什么是拉曼散射（Raman Scattering）？

拉曼散射又称拉曼效应，是入射光与透明介质相互作用产生散射光的一种现象。

当光被分子照射后发生散射时，大部分散射光与入射光的频率相同。这意味着没有能量变化，称为瑞利散射。但是，由于光的振荡和分子振动之间的相互作用，有一部分光的频率是不同的。这种光的散射频率发生变化的现象被称为拉曼散射。

从散射光子中观察到的频率变化使其成为一种非线性散射。由于入射光子与相关分子或晶体之间会发生能量交换，因此它也被认为是一种非弹性散射过程。拉曼散射不仅限于固体材料，也可发生在液体和气体中。1928 年，C.V. 拉曼发现了光子对分子的非弹性散射，导致光子激发到更高的能级，这就是所谓的拉曼散射。这种效应为了解材料的分子和结构特性提供了宝贵的见解。

当光线与透明光学介质发生相互作用时，大部分入射光子在材料中传播时不会受到影响，但有一小部分会与介质晶格内的分子或原子振动模式发生作用，导致晶格或分子键发生振动。这些振动导致分子激发到更高的能级，或分子从更高的能级弛豫到更低的能级。光子和分子之间的能量交换会导致频率发生偏移的非瞬时光散射。这种频率偏移被称为拉曼偏移，通常以波长（cm-1）为单位进行测量。它取决于入射光源的特性以及散射分子的旋转和振动特性。

当来自单色光源的光子与分子或晶体相互作用时，光子的振荡电磁场会导致分子电子云极化。结果，分子进入高能状态，光子的能量转移到分子上。这一过程可以看作是光子与分子之间暂时形成的复合物，即所谓的虚态。然而，虚态是短暂且不稳定的，导致光子几乎在瞬间以散射光的形式重新发射。

在大多数情况下，分子中没有能量变化，因此会重新发射相同频率的光。这就是所谓的瑞利散射。分子和散射光子之间很少发生能量转移。

电子从基态被激发后，如果落到振动态而不是基态，那么分子就会从光子中吸收一定的能量，从而发射出比入射光频率更低的光。这种拉曼散射称为斯托克斯散射。由于与振动级相比，基态级的数量更多，因此斯托克斯散射是拉曼光谱中更常见、更主要的过程。
如果电子从振动级被激发，它就会到达能量更高的激发态。当电子下降到基态时，散射光子的频率高于入射光子，从而导致波长变短。这种拉曼散射称为反斯托克斯散射。
级联拉曼散射

级联拉曼散射指的是一种现象，在这种现象中，（拉曼散射产生的）斯托克斯波的强度变得足够高，可以作为后续拉曼过程的泵浦。在级联拉曼散射过程中，初始入射光与介质相互作用，发生拉曼散射，产生频率较低的斯托克斯波。随着入射光强度的增加，斯托克斯波的强度也会增加。产生的斯托克斯波可以作为另一个拉曼散射过程的新泵，从而产生更多频率更低的斯托克斯波。这种级联效应会持续下去，从而产生多个不同频率的斯托克斯波。

级联拉曼散射效应在某些拉曼激光器中尤为明显，高强度斯托克斯波可激发进一步的拉曼散射，从而产生额外的斯托克斯阶次。

斯托克斯散射的波数可表示为

反斯托克斯散射可表示为

其中，ṽ0 是激光的波长，ṽM 是振动转变的波长。

拉曼散射的应用

拉曼散射可提供有关材料分子和结构特征的宝贵信息。基于拉曼散射现象的拉曼光谱被广泛应用于化学、材料科学、生物和制药等各个领域。即使在复杂的环境中，它也能对样品进行非破坏性和非侵入式分析。此外，拉曼散射还应用于光纤、成像和传感领域，可用于化学成像、遥感和痕量物质检测。