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喇曼效应

社论讨论

本条目经《科普中国》科学百科全书条目编制与应用项目批准。

拉曼效应(Raman scattering)，又称拉曼散射，是印度物理学家拉曼于1928年发现的，指光波散射后发生频率变化的现象。1930年诺贝尔物理学奖授予当时在印度加尔各答大学工作的钱德拉塞卡拉文卡塔拉曼爵士(1888——1970)，以表彰他对光散射的研究，并发现了以他名字命名的定律。

中文名字

喇曼效应

外国名字

Ramanscattering

昵称

喇曼散射

申请人

拉曼

交单时间

1928

应用学科

物理

目录

0

2发现之旅

3研究过程

拉曼光谱

典型应用

物理学原理

拉曼贡献

4相关信息

概述

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1930年诺贝尔物理学奖授予当时在印度加尔各答大学工作的钱德拉塞卡拉文卡塔拉曼(1888——1970)，以表彰他对光散射的研究，并发现了以他的名字命名的定律。

光的散射有一种特殊的效应，类似于x射线散射中的康普顿效应，光在散射后频率发生变化。“拉曼散射”是指当一定频率的激光照射到样品表面时，材料中的分子吸收部分能量，并以不同的方式和程度振动(例如：原子摆动摆动，化学键摆动振动)，然后以较低频率散射光。频率的变化取决于散射材料的性质。不同类型的原子以独特的方式振动，因此它们可以产生特定频率的散射光。这种光谱被称为“指纹光谱”，可以用来识别构成材料的分子类型。这是拉曼在1928年研究光的散射时发现的。在拉曼和他的合作者宣布他们发现了这种效应的几个月后，苏联的g兰茨伯格和l曼德尔施泰因分别发现了这种效应，他们称之为联合散射。拉曼光谱是入射光子与分子碰撞时分子的振动能或转动能与光子能量叠加的结果。拉曼光谱可以将红外区域的分子能谱转移到可见光区域进行观测。因此，拉曼光谱作为红外光谱的补充，是研究分子结构的有力武器。

发现之旅

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1921年夏天，在航行于地中海的纳昆达号客轮上，一位印度学者正用一种简单的光学仪器俯身观察海面。他被大海的深蓝色迷住了，想研究它的颜色的来源。这位印度学者就是拉曼。他将代表印度顶尖学府加尔各答大学——前往英国牛津参加英联邦大学会议，并在英国皇家学会发表演讲。当时他只有33岁。对拉曼来说，水的蓝色并不是什么新鲜事。他就读的马德拉斯大学正对着孟加拉湾，在那里他每天都能看到海水颜色的变化。事实上，在16岁(1904年)时，他就已经熟悉了著名物理学家瑞利对蓝天的解释，即分子散射中散射光的强度与波长的四次方成反比的定律(也称为瑞利定律)。无论是神秘的本质，还是研究光散射时文献中的深刻思考，他注意到瑞利的一句值得怀疑的话：“深海的蓝色不是水的颜色，而是水反射出的天空的蓝色。”瑞利对大海之蓝的描述引起了拉曼的兴趣。他决心去实地考察。因此，当拉曼动身前往英国时，他带了一套实验装备：几个尼科尔棱镜、小型望远镜、狭缝，甚至还有一个光栅。尼科尔棱镜安装在望远镜两端，作为偏光镜和偏光镜，可随时进行实验。他用尼科尔棱镜观察布鲁斯特角沿岸海面反射的光，抵消了天空的蓝光。光线应该是水本身的颜色。它原来是一种比天空更深的蓝色。他用光栅分析了海洋的颜色，发现海洋的光谱最大值比天空的光谱最大值更蓝。因此，海洋的颜色不是由天空的颜色引起的，而是海洋本身的属性。拉曼认为这一定是水分子对光的散射。他在回程的轮船上写了两篇关于这一现象的论文，在中途停留时寄往英国，并在两份伦敦期刊上发表。[1]

研究过程

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拉曼于1888年11月7日出生在印度南部的特里奇诺波里。他的父亲是一所大学的数学和物理学教授。他教他科学启蒙，培养他对音乐和乐器的热爱。他天赋异禀，16岁就以物理学金牌的成绩从大学毕业。19岁时，他以优异的成绩获得硕士学位。1906年，年仅18岁的他在英国著名科学杂志《自然》上发表了一篇关于光的衍射效应的论文。因为生病，拉曼失去了去英国一所著名大学做博士论文的机会。在独立前的印度，如果你没有在英国获得博士学位，你就没有资格在科学和文化界担任职务。唯一的例外是会计，它不需要在英国接受培训。拉曼向财政部申请工作。他获得了一等奖，并被授予助理总会计师的职位。拉曼在财政部的工作做得很好，责任也越来越大，但他不想沉浸在官场中。他把自己的科学目标牢记在心，把所有的业余时间都用来继续研究声学和乐器理论。加尔各答的一个学术机构，印度科学教育协会，有一个实验室，拉曼在那里进行他的声学和光学研究。经过十年的努力，Raman在没有资深研究人员指导的情况下，取得了一系列成果，并发表了许多论文。1917年，加尔各答大学邀请他担任物理学教授，这样他就可以全身心地投入到科学研究中。在加尔各答大学教书的16年里，他在印度科学教育协会继续他的实验，学生、教师和访问学者来这里向他学习，与他合作，逐渐形成了一个围绕他的学术共同体。许多人受到他的榜样和成就的鼓舞，立志从事科学研究。其中有著名的物理学家M.N.S.沙阿和S.N.Bose。在这个时候，加尔各答正在形成印度的科学研究中心，加尔各答大学和拉曼的团队处于许多期望的中心。1921年，拉曼代表加尔各答大学在英国演讲，表明他们的工作得到了国际上的认可。

回到印度后，拉曼立即在科学教育协会开始了一系列的实验和理论研究，探索光在各种透明介质中的散射规律。很多人参与了这些研究。这些人大多是学校教师，他们在休息日来到科学教育协会，在拉曼的监督下或在他的监督下进行光散射和其他实验，在他的研究中发挥积极作用。他们在7年里发表了大约50或60篇论文。他们首先研究了各种介质中分子散射的规律，选择了不同的分子结构、不同的物理状态、不同的压力和温度，甚至在发生相变的临界点上进行了散射实验。1922年，拉曼写了一本小册子，总结了这项研究，题为《光的分子衍射》，他在书中系统地解释了他的观点。在最后一章中，他提到了量子理论在散射现象分析中的应用，并建议进一步的实验可能区分经典的电磁学理论和量子碰撞理论。

1923年4月，他的一个学生，K.R.Ramanathan，第一次观察到光散射的颜色变化。该实验以太阳为光源，将紫色滤光片照射在装有纯水或纯酒精的烧瓶上，然后从侧面观察。令人惊讶的是，观察到一个非常弱的绿色成分。Ramanathan并不理解这种现象，他认为这是由于杂质造成的二次辐射，类似于荧光。因此，本文将其称为“弱荧光”。然而，拉曼不认为这是杂质造成的。如果是杂质的荧光，则应在仔细纯化的样品中消除这种影响。

在接下来的两年里，拉曼的另一位学生K.S.Krishnan观察了65种纯化液体的散射光，发现它们都有类似的“弱荧光”，并发现变色的散射光部分偏振光。众所周知，荧光是一种不偏振光的自然光。证明了这种波长变化现象不是荧光效应。

拉曼和他的学生们想出了许多方法来研究这一现象。他们试图把散射光拍下来作比较，但失败了。他们使用了互补滤光片，一种带有短焦距透镜的大型望远镜目镜来聚焦太阳，并将测试样品从液体扩展到固体。

与此同时，拉曼也在寻找理论解释。拉曼在1924年访问了美国，当时A.H.康普顿刚刚发现了波长较长的x射线散射效应，怀疑者们掀起了一场争论。拉曼显然从康普顿的发现中得到了重要的启示，他后来将其视为“康普顿效应的光学对应体”。拉曼经历了与康普顿相似的曲折，他花了六七年的时间在1928年初得出了一个明确的结论。拉曼此时已经意识到变色、弱偏振散射光是一种普遍现象。他将这种新辐射称为“修正散射”，参照了康普顿效应中发现的散射模式。拉曼进一步改进了滤光方法，在蓝色和紫色滤光片的前面加了一块铀玻璃，使入射的太阳光只能通过更窄的波段，然后用可视分光镜观察散射光，发现所显示的光谱在可变散射和恒定入射光之间，有一个暗区。

1928年2月28日下午，拉曼决定使用单色光作为光源，并进行了一个非常美丽和重要的实验。他通过视觉分光镜观察散射光，在蓝色和绿色区域看到了两条以上清晰的亮线。每条入射谱线都有对应的可变散射线。一般情况下，变散射线的频率低于入射射线的频率。偶尔，散射线的频率比入射射线高，但强度较低。

不久，人们开始把这种新发现的现象称为拉曼效应。1930年，美国光谱学家r.w.伍德将低频可变散射线命名为斯托克斯线。频率较高的是反斯托克斯线。

拉曼光谱

当光照射到材料上时，除了与被激发光具有相同波长的弹性成分(瑞利粉末)外，它会散射

喇曼散射

也有比被激发光的波长长和短的成分，后一种现象统称为拉曼效应。分子振动、固体中的光学声子和激发光相互作用产生的非弹性散射称为拉曼散射。一般将瑞利散射和拉曼散射结合形成的光谱称为拉曼光谱。由于拉曼散射非常微弱，直到1928年才被印度物理学家拉曼等人发现。

当他们用汞灯发出的单色光照射一些液体时，他们在液体的散射光中观察到新的谱线，其频率低于入射光的频率。在Raman等人宣布他们的发现几个月后，苏联物理学家Lands-Bierg等人也独立报道了晶体中存在这种效应。由于拉曼散射非常弱，其强度约为瑞利散射的千分之一。在激光出现之前，获得良好的光谱通常很耗时。激光的出现给拉曼光谱学带来了巨大的变化。由于激光器输出的激光具有很好的单色性、方向性和高强度，因此它们几乎成为获得拉曼光谱的理想光源。[2]

典型的应用程序

(1)材料检查：无机和有机污染，应力材料

(2)腐蚀产物：不同氧化物的鉴定

(3)碳：金刚石-CVD和天然、无定形碳、碳纤维。(3)碳：金刚石-CVD和天然、无定形碳、碳纤维

(4)催化剂和电极表面的活化贝茨。(4)催化剂和电极表面的活化贝茨

(5)法医学：毒品、爆炸物、织物等的检测鉴定。(5)法医学：毒品、爆炸物、织物等的检测鉴定。适合出庭

(6)矿物学和宝石学：特征、内含物、纯度

(7)艺术：鉴定材料和绘画，(餐厅!)使复原使(建筑物等)恢复为艺术品

物理学原理

玻恩说，拉曼效应的机制与荧光不同，它不吸收激发的光，因此不能用实际的高能级来解释

拉曼光谱

黄坤用虚上能级的概念说明了拉曼效应。

假设散射体分子原本处于电子基态，其振动能级如上图所示。当受入射光照射时，受激发态光与该分子作用所产生的极化可视为虚吸收，表示为电子向虚态跃迁。虚能级上的电子立即跃迁到较低能级并发出光，即散射光。如图所示，有三种情况。在散射光中既有与入射光频率相同的光谱线，也有不同频率的光谱线。前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。在拉曼线中，频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。

拉曼的贡献

当拉曼发现异常散射的消息传遍世界时，引起了强烈的反应，许多实验室重复了这一发现，证实并发展了他的结果。1928年，发表了57篇关于拉曼效应的论文。科学界对他的发现给予了高度评价。拉赫曼是印度人民的骄傲，也是第三世界科学家的榜样。他在独立前的印度度过了大半生，却取得了如此杰出的成就，令人钦佩。特别值得一提的是，Raman是一名在印度国内接受培训的科学家。他一直立足印度国内的努力，艰苦奋斗，建立了独具特色的科研中心，已经走到了世界前列。

1934年，拉赫曼与其他学者创立了印度科学研究所，并担任所长。1947年，拉曼研究所成立。他在发展印度科学方面做得很好。拉曼对分子散射问题的把握非常敏锐。贯穿他多年努力的一条清晰的线索是，坚持对理论弱点进行基础研究。从印度科学教育协会到拉赫曼研究所，拉赫曼一直被有才华的学生和合作者所包围。在光散射统计这一课题上，30年间，他实验室的66位学者发表了377篇论文。他谆谆教导他的学生，深受他们的钦佩和爱戴。拉曼喜欢音乐，也喜欢鲜花和石头。他对钻石结构的研究花掉了他的大部分奖金。晚年，他致力于花的光谱分析。在他80岁生日时，他的作品集出版了：《视觉生理学》。拉曼爱玫瑰胜过一切。他有一个玫瑰园。拉曼于1970年去世，享年82岁，并按照他的意愿在他的花园里火化。

相关信息

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电化学原位拉曼光谱是利用材料分子入射光频率发生较大变化的散射现象，将单色入射光(包括圆偏振光和线偏振光)激发到电位调制电极表面。通过测量散射后拉曼光谱信号(频率、强度和极化性能变化)以及电极电位或电流强度等。由于材料分子的拉曼光谱通常很弱，因此为了获得增强信号，采用电极表面粗化的方法可以获得强度提高104-107倍的表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS)光谱。当具有共振拉曼效应的分子吸附在较粗的电极表面时，获得了表面增强的共振拉曼散射(SERRS)光谱，其强度增强了102 ~ 103倍。

电化学原位拉曼光谱测量装置主要包括拉曼光谱仪和原位电化学拉曼电池。拉曼光谱仪由激光源、采集系统、分光光度计系统和检测系统组成。光源一般采用能量集中、功率密度高的激光。采集系统由透镜组组成。分光光度检测系统采用光栅或陷波滤波器结合光栅滤除瑞利散射和杂散光，分光光度检测系统采用光电倍增管探测器、半导体阵列探测器或多通道电荷耦合装置。原位电化学拉曼电池一般有工作电极、辅助电极、参比电极和通风装置。为了避免腐蚀性溶液和气体对仪器的侵蚀，拉曼池必须配备光学窗密封系统。在实验条件允许的情况下，为了尽量避免溶液信号的干扰，应采用薄层溶液(电极与窗间距为0.1 ~ 1mm)，这对于微拉曼系统非常重要。太厚的光窗或溶液层会导致微系统的光路发生变化，从而降低表面拉曼信号的收集效率。电极表面粗化最常用的方法是电化学氧化还原循环(ORC)法，可以进行原位或非原位ORC处理。

原位拉曼光谱的研究进展如下：首先，通过表面增强将检测系统扩展到过渡金属和半导体电极；虽然电化学原位拉曼光谱是一种更灵敏的现场检测方法，但只有银、铜和金电极才能在可见光区域产生更强的SERS。许多学者尝试在过渡金属电极和半导体电极上实现表面增强拉曼散射，具有重要的应用背景。其次，通过分析研究电极表面吸附物质的结构和取向，以及SERS谱与客体电化学参数的关系，在分子水平上描述电化学吸附现象。第三，通过改变调制电位的频率，可以得到两个电位下变化的“时间分辨谱”，从而分析系统的SERS谱峰与电位的关系，解决电极表面SERS活性位点随电位变化所带来的问题。[3]

光纤传输与接入

光纤通信、光波、光强、光频率

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光学仪器

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摄影光学系统照相制版系统立体效果光速相位速度

-漫反射-漫反射透射-图像-透视-景深

折射率干涉条纹干涉电平白光条纹牛顿环

其他专业术语

物理效应

阿哈罗诺夫-玻姆效应 多普勒效应 辐射压 霍尔效应 趋肤效应

卡西米尔效应 拉曼效应 穆斯堡尔效应 普朗特-格劳尔奇点 红移

塞曼效应 声致发光 斯塔克效应 焦耳-汤姆孙效应 内光电效应

别费尔德-布朗效应 参考系拖拽 咖啡环效应 安德烈夫反射 巨磁阻效应

康达效应 廷得耳效应 引力时间延迟效应 文丘里效应 时间膨胀

毛细现象 测地线效应 热胀冷缩 热电效应 特斯拉效应

盎鲁效应 相对论性多普勒效应 磁冻结效应 磁扩散效应 磁致伸缩

磁阻效应 莱顿弗洛斯特现象 蓝移 萨克斯-瓦福效应 近藤效应

重力红移 量子反常霍尔效应 铁磁超导体 钻穿效应

参考资料

1.贾维国， 乔丽荣， 王旭颖，等. 拉曼效应和参量放大共同作用下增益谱特性[J]. 物理学报， 2012, 61(19):194209-194209.

2.柴宏宇， 贾维国， 韩凤，等. 光子晶体光纤不同频率区域拉曼效应增益谱[J]. 光学学报， 2013, 33(12):207-213.

3.里佐威. 光纤中的拉曼效应[J]. 物理实验， 2001, 21(4):19-21.

学术论文

内容来自

金尚忠，周文，张在宣等.光纤拉曼散射效应及其应用研究 《激光与红外》 ，2002

张晓丹，赵颖，朱锋，魏长春等.VHF-PECVD低温制备微晶硅薄膜的拉曼散射光谱和光发射谱研究 《物理学报》 ，2005

刘建胜，刘晶儒，张振荣等.利用拉曼散射测量燃烧场的组分浓度及温度 《光学学报》 ，2000

柯惟中，吴缄中.氨基酸在银胶溶液中的表面增强拉曼效应 《光谱学与光谱分析》 ，2004

李耀群，黄贤智，陈国珍.恒能量同步荧光法和恒能量同步导数荧光法克服拉曼散射干扰 《科学通报》 ，1991

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