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光的散射（英文：scattering of light），是指光通過不均勻介質(zhì)時(shí)一部分光偏離原方向傳播的現(xiàn)象。

光的散射研究始于1899年，英國物理學(xué)家約翰·威廉·斯特拉特提出的瑞利散射定律解釋了光在大氣中的彈性散射現(xiàn)象。1922年，路易·布里淵發(fā)現(xiàn)了布里淵散射，次年康普頓發(fā)現(xiàn)了康普頓散射，1928年拉曼發(fā)現(xiàn)了拉曼散射，這些發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了光與物質(zhì)相互作用的理解，涵蓋了非彈性過程。20世紀(jì)40年代中期，由于紅外技術(shù)的進(jìn)步和商品化，使拉曼散射光譜的研究一度衰落。20世紀(jì)60年代后，激光技術(shù)的發(fā)展使拉曼技術(shù)得以復(fù)興。20世紀(jì)70年代，中國開始系統(tǒng)地開展光散射研究，包括拉曼光譜和SERS。總體來看，中國在激光散射理論和實(shí)驗(yàn)研究中取得了顯著進(jìn)展。

散射是光與物質(zhì)相互作用的結(jié)果，由于介質(zhì)的非均勻性使得次波的相位無規(guī)性，光的傳播在各個(gè)方向上產(chǎn)生了不同的強(qiáng)度分布。光的散射從光頻率是否改變的角度可以分為彈性散射和非彈性散射。按散射介質(zhì)在光電場作用下極化與電場間的關(guān)系，可以把散射分成線性散射和非線性散射兩類，線性散射對(duì)應(yīng)彈性散射；非線性散射對(duì)應(yīng)非彈性散射。彈性散射有米氏散射、瑞利散射；非彈性散射有路易·布里淵散射、康普頓散射、拉曼散射。

光的散射應(yīng)用廣泛，其中拉曼散射的應(yīng)用涉及許多學(xué)科領(lǐng)域，例如物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、電子科學(xué)、生物生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地球科學(xué)、天體科學(xué)等。瑞利散射廣泛應(yīng)用于有機(jī)高分子化合物的結(jié)晶行為、聚合物共混體系的相結(jié)構(gòu)研究以及大氣污染監(jiān)測(cè)，并解釋了天空藍(lán)色和日出日落的色彩現(xiàn)象。布里淵散射主要應(yīng)用于分布式光纖傳感當(dāng)中，其在溫度、應(yīng)變測(cè)量上達(dá)到的測(cè)量精度、范圍以及空間分辨率明顯高于基于瑞利散射/拉曼散射的傳感技術(shù)。

發(fā)展簡史

光的散射的早期研究始于1899年，英國物理學(xué)家約翰·威廉·斯特拉特（瑞利男爵）提出了瑞利散射定律，這一發(fā)現(xiàn)解釋了光在大氣中如何彈性散射，從而解決了“天空為何呈藍(lán)色”的自然之謎。瑞利定律的提出奠定了光散射研究的基礎(chǔ)，為后續(xù)的研究提供了理論支持。1922年，法國物理學(xué)家萊昂·布里淵發(fā)現(xiàn)了布里淵散射；次年，康普頓研究了X射線通過物質(zhì)時(shí)向各個(gè)方向散射，發(fā)現(xiàn)康普頓散射；1928年，印度物理學(xué)家錢德拉塞卡拉·拉曼發(fā)現(xiàn)了拉曼散射，1922年路易·布里淵散射和1928年拉曼散射的發(fā)現(xiàn)，把光與物質(zhì)的相互作用又?jǐn)U大到非彈性過程。在這一過程是中，不僅光的傳播方向發(fā)生變化，而且光的頻率也發(fā)生移動(dòng)，從而提供了更豐富的關(guān)于光與物質(zhì)相互作用的信息。

20世紀(jì)30年代和40年代，拉曼光譜由于其在中紅外、遠(yuǎn)紅外甚至微波區(qū)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注。但是散射光一般很弱，瑞利散射約為入射光強(qiáng)的10-3，拉曼散射光強(qiáng)約為入射光強(qiáng)的10-8，并要求被測(cè)樣品的體積必須足夠大和無色，無塵埃，無熒光等等，限制了它的發(fā)展。20世紀(jì)40年代中期，由于紅外技術(shù)的進(jìn)步和商品化，拉曼散射光譜的研究一度受到冷落。20世紀(jì)60年代后，激光技術(shù)的發(fā)展使拉曼技術(shù)得以復(fù)興，由于激光束的高亮度，方向性和偏振性等優(yōu)點(diǎn)，成為拉曼光譜理想光源，隨著探測(cè)技術(shù)的改進(jìn)和對(duì)被測(cè)樣品已無嚴(yán)格要求，拉曼散射在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域拉曼光譜得到了廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，中國開始系統(tǒng)地開展光散射研究，涵蓋了包括晶體及相變的拉曼光譜、表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）和相干反斯托克斯拉曼散射等多個(gè)領(lǐng)域。南開大學(xué)、北京大學(xué)等單位逐步取得了顯著進(jìn)展，特別是在晶體聲子譜研究中，包括一些首創(chuàng)的晶體材料。同時(shí)，中國科學(xué)院物理研究所和南開大學(xué)等單位開展了結(jié)構(gòu)相變的光散射研究，如鐵電相變和鐵彈相變等。此外，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、北京大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)等單位對(duì)半導(dǎo)體材料和高壓拉曼散射進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了新聲子模式，并在逐步追趕國際先進(jìn)水平的過程中取得了進(jìn)展。

1974年，夫里斯切曼等人發(fā)現(xiàn)了SERS現(xiàn)象，顯著增強(qiáng)了銀膠上的分子拉曼光譜強(qiáng)度，引發(fā)了廣泛關(guān)注。中國科學(xué)院物理研究所成為中國最早開展SERS系統(tǒng)研究的單位，并提出了考慮物理化學(xué)增強(qiáng)作用的模型。中國科學(xué)院化學(xué)研究所通過簡化模型推算了SERS中的極化率改變，吉林大學(xué)發(fā)現(xiàn)了一種簡便的測(cè)量SERS的方法，而中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院則發(fā)現(xiàn)氯化銀膠體中的SERS效應(yīng)不依賴于銀顆粒的存在。這些研究在國際上獲得了高度評(píng)價(jià)。此外，復(fù)旦大學(xué)和中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所等單位在相干反斯托克斯拉曼效應(yīng)方面也取得了卓有成效的研究成果。由于布里淵散射設(shè)備復(fù)雜性，中國的研究起步較晚，主要集中在彈性波和磁振子的散射上。中國科學(xué)院物理研究所通過球形小單晶的路易·布里淵散射測(cè)量及相應(yīng)計(jì)算機(jī)程序，獲得了晶體的彈性和壓電參數(shù)。在磁振子的研究中，發(fā)現(xiàn)了新的自旋波模式。南京大學(xué)則在超晶格中的聲子布里淵散射研究方面做出了貢獻(xiàn)。總體來看，中國在激光散射理論和實(shí)驗(yàn)方面，如受激拉曼散射、受激布里淵散射等，取得了顯著進(jìn)展。

基本原理

光的散射是光通過密度或折射率等不是均勻分布的介質(zhì)時(shí)，除在光的傳播方向外，在其他方向也可見到光。在傳播方向之外的光稱為散射光。光的散射是光與物質(zhì)相互作用的結(jié)果。產(chǎn)生光散射的原因是多種多樣的，因此散射規(guī)律也不完全相同。在入射光作用下，介質(zhì)分子（原子）或其中的雜質(zhì)微粒極化后作為次波源輻射次波。在完全純凈均勻的介質(zhì)中，各次波源的相位關(guān)系使得光線只在遵守幾何光學(xué)規(guī)律的方向上傳播。當(dāng)介質(zhì)不均勻時(shí)，各次波的相位無規(guī)性導(dǎo)致次波疊加結(jié)果呈非相干性，使得除了原入射光方向外，其他方向也有光強(qiáng)分布，形成光的散射。

基本分類

散射可以分為多種類型。根據(jù)光子能量是否改變（光頻率是否改變的角度）可以將散射分為彈性散射和非彈性散射，前者散射后光子能量不變，即波長、頻率均不變；后者散射后光子的波長和頻率改變了。彈性散射有米氏散射、瑞利散射；非彈性散射有曼散射、路易·布里淵散射、康普頓散射、拉曼散射；按散射介質(zhì)在光電場作用下，極化與電場間的關(guān)系，可以將散射分成線性散射和非線性散射兩類。非線性散射，散射光波長與人射光波長不同，這時(shí)介質(zhì)的不均勻性隨時(shí)間變化，光波與其作用交換能量，使得散射光的能量，即頻率發(fā)生了變化，對(duì)應(yīng)非彈性散射；線性散射，是指散射光波長與人射光波長相同，這時(shí)介質(zhì)的不均勻性與時(shí)間無關(guān)，散射光的頻率不會(huì)發(fā)生變化，只是沿波向量方向受到偏折，對(duì)應(yīng)彈性散射。對(duì)于光散射，按照散射微粒的大小，又分為大粒子散射或稱為廷德爾散射(散射粒子的線度遠(yuǎn)大于入射光波的波長)、米氏散射(散射粒子線度與入射光波長相比擬)和瑞利散射(散射粒子線度小于入射光波波長)，瑞利散射常常又稱為分子散射。線性散射是日常生活中最常見的散射現(xiàn)象。而非線性散射包括拉曼散射、路易·布里淵散射等，非線性散射現(xiàn)象與構(gòu)成介質(zhì)的微觀粒子(如原子、分子)的量子能級(jí)有關(guān)，在研究物質(zhì)成分、分子的結(jié)構(gòu)和分子動(dòng)力學(xué)方面具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

彈性散射

米氏散射

米氏散射指由較大顆粒(線度接近或大于光波長)產(chǎn)生的散射稱為米氏散射。當(dāng)粒子線度a與光波長可以比擬(a/入數(shù)量級(jí)為0.1~10)甚至更大時(shí)，隨著粒子線度的增大，散射光強(qiáng)與波長的依賴關(guān)系逐漸減弱，而且散射光強(qiáng)隨波長的變化出現(xiàn)起伏，這種起伏的幅度也隨著比值a/入的增大而逐漸減少。

米氏散射的強(qiáng)度與光波長的2次方成反比，且隨著顆粒的增大，散射強(qiáng)度隨波長變化的起伏變?nèi)酰绻w粒尺寸再增加，大于50λ，那么就不能再以散射模型來分析，而是直接以幾何光學(xué)模型來討論了。

瑞利散射（分子散射）

瑞利散射是彈性散射的一種，也稱分子散射。分子散射的約特點(diǎn)是散射光波長與入射光波長相同，散射光強(qiáng)除與方向有關(guān)外與波長四次方成反比。通常需要滿足的條件是微粒尺度遠(yuǎn)小于入射光波長，一般要小于波長的1/10，且各個(gè)方向的散射強(qiáng)度不一致，該強(qiáng)度與波長的4次方成反比。

廷德爾散射（大粒子散射）

廷德爾散射指當(dāng)雜質(zhì)微粒的線度比光的波長小，它們之間的相互距離又比波長大，而且排列又是雜亂無章的。因此，雜質(zhì)微粒在光的作用下引起的受迫振動(dòng)，彼此間沒有固定的位相關(guān)系，在任何觀察點(diǎn)所看到的是次波的不相干迭加，這種迭加到處不會(huì)消失，從而形成了散射光。人們把這種由介質(zhì)雜質(zhì)微粒引起的散射稱為廷德爾散射。

非彈性散射

非彈性散射即指散射前后光的波長發(fā)生了改變。

布里淵散射

布里淵散射也是非彈性散射的一種，本質(zhì)上也屬于拉曼效應(yīng)，是由于光在介質(zhì)中受到激發(fā)后產(chǎn)生不同頻率的散射光。原理如下：一個(gè)泵浦光子轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的頻率較低的斯托克斯光子并同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)新的聲子；同樣地，一個(gè)泵浦光子吸收一個(gè)聲子的能量轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的頻率較高的反斯托克斯光子，其實(shí)原理類同于拉曼散射。

康普頓散射

1923年，康普頓及其后不久的吳有訓(xùn)研究了X射線通過物質(zhì)時(shí)向各個(gè)方向散射的現(xiàn)象。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，散射的X射線不僅包含與原射線波長相同的成分，還有波長較長的成分。這種波長發(fā)生改變的散射現(xiàn)象被稱為康普頓散射或康普頓效應(yīng)。

拉曼散射

拉曼散射是指1928年印度科學(xué)家拉曼觀察到光穿過透明液體介質(zhì)時(shí)，有不同于人射光顏色的光出現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)這些被散射的光子中一部分保留了入射光的頻率，同時(shí)還包含了一部分頻率發(fā)生變化的光，即部分入射光與分子相互作用后發(fā)生了非彈性散射現(xiàn)象。這一現(xiàn)象被命名為拉曼散射(Ramarscattering)或拉曼效應(yīng)(Ramaneffect)。同年稍后，Landsberg和Mandelstam在晶體中也發(fā)現(xiàn)散射光頻率發(fā)生變化這一現(xiàn)象。

應(yīng)用領(lǐng)域

布里淵散射應(yīng)用

布里淵散射目前大量應(yīng)用于分布式光纖傳感當(dāng)中，而且由于它在溫度、應(yīng)變測(cè)量上達(dá)到的測(cè)量精度、范圍以及空間分辨率明顯高于基于瑞利散射/拉曼散射的傳感技術(shù)，所以得到了廣泛的研究與關(guān)注。布里淵散射的研究在中國起步較晚，由于其設(shè)備較為復(fù)雜，早期主要集中在彈性波和磁振子散射的領(lǐng)域。中國科學(xué)院物理研究所利用球形小單晶的音速方向異性，通過路易·布里淵散射測(cè)量和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，成功獲得了晶體的全部彈性參數(shù)和壓電參數(shù)。此外，在磁振子研究方面，該研究所發(fā)現(xiàn)了在含鉍的石榴石中存在連續(xù)自旋波譜，并在反平行磁化的雙層膜中獲得了新的高頻自旋波模式。

瑞利散射應(yīng)用

在日常生活和科學(xué)研究中，瑞利散射有廣泛的應(yīng)用。利用瑞利散射，可以研究有機(jī)高分子化合物的結(jié)晶行為和結(jié)晶結(jié)構(gòu)；通過對(duì)瑞利散射的圖樣進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)變，可研究聚合物共混體系的相結(jié)構(gòu)即相尺寸。通常情況下，散射光的強(qiáng)弱可用于判斷材料光學(xué)均勻性的好壞。通過對(duì)各種介質(zhì)彈性散射性質(zhì)的測(cè)量和分析，可以獲取膠體溶液、渾濁介質(zhì)、晶體和玻璃等光學(xué)材料的物物理化學(xué)性質(zhì)，確定流體中散射微粒的大小和運(yùn)動(dòng)速率。利用激光在大氣中的散射，可以測(cè)量大氣中懸浮微粒的密度、檢測(cè)大氣污染的程度等。

根據(jù)瑞利定律，也可解釋何以天空是蔚藍(lán)色，而日落日出時(shí)太陽星橙色因大氣的分子密度就微觀而言是有漲落的，由于這種分子密度的不均勻性，短波的藍(lán)光在高空散射有較大光強(qiáng)，故天空呈蔚藍(lán)色。而日落、日出時(shí)，陽光透過厚厚的大氣層，藍(lán)光散射較多之后，紅黃光透過，故落、日出時(shí)太陽呈橙色。

拉曼散射的應(yīng)用

拉曼效應(yīng)為人類提供了了解分子的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要途徑深化了關(guān)于分子世界的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也開發(fā)了一系列探測(cè)新技，應(yīng)用涉及許多學(xué)科領(lǐng)域，例如物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、電子科學(xué)、生物生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地球科學(xué)、天體科學(xué)等。

分子結(jié)構(gòu)的研究

拉曼光譜是一種基于分子振動(dòng)的光譜技術(shù)。拉曼頻移與分子的振動(dòng)能級(jí)相對(duì)應(yīng)，不同的振動(dòng)模式導(dǎo)致不同的振動(dòng)頻率，從而可以用來鑒定化合物的結(jié)構(gòu)基團(tuán)。這種技術(shù)可以直接確定化合物的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)變化。拉曼光譜還用于研究分子振動(dòng)的非諧性。

定量分析中應(yīng)用

拉曼光譜可以用于定量分析，因?yàn)槔?a href="/hebeideji/236254348040678544.html">譜線的強(qiáng)度與樣品分子的濃度呈正比。通過測(cè)量拉曼散射光的強(qiáng)度，結(jié)合內(nèi)定標(biāo)物質(zhì)（如四氯化碳離子、硝酸根離子）可以提高定量分析的準(zhǔn)確性。與紅外光譜相比，拉曼散射適用于水溶液樣品，并能同時(shí)測(cè)量多組分。

自由基研究

拉曼散射在研究自由基方面具有重要應(yīng)用。特別是利用共振拉曼技術(shù)和短脈沖激光器，可以研究短壽命自由基。不同的方法（如電化學(xué)溶液法、混合流動(dòng)法、低溫基質(zhì)隔離法）可用于穩(wěn)定和不穩(wěn)定自由基的測(cè)量。時(shí)間分辨激光拉曼光譜裝置可以研究在光解或輻射分解過程中產(chǎn)生的自由基。

表面增強(qiáng)拉曼光譜

表面增強(qiáng)拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering SERS）是一種高靈敏度的拉曼散射檢測(cè)技術(shù)。SERS現(xiàn)象是指當(dāng)分子吸附在某種金屬表面時(shí)，其散射截面比不吸附時(shí)增大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)例如當(dāng)吡啶分子吸附于銀電極表面時(shí)，其散射截面比常態(tài)吡啶分子增大了5~6個(gè)數(shù)量級(jí)，其主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：

當(dāng)前對(duì)對(duì)表面增強(qiáng)拉曼散射的理論還不完善。一般認(rèn)為，當(dāng)入射光子與金屬表面的電荷密度振蕩（表面等離子體）發(fā)生相互作用時(shí)，會(huì)在表面附近引發(fā)電場增強(qiáng)，從而顯著增加散射截面。金屬表面的粗糙度有助于減弱對(duì)波向量守恒的要求，促進(jìn)入射光子能量的有效傳遞到表面等離子體。

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