拉曼光谱的基本原理介绍

雷力、王扬斌

随着科技的飞速发展，光电应用与材料领域正不断涌现出令人瞩目的新知识和技术与新应用，为响应国家号召，北京卓立汉光仪器有限公司积极承担社会责任，特别策划并推出《名家专栏》系列技术与应用新闻专栏，该专栏汇聚激光物理、拉曼光谱、等离子体、电化学、量子理论及激光诱导击穿光谱等多领域系列，全系列专栏共计36篇，深入剖析前沿科技，为读者带来专业而丰富的知识盛宴，为广大科研工作者提供一个交流与学习的平台。

拉曼光谱在物理、化学、生物、医药、地学、材料科学等多个领域具有非常广泛的应用，现已经成为物质科学研究的主要技术之一。首篇《名家专栏》拉曼光谱系列专栏，荣幸地邀请到了四川大学原子与分子物理研究所雷力老师、王扬斌老师， 将简单介绍一下拉曼光谱的基本原理。

光是一种具有固定能量（频率或波长）的电磁波，光子是传播电磁相互作用的基本粒子。当能量为hv0入射光穿过透明介质时，光子与介质中的分子发生弹性碰撞，光的方向或许发生变化，但其能量仍保持不变，这一现象叫做瑞利散射；而小部分光子会与分子发生非弹性碰撞，不仅光的方向发生了变化，光子的能量也发生了改变，散射光的能量与入射光能量不同(hv1≠hv0)，这便是拉曼散射。印度科学家拉曼（1988-1977）由于首次发现，这种光波在介质传播过程中被散射后频率发生变化的现象，而获得1930年诺贝尔物理学奖。

图1. 光散射示意图（挂网时替换为GIF动图）

除了光子与分子的相互作用，光子与声子等元激发相互作用产生的非弹性散射皆可称为拉曼散射。由于拉曼散射光非常弱，其强度一般不及瑞利散射光强的千分之一。如果汞灯做为拉曼激发光源，获得一幅完整的拉曼光谱是非常耗时的。激光器在光源亮度、单色性、方向性、相干性具有显著的优点，是拉曼光谱研究近乎理想的光源。激光器的出现使拉曼光谱学产生了重大技术变革，产生了激光拉曼谱学。

在光与物质相互作用过程中，拉曼散射光与入射光的频率差（拉曼频移）反映物质的固有属性，可以根据拉曼频移的大小来研究物质的结构与物性。值得注意的是，拉曼散射现象和荧光现象物理的机制不同，拉曼效应不能用实际电子能级跃迁来解释，而用元激发的虚能级跃迁来说明。拉曼散射过程中，如果散射光子的能量小于入射光子的能量（hv1＜hv0），称之为斯托克斯散射；如果散射光子的能量大于入射光子的能量（hv1＞hv0），称之为反斯托克斯散射。在一次常规的拉曼散射物理过程中，正、反斯托克斯散射会同时发生，由于基态和激发态的相对热占比遵循玻尔兹曼分布，室温条件下正斯托克斯谱线的强度要高于反斯托克斯谱线的强度（Is＞Ias），在实验上可以通过测量正、反斯托克斯散射谱线强度比来推测物质的温度。

图2. 光散射的能级关系

图3. 熊猫与光散射（同步作为封面图片）

作者简介

作    者：雷力，王扬斌

作者单位：四川大学原子与分子物理研究所

雷力，四川大学原子与分子物理研究所研究员，博士生导师，主要开展高压谱学研究。现任中文核心期刊《光散射学报》常务副主编、编辑部主任，《高压物理学报》编委，中国物理学会光散射专业委员会委员，中国化学学会高压化学专业委员会委员。个人主要贡献：（1）提出“广义压强”概念，（2）发现一种新型聚合氮——“熊猫氮”，（3）发现新型高压化学反应HSM和HPC，（4）创立国内高校首支以科研为背景的流行乐队——高压乐队。

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