1921年夏天，印度物理学家拉曼（C. V. Raman）乘船穿越地中海。蔚蓝的海水在阳光下泛着乳光，令他心驰神往。当时主流科学界普遍认为，海水之所以呈现蓝色，是因为它反射了天空的颜色；英国物理学家瑞利勋爵（Lord Rayleigh, 1904诺贝尔物理学奖得主）也曾提出，水体本身几乎不散射光，因此蓝色只是“镜面反射”的结果^[1]。

然而，拉曼对此深表怀疑。他敏锐地意识到：如果说天空的蓝色源于空气分子对阳光的散射（即瑞利散射），那么海水的蓝色是否也可能源于水分子本身的散射作用？这一朴素而深刻的疑问，成为他日后一系列开创性研究的起点。

图1：根据瑞利散射，散射强度与光的波长为负相关，散射后的蓝色光比红色光要多，所以天空一般呈蓝色

意外之喜：拉曼效应的发现

在深入研究液体光散射的过程中，拉曼及其助手克里希南（K. S. Krishnan）注意到一个奇怪现象：

当单色光（如汞灯发出的蓝紫光）穿过某些透明液体时，除了预期中波长不变的瑞利散射光外，还存在极微弱的、颜色略有不同的次级散射光。

起初，他们误以为这是某种“荧光”。但是经过反复提纯样品、更换光源、使用互补滤光片等严谨实验，他们确认这种新辐射具有以下特征：

⦁ 在80多种不同纯净物质中普遍存在；

⦁ 散射光频率既可能低于（红移），也可能高于（蓝移）入射光；

⦁ 其频率偏移量恒定，且与分子的振动或转动能级一致；

⦁ 具有偏振特性，区别于普通荧光。

1928年2月，在改进实验装置后，他们首次清晰拍摄到散射光谱中出现了汞灯光谱中不存在的新谱线。几天后，拉曼用电报向《自然》杂志发出了题为《一种新型二次辐射》的简短报告，宣告了拉曼效应（Raman effect）的发现^[2]。

图2：拉曼成功拍摄第一张拉曼光谱

所谓拉曼效应，是指当单色光照射到物质上时，少量光子与物质分子发生非弹性碰撞，交换能量后以不同频率散射出来。

若分子吸收能量跃迁至高能态，则散射光频率降低；若分子从高能态回落并释放能量，则散射光频率升高。这一过程完美体现了光的量子性——光子能量 E=hν 与分子能级变化精确对应。

拉曼散射借用爱尔兰物理学家斯托克斯（George Stokes）在1852年研究荧光时提出的“斯托克斯位移”概念，即发射光的波长通常比入射光更长。如果散射光相对于入射光频率降低、波长变长，便称为斯托克斯-拉曼散射；而如果散射光频率升高、波长变短，则称为反斯托克斯-拉曼散射。需要注意的是，拉曼散射与荧光在物理机制上并不相同。

图3：给定输入波长下三种不同散射机制的示例及其与散射波长的比较

科学突破：连接经典与量子的桥梁

拉曼效应的发现正值量子力学蓬勃发展的年代。当时康普顿效应（1923年）已证明X射线光子与电子碰撞时会发生波长变化，但人们尚未在可见光波段观察到类似现象。拉曼敏锐地将二者类比：拉曼散射正是康普顿效应在可见光领域的对应^[1]。拉曼效应不仅验证了玻尔原子模型和量子跃迁理论，还催生了基于克拉姆斯-海森堡色散理论的现代量子光学解释。

更重要的是，拉曼效应提供了一种前所未有的手段来探测分子内部结构。

传统红外光谱虽能测量分子振动，但受限于仪器灵敏度和水的强吸收，难以广泛应用。而拉曼光谱将原本位于“超红外”区域的分子振动信息“搬移”到可见光范围，使得普通实验室也能精确测量。

由于发现拉曼效应，拉曼于1930年被授予诺贝尔物理学奖^[3]。诺贝尔奖委员会在颁奖词中提到：“这一方法为研究分子中原子核的振荡开辟了道路（the way has been opened for the investigation of the oscillations of the nucleus of the molecules）。”

图4：1930年诺贝尔奖颁奖典礼：左一为拉曼

技术革命：从基础研究到现代应用

拉曼效应自1928年发现以来，迅速引发全球科学界的关注。一年内相关论文就超过200篇；十年内研究物质多达2500余种。然而，由于信号极其微弱（仅约百万分之一的光子发生拉曼散射），早期研究进展缓慢。

真正的转折点出现在20世纪60年代初——激光的发明为拉曼光谱提供了高强度、单色性好、方向性强的理想光源。此后，表面增强拉曼散射（SERS）、共聚焦拉曼显微、受激拉曼散射（SRS）等新技术相继涌现，使拉曼光谱从实验室走向工业、医疗与日常生活^[4]。

1. 材料科学与化学分析

拉曼光谱如同分子的“指纹”，可无损、快速识别物质成分。它广泛应用于：

⦁ 矿物鉴定与宝石真伪鉴别；

⦁ 药品成分分析（无需破坏包装）；

⦁ 聚合物结构表征；

⦁ 催化反应过程原位监测。

2. 生物医学与癌症诊疗

近年来，拉曼光谱在肿瘤外科中展现出革命性潜力：

⦁ 术中实时区分癌变与健康组织，提高切除精准度；

⦁ 早期检测癌前病变，准确率高达93%以上；

⦁ 监测化疗药物分布与疗效，实现个性化治疗；

⦁ 识别循环肿瘤细胞与外泌体，助力液体活检。

⦁ 结合人工智能与光纤探针技术，拉曼系统甚至可实现微创、无标记、单细胞级别的诊断，被誉为“光学活检”。

3. 环境与安全监测

⦁ 检测水体污染物、大气有害气体；

⦁ 快速筛查爆炸物、毒品等危险品；

⦁ 核废料远程分析，保障操作安全。

图5：拉曼光谱仪的广泛应用

教学与工程实践：拉曼传感教研系统

拉曼效应在材料科学、医学诊疗、环境监测等领域应用十分广泛，因此深入理解其作用机制对于技术创新和发展具有重要价值。

为了让学生在实践中直观感受光与物质之间的相互作用，九章量子推出拉曼传感教研系统。通过观察斯托克斯光与反斯托克斯光的产生，以及光纤中温度分布的测量，学生可以在掌握原理的基础上探索工程应用，体验从基础研究到实际技术的完整过程。

⦁ 模块化设计：系统采用模块化设计，直观呈现内部模块间的连接关系，便于学生理解光纤拉曼传感原理。

⦁ 应用性探索：在掌握原理的基础上，学生可动手测量光纤中温度分布，体验原理与工程应用结合。

⦁ 高性能传感：采用皮秒激光脉冲作为光源，实现具有厘米级空间分辨率的光纤传感。

⦁ 全流程教学方案：配套“百年诺奖”系列平台，覆盖实验操作、数据分析与科研能力培养。

图6：拉曼传感教研系统

此款高分辨拉曼传感教研系统不仅是教学的理想选择，也是科研工作者探索新型传感技术的强大工具。欢迎咨询并预约体验，感受高分辨拉曼传感的真实实验与工程应用。