中国科学技术大学：《喇曼光谱与光谱技术》讲义

中国科学技术火学物理糸 (CHJnA 中国科学技术大学物理系

中国科学技术大学物理系 喇曼光谱与光谱技术 中国科学技术大学物理系

当光照射到物质上时会发生非弹性散射,散 射光中除有与激发光浪长相同的弹性成分(瑞利 散射)外,还有比激发光浪长长的和短的成分 后一现象统称为喇曼效应。由分子振动、固体中 的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非 弹性散射称为喇曼散射,一般把瑞利散射和喇曼 散射合起来所形成的光谱称为喇曼光谱。由于喇 曼散射非常弱,所以一直到1928年才被印度物 理学家喇曼等所发现。 (CHJnA 中国科学技术大学物理系

中国科学技术大学物理系 喇 曼 效 应 当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散 射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利 散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分， 后一现象统称为喇曼效应。由分子振动、固体中 的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非 弹性散射称为喇曼散射，一般把瑞利散射和喇曼 散射合起来所形成的光谱称为喇曼光谱。由于喇 曼散射非常弱，所以一直到1928年才被印度物 理学家喇曼等所发现

他们在用汞灯的单色光来照射某些液体 时,在液体的散射光中观测到了频率低 于入射光频率的新谱线。在喇曼等人宣 布了他们的发现的几个月后,苏联物理 学家兰德斯别尔格等也独立地报道了晶 体中的这种效应的存在。 (CHJnA 中国科学技术大学物理系

中国科学技术大学物理系 他们在用汞灯的单色光来照射某些液体 时，在液体的散射光中观测到了频率低 于入射光频率的新谱线。在喇曼等人宣 布了他们的发现的几个月后，苏联物理 学家兰德斯别尔格等也独立地报道了晶 体中的这种效应的存在

for his work on the scattering of light and for the discovery of the effect named after him? Sir chandrasekhara venkata raman (1888-1970) sB Calcutta University Calcutta. India (CHJnA 中国科学技术大学物理系

中国科学技术大学物理系 The Nobel Prize in Physics 1930 “for his work on the scattering of light and for the discovery of the effect named after him”  Sir Chandrasekhara Venkata Raman (1888 – 1970)  Calcutta University Calcutta, India

喇曼频率及强度、偏振等标志着散射物质的性 质。从这些资料可以导出物质结构及物质组成成 分的知识。这就是喇曼光谱具有广泛应用的原因。 喇曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动 因此从喇曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵 振动能级)与转动能级结构的知识。 喇曼散射强度是十分微弱的,大约为瑞利散 射的干分之一。在激光器出现之前,为了得到一 幅完善的光谱,往往很费时间。激光器的出现使 喇曼光谱学技术发生了很大的变革。 (CHJnA 中国科学技术大学物理系

中国科学技术大学物理系 喇曼频率及强度、偏振等标志着散射物质的性 质。从这些资料可以导出物质结构及物质组成成 分的知识。这就是喇曼光谱具有广泛应用的原因。 喇曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动， 因此从喇曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵 振动能级)与转动能级结构的知识。 喇曼散射强度是十分微弱的，大约为瑞利散 射的千分之一。在激光器出现之前，为了得到一 幅完善的光谱，往往很费时间。激光器的出现使 喇曼光谱学技术发生了很大的变革

这是由于激光器输出的激光具有很好的单色性、 方向性,且强度很大,因而它们成为获得喇曼光 谱的近乎理想的光源,特别是连续波氩离子激光 器。于是喇曼光谱学的研究又变得非常活跃了 其研究范围也有了很大的扩展。除扩大了所研究 的物质的品种以外,在研究燃烧过程、探测环境 污染、分析各种材料等方面喇曼光谱技术也已成 为很有用的工具。以下是其一些典型应用。 (CHJnA 中国科学技术大学物理系

中国科学技术大学物理系 这是由于激光器输出的激光具有很好的单色性、 方向性，且强度很大，因而它们成为获得喇曼光 谱的近乎理想的光源，特别是连续波氩离子激光 器。于是喇曼光谱学的研究又变得非常活跃了， 其研究范围也有了很大的扩展。除扩大了所研究 的物质的品种以外，在研究燃烧过程、探测环境 污染、分析各种材料等方面喇曼光谱技术也已成 为很有用的工具。以下是其一些典型应用

应用 Material checks: anorganic and organic contaminations, stress Corrosions products: identification of different oxides ◆ Carbon a diamond- cvd and natural a amorphous carbon o carbon fibres Adsorbates on catalysts and electrode surfaces ◆ Forensic a n detection identification of drugs, explosives, fabrics etc Mineralogy and Gemmology a characterisation inclusions o purity Art identification of materials and paintings, (restauration! H:中国科学技术大学物理系

中国科学技术大学物理系  Material checks: anorganic and organic contaminations, stress  Corrosions products: identification of different oxides  Carbon  diamond - CVD and natural  amorphous carbon  carbon fibres  Adsorbates on catalysts and electrode surfaces  Forensic  detection & identification of drugs, explosives, fabrics etc.  Mineralogy and Gemmology  characterisation  inclusions  purity  Art  identification of materials and paintings, (restauration!) 喇曼光谱一些典型应用

增基本原 喇曼效应的机制和荧光现象不同,并不吸收激 发光,因此不能用实际的上能级来解释,玻恩和 黄昆用虚的上能级概念说明了喇曼效应。下图是 说明喇曼效应的一个简化的能级图。 (CHJnA 中国科学技术大学物理系

中国科学技术大学物理系 1. 喇曼光谱基本原理 喇曼效应的机制和荧光现象不同，并不吸收激 发光，因此不能用实际的上能级来解释，玻恩和 黄昆用虚的上能级概念说明了喇曼效应。下图是 说明喇曼效应的一个简化的能级图

设散射物分子原来处于基电子态,振动能级如 图所示。当受到入射光照射时,激发光与此分子的 作用引起的极化可以看作为虚的吸收,表述为电子 跃迁到虚态( Virtual state),虛能级上的电子立 即跃迁到下能级而发光,即为散射光。设仍回到初 始的电子态,则有如图所示的三种情况。因而散射 光中既有与入射光频率相同的谱线,也有与入射光 频率不同的谱线,前者称为瑞利线,后者称为喇曼 线。在喇曼线中,又把频率小于入射光频率的谱线 称为斯托克斯线,而把频率大于入射光频率的谱线 称为反斯托克斯线。 (CHJnA 中国科学技术大学物理系

中国科学技术大学物理系 设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如 图所示。当受到入射光照射时，激发光与此分子的 作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子 跃迁到虚态（Virtual state），虚能级上的电子立 即跃迁到下能级而发光，即为散射光。设仍回到初 始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射 光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光 频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为喇曼 线。在喇曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线 称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线 称为反斯托克斯线

瑞利线与喇曼线的波数差称为喇曼位移,因此 喇曼位移是分子振动能级的直接量度。下图给 出的是一个喇曼光谱的示意图 (from Larry G. Anderson, University of Colorado at Denver, Us) 乙:中国科学技术大学物理系

中国科学技术大学物理系 (from Larry G. Anderson, University of Colorado at Denver, US) 瑞利线与喇曼线的波数差称为喇曼位移，因此 喇曼位移是分子振动能级的直接量度。下图给 出的是一个喇曼光谱的示意图