拉曼光譜的基本原理介紹

雷力、王揚斌

隨著科技的飛速發展，光電應用與材料領域正不斷涌現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、醫藥、地學、材料科學等多個領域具有非常廣泛的應用，現已經成為物質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時，光子與介質中的分子發生彈性碰撞，光的方向或許發生變化，但其能量仍保持不變，這一現象叫做瑞利散射；而小部分光子會與分子發生非彈性碰撞，不僅光的方向發生了變化，光子的能量也發生了改變，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）由于首次發現，這種光波在介質傳播過程中被散射后頻率發生變化的現象，而獲得1930年諾貝爾物理學獎。

圖1. 光散射示意圖（掛網時替換為GIF動圖）

除了光子與分子的相互作用，光子與聲子等元激發相互作用產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點，是拉曼光譜研究近乎理想的光源。激光器的出現使拉曼光譜學產生了重大技術變革，產生了激光拉曼譜學。

在光與物質相互作用過程中，拉曼散射光與入射光的頻率差（拉曼頻移）反映物質的固有屬性，可以根據拉曼頻移的大小來研究物質的結構與物性。值得注意的是，拉曼散射現象和熒光現象物理的機制不同，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。在一次常規的拉曼散射物理過程中，正、反斯托克斯散射會同時發生，由于基態和激發態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。現任中文核心期刊《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委員會委員，中國化學學會高壓化學專業委員會委員。個人主要貢獻：（1）提出“廣義壓強”概念，（2）發現一種新型聚合氮——“熊貓氮”，（3）發現新型高壓化學反應HSM和HPC，（4）創立國內高校首支以科研為背景的流行樂隊——高壓樂隊。

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