[资源分享] 激光拉曼光谱仪

拉曼散射的发展历史

  1928年，印度物理学家拉曼用水银灯照射苯液体，发现了新的辐射谱线：在入射光频率ω0的两边出现呈对称分布的，频率为ω0-ω和ω0+ω的明锐边带，这是属于一种新的分子辐射，称为拉曼散射，其中ω是介质的元激发频率。拉曼因发现这一新的分子辐射和所取得的许多光散射研究成果而获得了1930年诺贝尔物理奖。与此同时，前苏联的兰茨堡格和曼德尔斯塔报导在石英晶体中发现了类似的现象，即由光学声子引起的拉曼散射，称之谓“并合散射”。法国罗卡特，卡本斯以及美国伍德证实了拉曼的观察研究的结果。三十年代，我国物理学家吴大猷等在国内开展了原子分子拉曼光谱研究。1934年，普拉坎克比较详尽地评述了拉曼效应，对振动拉曼效应进行了较系统的总结。三十年代至六十年代，拉曼散射的研究处于一个低潮时期，主要的原因来自激发光源太弱的问题。尽管1940年第一个商用产品双单色仪已经用到光谱仪中，但是由于使用的激发光源大部分为水银弧光灯和碳弧灯，其功率密度低，激发的拉曼散射信号非常弱，人们难以观测研究较弱的拉曼散射信号，更谈不上测量研究二级以上的高阶拉曼散射效应。1960年，红宝石激光器的出现，使得拉曼散射的研究进入了一个全新时期。由于激光器的单色性好，方向性强，功率密度高，用它作为激发光源，大大提高了激发效率。1962年，珀托和伍德首次报道了运用脉冲红宝石激光器作为拉曼光谱的激发光源来开展拉曼散射的研究。从此激光拉曼散射成为众多领域在分子原子尺度上进行振动谱研究的重要工具。

    目前，拉曼散射研究在国内外相当活跃。国际上每两年召开一次拉曼光谱会议，自1969年开始至2004年已经召开了19届国际拉曼光谱会议，其中1994年在香港召开了第14届国际拉曼光谱会议，2000年在北京召开了第17届国际拉曼光谱会议。国内每两年召开一次光散射会议，自1981年开始至2003年已召开了12届光散射会议。

拉曼散射的应用

    拉曼散射的应用涉及许多学科领域，例如：物理学，化学，材料科学，电子科学，生物生命科学，医学，环境科学，地球科学，天体科学等。拉曼散射研究的材料涉及前景相当广阔，可以用于研究固体的元激发，包括极化声子，激子，磁振子，朗道能级等；研究相变，包括铁电相变，位移型相变，有序-无序型相变，无公度相变，混合型相变；研究电子散射，包括稀土离子，施主，受主散射，等离子体散射；研究缺陷杂质相关的局域模，间隙模，共振模；研究薄膜小颗粒，薄膜，超晶格系统振动特性的尺寸效应，界面效应，应力效应，声子限制效应，介电限域效应，量子效应等；研究半导体键角，无序性，应变，应力效应，量子点，量子线以及应变层超晶格；研究磁性材料磁缺陷，杂质光散射，巨磁阻材料晶格振动特性，半磁性半导体自施反转拉曼散射；研究高温超导体的晶格振动，能隙，结构相变，振动模间的非线性互作用；研究表面增强效应，探索其内在机制和统一理论；研究高分子系统的反应机制，链结构，形态效应，玻璃相变，结晶动力学；研究有机和无机材料构型，基团，结构特征等；研究液晶的中介相行为，取向序，临界特性，中介相变；研究生物和医学方面蛋白质构型，生物细胞膜动态行为，DNA初级次级结构与动力学；通过特征拉曼谱研究各有关组织器官等的结构成分；通过共振拉曼散射研究线粒体能量转移，研究癌症发生的机理；通过微区拉曼研究矿物中的包裹物，环境污染，尘埃，微粒结构成分；遥控拉曼可以测量遥远空间水分；工业上通过特征拉曼谱，例如鉴定煤的质量，水泥中的各个不同相结构，材料质量和集成电路的可靠性等。

拉曼散射技术的发展

    拉曼光谱仪经历了从色散型拉曼光谱仪开始，发展到傅立叶变换拉曼光谱仪（抑制荧光效应强，测量快速），共振拉曼光谱仪（增强散射截面，抑制荧光），紫外拉曼光谱仪（紫外光的穿透深度浅，特别适合探测获得表面信息），小型拉曼光谱仪（能耗小，效率高，适合长时间工作）。利用共聚焦效应可以测量不同深度层面的拉曼光谱信息和图像，进行三维立体拉曼光谱的测量研究工作。利用输出功率大的激光脉冲作为激发光源，通过受激拉曼散射、反拉曼散射、超拉曼散射、相干反斯托克斯拉曼散射等效应，发展非线性的拉曼散射，其优点是信噪比高、相干性好，抑制荧光和抗热辐射能力强。利用超快脉冲技术，发展纳秒，皮秒，飞秒时间分辨拉曼光谱技术，可以研究分子、原子跃迁和瞬态过程。结合近场光学显微镜的特点发展的近场拉曼光谱仪，近场拉曼图像仪，扩展了光学衍射的分辨极限。结合利用表面增强效应，提高测试精度和灵敏度，可以测量单分子的拉曼光谱。结合共聚焦的深度层面探测，可以获得三维立体拉曼图谱和图像。