拉曼光譜的基本原理介紹

雷力、王揚斌

隨著科技的飛速發(fā)展，光電應用與材料領域正不斷涌現(xiàn)出令人矚目的新知識和技術與新應用，為響應國家號召，北京卓立漢光儀器有限公司積極承擔社會責任，特別策劃并推出《名家專欄》系列技術與應用新聞專欄，該專欄匯聚激光物理、拉曼光譜、等離子體、電化學、量子理論及激光誘導擊穿光譜等多領域系列，全系列專欄共計36篇，深入剖析前沿科技，為讀者帶來專業(yè)而豐富的知識盛宴，為廣大科研工作者提供一個交流與學習的平臺。

拉曼光譜在物理、化學、生物、醫(yī)藥、地學、材料科學等多個領域具有非常廣泛的應用，現(xiàn)已經(jīng)成為物質(zhì)科學研究的主要技術之一。首篇《名家專欄》拉曼光譜系列專欄，榮幸地邀請到了四川大學原子與分子物理研究所雷力老師、王揚斌老師， 將簡單介紹一下拉曼光譜的基本原理。

光是一種具有固定能量（頻率或波長）的電磁波，光子是傳播電磁相互作用的基本粒子。當能量為hv0入射光穿過透明介質(zhì)時，光子與介質(zhì)中的分子發(fā)生彈性碰撞，光的方向或許發(fā)生變化，但其能量仍保持不變，這一現(xiàn)象叫做瑞利散射；而小部分光子會與分子發(fā)生非彈性碰撞，不僅光的方向發(fā)生了變化，光子的能量也發(fā)生了改變，散射光的能量與入射光能量不同(hv1≠hv0)，這便是拉曼散射。印度科學家拉曼（1988-1977）由于首次發(fā)現(xiàn)，這種光波在介質(zhì)傳播過程中被散射后頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，而獲得1930年諾貝爾物理學獎。

圖1. 光散射示意圖（掛網(wǎng)時替換為GIF動圖）

除了光子與分子的相互作用，光子與聲子等元激發(fā)相互作用產(chǎn)生的非彈性散射皆可稱為拉曼散射。由于拉曼散射光非常弱，其強度一般不及瑞利散射光強的千分之一。如果汞燈做為拉曼激發(fā)光源，獲得一幅完整的拉曼光譜是非常耗時的。激光器在光源亮度、單色性、方向性、相干性具有顯著的優(yōu)點，是拉曼光譜研究近乎理想的光源。激光器的出現(xiàn)使拉曼光譜學產(chǎn)生了重大技術變革，產(chǎn)生了激光拉曼譜學。

在光與物質(zhì)相互作用過程中，拉曼散射光與入射光的頻率差（拉曼頻移）反映物質(zhì)的固有屬性，可以根據(jù)拉曼頻移的大小來研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與物性。值得注意的是，拉曼散射現(xiàn)象和熒光現(xiàn)象物理的機制不同，拉曼效應不能用實際電子能級躍遷來解釋，而用元激發(fā)的虛能級躍遷來說明。拉曼散射過程中，如果散射光子的能量小于入射光子的能量（hv1＜hv0），稱之為斯托克斯散射；如果散射光子的能量大于入射光子的能量（hv1＞hv0），稱之為反斯托克斯散射。在一次常規(guī)的拉曼散射物理過程中，正、反斯托克斯散射會同時發(fā)生，由于基態(tài)和激發(fā)態(tài)的相對熱占比遵循玻爾茲曼分布，室溫條件下正斯托克斯譜線的強度要高于反斯托克斯譜線的強度（Is＞Ias），在實驗上可以通過測量正、反斯托克斯散射譜線強度比來推測物質(zhì)的溫度。

圖2. 光散射的能級關系

圖3. 熊貓與光散射（同步作為封面圖片）

作者簡介

作    者：雷力，王揚斌

作者單位：四川大學原子與分子物理研究所

雷力，四川大學原子與分子物理研究所研究員，博士生導師，主要開展高壓譜學研究?，F(xiàn)任中文核心期刊《光散射學報》常務副主編、編輯部主任，《高壓物理學報》編委，中國物理學會光散射專業(yè)委員會委員，中國化學學會高壓化學專業(yè)委員會委員。個人主要貢獻：（1）提出“廣義壓強”概念，（2）發(fā)現(xiàn)一種新型聚合氮——“熊貓氮”，（3）發(fā)現(xiàn)新型高壓化學反應HSM和HPC，（4）創(chuàng)立國內(nèi)高校首支以科研為背景的流行樂隊——高壓樂隊。

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