到的，因为两片光电他的转换效率往往相差很远，即使是将同一块光电池刻划分成四块，每块的转换效率也仍然不一样。解决光电池的对称问题，通常采用在光电池电路中串接可调节的平衡电阻的方法。如下图所示，其中的两个光电池是上、下或左、右的一对光电池。调节平衡电阻，就可以补偿由于两块光电池的不对称所引起的不平衡问题激光准直测量的应用举例不直度的测量图6-24机床导轨不直度的激光准直测量原理示意图激光衍射准直仪利用激光的单色性，让激光束通过一定图案的波带片，产生便于对准的衍射图像，从而提高精度。这种利用衍射原理的激光准直仪叫激光衍射准直仪。波带片是一块具有一定遮光图案的平玻璃片（图6-26）图6-25激光衍射准直仪的原理结构图图6-26波带片示意图激光多自由度测量任何一个物体在空间都具有六个自由度，即在x,y,z三个直角坐标轴方向的平动和绕x,y,z三个坐标轴的转动。六自由度测量系统日本Nihon大学和Sophia大学研究了一种用于同时测量机床工作台六自由度误差的光学测量系统。图6-29同时测量机床六自由度偏差的原理图一、拉曼光谱基本原理principleofRamanspectroscopy二、拉曼光谱的应用applicationsofRamanspectroscopy

三、激光拉曼光谱仪laserRamanspectroscopy激光拉曼光谱分析法laserRamanspectroscopy一、激光拉曼光谱基本原理

principleofRamanspectroscopyRayleigh散射：

弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；Raman散射：

非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；Rayleigh散射Raman散射E0基态，

E1振动激发态；

E0+h0

，

E1+h0

激发虚态；获得能量后，跃迁到激发虚态.（1928年印度物理学家RamanCV发现；1960年快速发展）

h

E0E1V=1V=0h0h0h0h0

+

E1+h0E0+h0h(0

-

)激发虚态基本原理1.Raman散射Raman散射的两种跃迁能量差：

E=h(0-

)产生stokes线；强；基态分子多；

E=h(0+

)产生反stokes线；弱；Raman位移：Raman散射光与入射光频率差；ANTI-STOKES0-

RayleighSTOKES0+

0h(0

+

)E0E1V=1V=0E1+h0E2+h0

h

h0h(0

-

)2.Raman位移

对不同物质：不同；

对同一物质：与入射光频率无关；表征分子振-转能级的特征物理量；定性与结构分析的依据；

Raman散射的产生：光电场E中，分子产生诱导偶极距=E

分子极化率；3.红外活性和拉曼活性振动①红外活性振动

ⅰ永久偶极矩；极性基团；

ⅱ瞬间偶极矩；非对称分子；红外活性振动—伴有偶极矩变化的振动可以产生红外吸收谱带.②拉曼活性振动

诱导偶极矩=E

非极性基团，对称分子；拉曼活性振动—伴随有极化率变化的振动。对称分子：对称振动→拉曼活性。不对称振动→红外活性

Eeer4.红外与拉曼谱图对比红外光谱：基团；拉曼光谱：分子骨架测定；红外与拉曼谱图对比对称中心分子CO2，CS2等，选律不相容。无对称中心分子（例如SO2等），三种振动既是红外活性振动，又是拉曼活性振动。5.选律1234拉曼活性红外活性红外活性振动自由度：3N-4=4拉曼光谱—源于极化率变化红外光谱—源于偶极矩变化6.拉曼光谱与红外光谱分析方法比较二、拉曼光谱的应用

applicationsofRamanspectroscopy

由拉曼光谱可以获得有机化合物的各种结构信息：2）红外光谱中，由CN，C=S，S-H伸缩振动产生的谱带一般较弱或强度可变，而在拉曼光谱中则是强谱带。3）环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带。1）同种分子的非极性键S-S，C=C，N=N，CC产生强拉曼谱带，随单键双键三键谱带强度增加。4）在拉曼光谱中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-这类键的对称伸缩振动是强谱带，反这类键的对称伸缩振动是弱谱带。红外光谱与此相反。5）C-C伸缩振动在拉曼光谱中是强谱带。6）醇和烷烃的拉曼光谱是相似的：I.C-O键与C-C键的力常数或键的强度没有很大差别。II.羟基和甲基的质量仅相差2单位。III.与C-H和N-H谱带比较，O-H拉曼谱带较弱。2941，2927cm-1

ASCH22854cm-1

SCH21029cm-1

（C-C）803cm-1环呼吸

1444，1267cm-1

CH23060cm-1r-H)1600,1587cm-1c=c)苯环1000cm-1环呼吸787cm-1环变形1039,1022cm-1单取代三、激光Raman光谱仪

laserRamanspectroscopy激光光源：He-Ne激光器，波长632.8nm；

Ar激光器，

波长514.5nm，

488.0nm；

散射强度1/4

单色器：

光栅，多单色器；检测器：光电倍增管，光子计数器；傅立叶变换-拉曼光谱仪FT-Raman

spectroscopy光源：Nd-YAG钇铝石榴石激光器（1.064m）；检测器：高灵敏度的铟镓砷探头；特点：（1）避免了荧光干扰；（2）精度高；（3）消除了瑞利谱线；（4）测量速度快。5.6拉曼光谱

1928年，印度物理学家C.V.Raman发现光通过透明溶液时，有一部分光被散射，其频率与入射光不同，为，频率位移与发生散射的分子结构有关。这种散射称为拉曼散射，频率位移称为拉曼位移。由红外光谱及拉曼光谱可以获得分子结构的直接信息，仪器分辨率高。采用显微测定等手段可以进行非破坏、原位测定以及时间分辨测定等。5.6.1拉曼光谱简介从图中可见，拉曼光谱的横坐标为拉曼位移，以波数表示。，其中和分别为Stokes位移和入射光波数。纵坐标为拉曼光强。由于拉曼位移与激发光无关，一般仅用Stokes位移部分。对发荧光的分子，有时用反Stokes位移。拉曼光谱的特点：波长位移在中红外区。有红外及拉曼活性的分子,其红外光谱和拉曼光谱近似。可使用各种溶剂，尤其是能测定水溶液，样品处理简单。低波数段测定容易(如金属与氧、氮结合键的振动nM-O,nM-N等)。而红外光谱的远

红外区不适用于水溶液，选择窗口材料、检测器困难。由Stokes、反Stokes线的强度比可以测定样品体系的温度。显微拉曼的空间分辨率很高，为1mm。时间分辨测定可以跟踪10-12s量级的动态反应过程。利用共振拉曼、表面增强拉曼可以提高测定灵敏度。其不足之处在于，激光光源可能破坏样品；荧光性样品测定一般不适用，需改用近红外激光激发等等。5.6.2拉曼及瑞利散射机理瑞利和拉曼散射的产生

测定拉曼散射光谱时，一般选择激发光的能量大于振动能级的能量但低于电子能级间的能量差，且远离分析物的紫外-可见吸收峰。当激发光与样品分子作用时，样品分子即被激发至能量较高的虚态(图中用虚线表示)。左边的一组线代表分子与光作用后的能量变化，粗线出现的几率大，细线表示出现的几率小，因为室温下大多数分子处于基态的最低振动能级。中间一组线代表瑞利(Rayleigh)散射，光子与分子间发生弹性碰撞，碰撞时只是方向发生改变而未发生能量交换。右边一组线代表拉曼散射，光子与分子碰撞后发生了能量交换，光子将一部分能量传递给样品分子或从样品分子获得一部分能量,因而改变了光的频率。能量变化所引起的散射光频率变化称为拉曼位移。由于室温下基态的最低振动能级的分子数目最多,与光子作用后返回同一振动能级的分子也最多,所以上述散射出现的几率大小顺序为：瑞利散射>Stokes线>反Stokes线。随温度升高，反Stokes线的强度增加。拉曼活性入射光可以看成是互相垂直的电场和磁场在空间的传播。其电场强度E可用下述交变电场描述：E=E0Cos(2pn0t)(5.47)其中，E0为交变电场波的振幅，n0为激发光频率。样品分子键上的电子云与入射光电场作用时会诱导出电偶极矩P：P=aE=aE0Cos(2pn0t)(5.48)

a为键的极化度。只有当键的极化度是成键原子间距离的函数，即分子振动产生的原子间距离的改变引起分子极化度变化时，才产生拉曼散射，分子才是拉曼活性的：(5.49)

a0为分子中键处于平衡位置时的极化度，req为分子中键处于平衡位置时的核间距，r为分子中键处于任意位置时的核间距。若核间距改变时产生的振动频率为n，与平衡位置比较的最大核间距为rm，则：r-req=rmcos2pnt(5.50)代入(5.49)式：(5.51)

(5.52)

(5.52)式第一项对应样品的瑞利散射，其频率为n0；第二项对应样品的拉曼散射，产生反Stokes位移，频率为反Stokes频率n0+n；第三项对应样品的拉曼散射，产生Stokes位移，频率为Stokes频率n0-n。(5.52)式表明，要产生拉曼散射，分子的极化度必须是核间距的函数，即da/dr0时才会观察到拉曼线，只有振动时极化度发生变化的分子才是拉曼活性的。返回页首

5.6.3拉曼光谱参数

频率即拉曼位移，一般用Stokes位移表示。是结构鉴定的重要依据。强度I拉曼散射强度

(5.53)式中I0为光源强度；K为常数。当样品分子不产生吸收时，I与激发波长的4次方成反比。因此选择较短波长的激光时灵敏度高。拉曼光强与样品分子浓度成正比。

去偏振度r(depolarization)

r

对确定分子的对称性很有用。拉曼光谱的入射光为激光，激光是偏振光。设入射激光沿xz

平面向O点传播，O处放样品。激光与样品分子作用时可散射不同方向的偏振光,若在检测器与样品之间放一偏振器，便可分别检测与激光方向平行的平行散射光I//(yz平面)和与激光方向垂直的垂直散射光I(xy平面)。定义去偏振度(5.54)去偏振度与分子的极化度有关。如分子的极化度中各向同性部分为，各向异性部分为，则：(5.55)返回页首

对球形对称振动，，因此去偏振度r为零。即r值越小，分子的对称性越高。若分子是各向异性的，则，r=3/4。即非全对称振动的r=03/4(0.75)。因此通过测定拉曼谱线的去偏振度，可以确定分子的对称性。如前CCl4的拉曼光谱，459cm-1是由四个氯原子同时移开或移近碳原子所产生的对称伸缩振动引起，r=0.0005，去极化度很小。459cm-1线称为极化线。而218cm-1、314cm-1源于非对称振动，r=0.75。如图5.29，结晶紫据文献报导有醌式(a)和离子型(b)两种结构。在(a)式中三个苯环处于同一平面。(b)式中三个苯环因位阻关系不处在同一平面，彼此稍许错开，形成类似螺旋桨状。测定结晶紫水溶液(5x10-4M)的拉曼谱,214cm-1(结晶紫分子中心碳原子的呼吸振动)的r值接近零，可见分子的对称性很高，说明在该实验条件下结晶紫分子为离子型结构。红外及拉曼光谱法的比较红外及拉曼光谱法的相同点在于，对于一个给定的化学键，其红外吸收频率与拉曼位移相等，均代表第一振动能级的能量。因此，对某一给定的化合物，某些峰的红外吸收波数与拉曼位移完全相同，红外吸收波数与拉曼位移均在红外光区，两者都反映分子的结构信息。

从图中可以看出，同一物质，有些峰的红外吸收与拉曼散射完全对应，但也有许多峰有拉曼散射却无红外吸收，或有红外吸收却无拉曼散射。因此，红外光谱与拉曼光谱互补，可用于有机化合物的结构鉴定。红外光谱的入射光及检测光均是红外光，而拉曼光谱的入射光大多数是可见光，散射光也是可见光。红外光谱测定的是光的吸收，横坐标用波数或波长表示，而拉曼光谱测定的是光的散射，横坐标是拉曼位移。两者的产生机理不同。红外吸收是由于振动引起分子偶极矩或电荷分布变化产生的。拉曼散射是由于键上电子云分布产生瞬间变形引起暂时极化，产生诱导偶极，当返回基态时发生的散射。散射的同时电子云也恢复原态。例如同核双原子分子NN，C