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名師講堂第15期精彩問答集錦

問題1：請問用什么儀器能夠實現(xiàn)門控的功能呢，劉教授

    時間門控技術方法的基本概念就是在時間尺度上對不同信號進行區(qū)分，就拉曼散射實驗中，就避免拉曼散射信號被熒光信號干擾或掩蓋的可能性而言，就要在時間尺度上利用拉曼信號和熒光信號產(chǎn)生的差異進行區(qū)分。如下圖所示，

圖1.拉曼信號和熒光信號產(chǎn)生的時間差異示意圖 

在拉曼散射實驗中，之所可以采用時間鑒別技術，從測量時間上只采集拉曼散射信號而避開對發(fā)射熒光的接收，這是因為當激發(fā)光的光子與作為散射中心的分子相互作用時，拉曼散射是在由測不準關系所確定的時間內對分子振動態(tài)的布居過程。拉曼發(fā)射很快，約10-14 s，而當物質分子吸收了特征頻率的光子，就由原來的基態(tài)能級躍遷至電子激發(fā)態(tài)的各個不同振動能級。激發(fā)態(tài)分子經(jīng)與周圍分子撞擊而消耗了部分能量，迅速下降至第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級，并停留約10－9秒之后，直接以光的形式釋放出多余的能量，下降至電子基態(tài)的各個不同振動能級，此時所發(fā)射的光即是熒光。因此熒光壽命則通常在 10-8 ～10-12 s 內。由此可見，樣品中的拉曼散射信號相對于其熒光信號的壽命要短的多，使用連續(xù)激光激發(fā)的話，熒光信號的強度會遠大于拉曼信號的強度，以至于熒光信號湮沒了拉曼信號。因此，在時間分辨拉曼散射測量中，通?？梢圆捎面i模激光器產(chǎn)生的超短脈沖激發(fā)，使用具有電子快門的光子計數(shù)器處理，就可實現(xiàn)時間門控制技術方法，把拉曼光譜信號從強熒光背景中提取出來。其核心技術方法就在于，利用拉曼信號與熒光信號產(chǎn)生的時間差別，將激發(fā)光激發(fā)時間控制在拉曼信號產(chǎn)生的時間窗口內，從而達到只收集拉曼散射光譜信號而拒絕收集時間窗口外的熒光等其它信號。圖2 所示是由皮秒級脈沖激光、皮秒級高靈敏度單光子陣列傳感計數(shù)器（SPAD）、皮秒級高精度的時間門控延時電路和多道光譜儀及其電子控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部件組成的時間門控拉曼光譜儀原理圖。

圖2. 時間門控拉曼光譜儀的原理圖

由皮秒激光器發(fā)出的脈沖激光，經(jīng)過光學分束器，一部分激光進入光電二極管，進入由計算機控制的延時發(fā)生器，實現(xiàn)對來自探測器中信號的同步檢測與記錄控制；另一束激光射入待測樣品上，光與該樣品發(fā)生相互作用后，樣品發(fā)出的散射光由光收集透鏡收集，經(jīng)帶阻濾波器消除大部分彈性散射光后，將拉曼散射光傳輸至拉曼單色器系統(tǒng)中進行分光后，經(jīng)過能量色散的拉曼信號照射到SPAD光電探測器上，該信號由皮秒級高精度的時間門控延時電路和電子控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)同步精準激發(fā)和數(shù)據(jù)采集，從而實現(xiàn)利用時間門控技術，把較弱的拉曼光譜信號從強熒光背景或束縛電子發(fā)出的熒光峰出現(xiàn)前及時提取出來，從而達到把熒光拒之在時間門外的目的。時間門控技術拉曼光譜儀不僅在消除來自待測樣品自生熒光方面，并且對克服高溫拉曼散射研究下環(huán)境產(chǎn)生的高溫黑體熱輻射背景，造成的拉曼光譜背景干擾也有獨特的優(yōu)勢?？傊?，時間門控拉曼光譜儀在諸多相關領域內已展現(xiàn)出良好的應用前景。
 

問題2：請問超低波數(shù)拉曼與布里淵散射之間有什么區(qū)別和聯(lián)系呢？

答： 拉曼散射和布里淵散射都屬于非彈性光散射，都屬于分子和晶格的振動。因此，也可以統(tǒng)稱為拉曼散射。它們的區(qū)別如下：

由分子的內振動、固體中的光學聲子等元激發(fā)與激發(fā)光相互作用產(chǎn)生的非彈性散射光，稱為拉曼散射。拉曼散射的位移一般在5-5000波數(shù)。拉曼在分子（晶格）振動的范疇內。

由分子的外振動、固體中的聲學聲子等元激發(fā)與激發(fā)光相互作用產(chǎn)生的非彈性散射光，稱為布里淵散射，布里淵散射的位移一般在 0.1-5.0 波數(shù)。布里淵散射在分子（晶格）的轉動和振動范疇。

問題3：如何說明獲得的拉曼光譜是物質的指紋光譜？

答： 在知化學組成、化學計量、物質結構、及其精準的定向和切割（對于晶體需要確定其晶軸方法）的樣品上，在適當?shù)膶嶒灄l件下，用拉曼散射方法測量獲得該樣品（晶體）全部的拉曼活性振動模式的光譜，稱為該物質的拉曼指紋光譜。

問題4：請問老師，為什么有些散射光不會在瑞利線兩邊同時出現(xiàn)？比如YIG的741峰，還比較強的。有什么選擇定則么，還是物質的特定現(xiàn)象？

答： 一般來講，只要是來自樣品的拉曼散射，它一定遵循能量守恒和動量守恒：

A:只要是拉曼散射就會有正反斯托克斯線 同時對稱出現(xiàn)。

B: 改變激發(fā)波長。一般情況下，拉曼頻移只與振動（轉動）能級有關，與入射光的波長無關。

你的樣品是否純的YIF單晶，還是摻雜的YIG單晶或薄膜？建議你用兩個激發(fā)波長去做一下實驗，看看位移在741波數(shù)的那個峰是否都存在。

   我對YIG樣品很熟悉，將用偏振選擇定則下，我做的YIG樣品的偏振拉曼光譜，供你參考。

問題5：拉曼光譜定性鑒別較好，定量方面如何？

答： 拉曼散射用于定性比較方便的主要原因是：拉曼散射通過九十多年的經(jīng)歷，積累了不同種類的各種樣品的拉曼指紋光譜?；驑悠返睦卣鞴庾V，可以進行比較對照。

對于由聲學模發(fā)生的散射(布里淵散射)， 用散射截面就可以確定樣品（晶體）的宏觀參數(shù)。布里淵散射的宏觀參數(shù)包括有聲子的聲速和它們的聲速各向異性參數(shù)，彈性參數(shù)，光彈系數(shù)，機電系數(shù)，及其壓電晶體中的壓電系數(shù)。

對于由光學模發(fā)生的散射(拉曼散射)，拉曼散射截面中涉及的 量值的計算極為繁復，例如，在激光拉曼散射實驗中散射體積差不多總是一個細小的柱體，存在著以下問題：1）如何去計算入射光確切的光子數(shù)（激光的功率密度）， 2）再如何去計算散射光確切的散射光子數(shù)（散射光的功率密度），3） 樣品表面的質量評估（光潔度，顆粒大小，形貌等），引起的入射光在其表面的漫散射損耗；4）每人或每次做實驗的時候，將激光聚焦在樣品的距離（焦點）是否一致，聚焦的距離會影響到某方向上的收集散射光立體角的大小，最終導致拉曼峰的積分散射強度的大??；5）分子或聲子的各項異性對散射強度的影響；6）固液界面上分子濃度對分子間的相互作用和分子取向度變化對散射強度的影響；等等因素。只在少數(shù)幾個情況下可以對樣品的散射截面進行精確計算和測量， 因此，拉曼散射對大多數(shù)樣品的定量計算是比較困難。
 

問題6：除了需要好的陷波濾波器，低波數(shù)拉曼光譜儀還需要哪些特殊的設計要求？