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拉曼光譜的基本原理介紹

雷力、王揚(yáng)斌

隨著科技的飛速發(fā)展，光電應(yīng)用與材料領(lǐng)域正不斷涌現(xiàn)出令人矚目的新知識和技術(shù)與新應(yīng)用，為響應(yīng)國家號召，北京卓立漢光儀器有限公司積極承擔(dān)社會(huì)責(zé)任，特別策劃并推出《名家專欄》系列技術(shù)與應(yīng)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(xué)、量子理論及激光誘導(dǎo)擊穿光譜等多領(lǐng)域系列，全系列專欄共計(jì)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(gè)交流與學(xué)習(xí)的平臺。

拉曼光譜在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、地學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已經(jīng)成為物質(zhì)科學(xué)研究的主要技術(shù)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(xué)原子與分子物理研究所雷力老師、王揚(yáng)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(dāng)能量為hv0入射光穿過透明介質(zhì)時(shí)，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(huì)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(xué)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(xué)獎(jiǎng)。

圖1. 光散射示意圖（掛網(wǎng)時(shí)替換為GIF動(dòng)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(qiáng)度一般不及瑞利散射光強(qiáng)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(shí)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(diǎn)，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(xué)產(chǎn)生了重大技術(shù)變革，產(chǎn)生了激光拉曼譜學(xué)。

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(jī)制不同，拉曼效應(yīng)不能用實(shí)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(huì)同時(shí)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(qiáng)度要高于反斯托克斯譜線的強(qiáng)度（Is＞Ias），在實(shí)驗(yàn)上可以通過測量正、反斯托克斯散射譜線強(qiáng)度比來推測物質(zhì)的溫度。

圖2. 光散射的能級關(guān)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(yáng)斌

作者單位：四川大學(xué)原子與分子物理研究所

雷力，四川大學(xué)原子與分子物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，主要開展高壓譜學(xué)研究。現(xiàn)任中文核心期刊《光散射學(xué)報(bào)》常務(wù)副主編、編輯部主任，《高壓物理學(xué)報(bào)》編委，中國物理學(xué)會(huì)光散射專業(yè)委員會(huì)委員，中國化學(xué)學(xué)會(huì)高壓化學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員。個(gè)人主要貢獻(xiàn)：（1）提出“廣義壓強(qiáng)”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(xué)反應(yīng)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(duì)——高壓樂隊(duì)。

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