中国科学技术：《大学物理实验》课程教学资源（专家讲座PPT）喇曼光谱与光谱技术（物理系：尹民）

喇曼光谱与光谱技术 尹民 中国科学技术大学物理系

1 喇曼光谱与光谱技术 尹 民 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

2 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。 CHONA 中国科学技术大学物理系

中国科学技术大学物理系 3 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

The Nobel Prize in Physics 1930 "for his work on the scattering of light and for the discovery of the effect named after him" o Sir Chandrasekhara Venkata Raman (1888-1970) 口 Calcutta University Calcutta,India

4 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。 CHONA 中国科学技术大学物理系

中国科学技术大学物理系 5 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。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： CHONA 中国科学技术大学物理系

中国科学技术大学物理系 6 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。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:

喇曼光谱一些典型应用 .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!)

7  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

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),虚 能级上的电子立即跃迁 到下能级而发光，即为 散射光

8 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），虚 能级上的电子立即跃迁 到下能级而发光，即为 散射光

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。 CHONA 中国科学技术大学物理系

中国科学技术大学物理系 9 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) CHORA 中国科学技术大学物理系 10

中国科学技术大学物理系 10 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)