激光拉曼光谱分析
激光拉曼光谱分析法
激光拉曼光谱分析法首先，让我们来了解激光拉曼光谱分析的原理。
拉曼光谱是指物质分子与光子相互作用后发生的能量改变所产生的光的散射现象。
当激光照射到样品表面时，部分被散射，其中一部分发生拉曼散射，即光子在与物质分子相互作用后发生频率改变的过程。
拉曼散射光中含有与样品中分子振动、转动和其他模式有关的信息，通过分析拉曼散射光的频率和强度，可以确定样品的化学成分、结构和状态。
为了实现激光拉曼光谱的测量，需要一套专门的仪器设备。
最基本的设备包括激光器、样品架、光谱仪等。
激光器用于产生高能量、单色的激光束，通常使用激光二极管或激光器作为光源。
样品架用于将待测样品放置在激光束中，确保样品与激光充分接触。
光谱仪用于收集并分析拉曼散射光的频率和强度，通常使用光栅或干涉仪作为光谱分析装置。
激光拉曼光谱的测量过程主要包括样品的准备、实验参数的设置、光谱测量和数据分析等步骤。
首先，需要将待测样品制备成适当的形式，如固体样品可以通过压片或微晶片技术制备，液体样品可以直接放置在样品架上。
然后，根据样品的性质和分析要求，设置合适的激光器功率、波长和探测器增益等参数。
接下来，将样品架放置在激光束中，通过调整样品位置和激光聚焦来最大化拉曼散射光的强度。
然后，使用光谱仪收集拉曼散射光的光谱数据，并通过傅里叶变换等数学方法将时间域数据转换为频域数据。
最后，根据光谱图像和峰位、峰形等特征，可以确定样品的化学成分、结构和状态。
激光拉曼光谱分析法在不同领域具有广泛的应用。
在材料科学领域，可以利用激光拉曼光谱分析法研究材料的结构和相变过程，例如确定纳米材料的尺寸和形态、表征薄膜的物理性质等。
在生物医学领域，可以使用激光拉曼光谱分析法研究生物分子的结构和功能，如检测肿瘤标记物、鉴定细菌和病毒等。
在环境监测领域，可以利用激光拉曼光谱分析法迅速检测土壤、水体、空气中的污染物，例如检测水中重金属离子、鉴别有机污染物等。
综上所述，激光拉曼光谱分析法是一种高分辨率、非破坏性的分析技术，广泛应用于材料科学、生物医学、环境监测等领域。
激光拉曼光谱分析
2 拉曼效应（1） 1）瑞利散射
一个频率为 的单色光（一般为可见光），当
不被物体吸收时，大部分将保持原来的方向穿过 物体，但大约有1/105——1/103的光被散射到各 个方向。并且在与入射光垂直的方向，可以看到 这种散射光。1871年科学家Rayleigh发现了这种 现象，因此称之为瑞利散射。该种散射为弹性碰 撞，光的频率不变。
•11
2 拉曼效应（10）
拉曼散射的多个不同的波数
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2 拉曼效应（11）
拉曼散射的多个不同的波数
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3 拉曼光谱仪（1）
1）激光光源：氩离子激光器，激光波长 514.5nm（绿光）, 氦氖激光器，激光波长 488.0nm（紫光）。
激光的特点：偏振光，强度大，可聚集成很 细的一束。 照射在样品上的一个点（1微米区域），因 此把激光拉曼光谱又称之外激光拉曼微探 针：Laser Raman Microscopy （LRM）
•5
2 拉曼效应（4）
若入射光的波数为0，则拉曼散射的0i 。 又称之为拉曼位移。
E1为分子的基态； E2为除基态以外的某
一能级（如某一振 动态） E3和E3’为该分子的受 激虚态之能级。
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2 拉曼效应（5）
1）处于基态E1的分子受入射 光子h0的激发，跃迁到受 激虚态E3，而后又回到基 态E1。或者E2的分子激发 到E3’，很快又回到E2，这 两种情况下，能量都没有 改变，这种弹性碰撞称之 为瑞利散射，散射光的波 数等于入射光的波数。
散射波的波数等于0＋’
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2 拉曼效应（8）
斯托克斯散射和反斯 托克斯散散统称为拉 曼散射。实际上，反 斯托克斯散射的强度 比较大，因此在拉曼 光谱测定上习惯采用 反斯托克斯散射。
激光拉曼光谱
激光拉曼光谱激光拉曼光谱技术是一种基于激光和拉曼散射原理的光谱分析技术，它通过测量拉曼光谱，研究物质的化学结构、成分信息、物性参数等，以及拉曼光谱和分子结构的关系，为物理、化学和材料科学领域提供了广泛的研究和应用机会。
激光拉曼光谱的研究方法包括电子及共振光谱技术，它可以用来探测物质的结构和性质，也可以识别和分析物质的成分。
激光拉曼光谱的技术依赖的理论基础可以分为普通的拉曼原理、共振拉曼原理和复合拉曼原理。
拉曼原理是由拉曼散射测量分析物质中元素振动或颗粒所产生的拉曼散射现象，这种现象所产生的拉曼光谱容易识别物质的成分和结构。
共振拉曼散射是由物质的外电子云或共价键的频率相关的电磁场的组合而观测到的，它可以获得元素在物质中的分子结构，从而获得物质的化学结构信息。
复合拉曼散射是指拉曼散射和共振拉曼散射结合在一起使用，可以获得更多的信息。
激光拉曼光谱技术是一种灵敏、高分辨率的分析技术，可以应用于多种物质，如生物、材料、环境等，它可以用来检测机理、探索结构、计算反应率,在广泛应用于物理化学研究和机械工程制造领域。
激光拉曼光谱技术的优点可归纳为：（1）精确可靠，它可以测量到物质结构的非常小的变化，而不会受到其他因素的影响；（2）灵敏度高，可以探测到痕量物质；（3）可以获得高分辨率的全光谱信息；（4）可以检测物质的多种特性；（5）对物质的测量不受环境的影响；（6）快速测量，可以快速分析多种物质。
激光拉曼光谱技术的应用十分广泛，它可以应用于工业领域的控制及检测，如分析精细化学品；也可以应用于表面分析，如金属和多层膜结构的探索；可以应用于生命科学领域，如生物分子和生物大分子的结构和物性参数的检测；还可以应用于环境领域，如分析气体、水体中的痕量化学物；还可以应用于材料工程领域，如分析材料的结构和组成，以及晶体内部的分析等。
总之，激光拉曼光谱技术在物理、化学、材料工程、环境等多个领域中都有着广泛的应用，它拥有良好的准确性、灵敏性以及全光谱信息分析能力，而且操作简单便捷，是一种重要的分析技术。
拉曼光谱分析的原理及应用
拉曼光谱分析的原理及应用1. 引言拉曼光谱分析是一种非常重要的光谱分析技术，可以用于物质的成分分析和结构表征。
本文将介绍拉曼光谱分析的基本原理，并探讨其在各个领域的应用。
2. 拉曼光谱分析的原理拉曼光谱分析基于拉曼散射效应，其原理可以简单概括为：物质受到激光照射后，光子与分子进行相互作用，一部分光子会被散射并改变频率，这个频率差称为拉曼散射频移。
通过测量拉曼散射光的频移，可以获取物质的结构信息和振动模式。
3. 拉曼光谱分析的步骤拉曼光谱分析包括以下几个步骤： - 选择适当的激光源和光谱仪，确保实验条件和仪器精度； - 将样品与激光束进行交互作用，通常采用激光聚焦技术，使激光与样品相互作用，产生拉曼散射光； - 使用光谱仪收集拉曼散射光，并对其进行光谱分析，包括频移的测量和峰谱分析； - 对光谱数据进行处理和解析，以获取样品的结构信息和振动模式。
4. 拉曼光谱分析的应用领域拉曼光谱分析在各个领域都有广泛的应用。
以下列举了几个典型的应用领域：4.1 材料科学•材料成分分析：通过拉曼光谱分析，可以对材料的成分进行快速、非破坏性的检测，如金属合金、聚合物材料等。
•相变研究：通过观察拉曼光谱中的频移和峰形变化，可以研究材料在不同温度和压力下的相变过程。
4.2 生物医学•药物分析：拉曼光谱可以用于药物的质量控制和表征，如药物的纯度、结晶形态等。
•细胞研究：通过拉曼光谱技术，可以对细胞内的分子成分和代谢物进行分析，以研究细胞的结构和功能。
4.3 环境监测•气体检测：拉曼光谱分析可以用于快速检测大气中的气体成分，如空气中的二氧化碳、甲烷等。
•水质检测：通过拉曼光谱分析，可以对水质进行快速、非破坏性的检测，如水中的重金属离子、有机物等。
4.4 犯罪科学•鉴定和分析：拉曼光谱分析可以被用于犯罪现场的样品分析和鉴定，如毒品、爆炸物等。
5. 拉曼光谱分析的优势和挑战拉曼光谱分析具有以下优势： - 非破坏性：样品不需要受到破坏或改变，可以进行多次分析。
物理实验技术中的激光散射与拉曼光谱分析
物理实验技术中的激光散射与拉曼光谱分析激光散射与拉曼光谱分析是物理学中重要的实验技术之一。
激光散射是指激光与物质相互作用后，光的散射现象。
而拉曼光谱分析则是通过测量样品散射光的频率偏移，获得与分子结构相对应的分子振动信息。
这两种实验技术在材料科学、化学、生物医学等领域具有广泛的应用。
激光散射实验技术可以分为弹性散射和非弹性散射两种。
弹性散射是指激光与物质相互作用后，散射光的频率与入射光的频率保持不变。
这种散射现象常常用于粒子大小的测量，如散射光的强度与颗粒的粒径成正比。
非弹性散射则是指散射光的频率发生了偏移，由此可获得样品的分子结构和振动信息。
非弹性散射中的拉曼散射是最常用和最重要的一种。
拉曼光谱分析是一种非侵入性的分析技术，可以在不破坏样品的情况下获取样品的信息。
当激光照射到样品上时，其中的光子会与样品分子相互作用，部分光子将发生拉曼散射。
拉曼散射光由于与样品分子振动相互作用，其频率将发生偏移，这种偏移可以通过拉曼光谱仪测量得到。
通过分析拉曼散射光谱，可以了解样品的分子振动模式，从而获得样品的结构、组分以及化学状态等信息。
在实际应用中，激光散射与拉曼光谱分析被广泛应用于多个领域。
在物质科学领域，这种技术可以用于研究材料的结构与性质之间的关系，例如通过研究晶体中声子谱线的偏移，可以了解晶体的结构、相变以及材料中的缺陷。
在化学分析中，拉曼光谱分析可以用于快速和准确地鉴定化学化合物的结构，同时还可用于定量分析。
生物医学领域中，激光散射和拉曼光谱分析可以用于研究生物分子的结构与功能，例如蛋白质、核酸等生物大分子的结构和构象。
为了提高激光散射与拉曼光谱分析的实验效果，一些关键技术也被引入到实验中。
例如，用于激发样品的激光源要具备高功率和高能量的特点，以提高拉曼散射光的强度。
此外，采用高分辨率的光谱仪可以准确地测量拉曼散射光谱，以获取更加精确的分析结果。
同时，在实际应用中，还需要优化样品的制备方法和测量条件，以提高实验的灵敏度和准确性。
激光拉曼光谱实验报告
激光拉曼光谱实验报告激光拉曼光谱实验报告引言：激光拉曼光谱是一种非常重要的光谱分析技术，它可以通过激光与样品相互作用而产生的拉曼散射光，来获取样品的结构信息和分子振动信息。
本实验旨在探究激光拉曼光谱的原理与应用，并通过实验验证其在化学分析中的可行性和准确性。
实验原理：激光拉曼光谱是基于拉曼散射效应的，当激光与样品相互作用时，光子与样品中的分子发生相互作用，部分光子的能量被转移给分子，导致分子的振动和转动状态发生变化。
当光子重新散射出来时，其能量与入射光子相比发生了变化，这种能量差就是拉曼散射光的频率差，也称为拉曼位移。
通过测量拉曼散射光的频率差，可以获得样品的结构信息和分子振动信息。
实验步骤：1. 准备样品：选择一种具有明确结构和振动特征的样品，如苯乙烯。
将样品制备成适当浓度的溶液。
2. 调整仪器：打开激光拉曼光谱仪，调整激光器的功率和波长，确保光束的稳定性和一致性。
3. 校准仪器：使用标准样品进行校准，以确保光谱仪的准确性和可靠性。
4. 测量样品：将样品溶液放置在光谱仪的样品室中，调整光谱仪的参数，如激光功率、积分时间等，开始测量样品的拉曼光谱。
5. 数据分析：将测得的拉曼光谱数据进行处理和分析，通过比对标准谱图和已知结构的样品，确定拉曼峰的对应关系和分子结构。
实验结果与讨论：通过实验测量得到的苯乙烯的拉曼光谱如下图所示。
在光谱中可以观察到多个峰，每个峰对应着分子的不同振动模式。
通过与已知标准谱图的对比，可以确定这些峰的对应关系，从而推断出样品中分子的结构和组成。
在苯乙烯的拉曼光谱中，我们可以观察到几个显著的峰，如1450 cm^-1处的峰对应着苯环的C=C键伸缩振动，800 cm^-1处的峰对应着苯环的C-H键伸缩振动。
这些峰的位置和强度可以提供关于分子结构和键的信息，如键长、键强度等。
激光拉曼光谱在化学分析中有着广泛的应用。
通过测量样品的拉曼光谱，可以快速、无损地获取样品的结构信息和化学成分。
激光拉曼光谱详解
拉曼散射的发展
1928年，印度物理学家拉曼（G.V.Raman）首次发现拉曼 散射效应，荣获1930年诺贝尔物理学奖。 1928——1930年，拉曼光谱成为研究光谱的主要手段。因 为拉曼光谱喇曼频率及强度、偏振等标志着散射物质的性 质。
1940——1960年，拉曼光谱地位一落千丈，主要是因为拉 曼效应太弱，并要求被测样品体积足够大、无色、无尘埃、 无荧光等。
按照统计分布率，分子数在热平衡下按 能量的分布为玻耳兹曼分布，其中α为 能级E的简并度，因此布居在较高能级上 的分子数要少于较低能级上的，这就使 频率增加的散射谱线（反斯托克斯线） 的强度要比频率减少的散射谱线（斯托 克斯线）弱些。
邱 东 敏
拉曼原理
Rayleigh scattering: I λ-4
hn hn’ n = n’ n = n’
n = n’ 这种现象称为拉曼散射 激发态
anti stokes
stokes
虚能级 准激发态
பைடு நூலகம்基态
Raman Rayleigh Raman scattering
为何斯托克斯谱线强度比反斯 托克斯谱线大？
窄的激光器，多波长激光器一起
使用，这样拉曼效果才能出来比较好
何谓瑞利散射、拉曼散 射、斯托克斯散射、反 斯托克斯散射？
瑞利散射
当一束激发光的光子与作为散射中 心的分子发生相互作用时，大部分 光子仅是改变了方向，发生散射， 而光的频率仍与激发光源一致，这 种散射称为瑞利散射。
拉曼效应
光通过介质时由于入射光与分子运动 相互作用而引起的频率及方向发生变 化的散射。其散射光的强度约占总散 射光强度的10－3。拉曼散射的产生原 因是光子与分子之间发生了能量交换， 改变了光子的能量。
【2024版】拉曼光谱分析法--ppt课件
优 滤光片组
检测系统
Nd-YAG激光光源
点 ➢ 荧光背景出现机会小
➢ 分辨率高 ➢ 波数精度和重现性好 ➢扫描快，操作方便 ➢近红外光的特性（光纤维中传递性能好、可穿透生物组织）
PPT课件
29
✓近红 外激光 光源
Nd-YAG激光器代替可见光激光器； 产生1.064μm近红外激发光，比可见光 长约1倍，影响信噪比，FT技术克服； 激发光能量低于荧光所需阈值。
e
e
e
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温度升高 概率大！
3振 电
2动 子
1 0
能 级
基 态
e e
Rayleigh 散射 PPT课件
Raman 散射 8
2、 拉曼光谱图
CCl4的散射光谱
Rayleigh scattering
Stocks lines
anti-Stockes lines
PPT课Δ件ν/cm-1
9
CCl4的拉曼光谱
适用于分子结构分析
PPT课件
11
3、拉曼光谱与分子极化率的关系 拉曼活性取决于振动中极化率是否变化。
若分子在电场E（光波的电磁场）中，产生诱导偶极距μ
μ ＝ αE α为极化率
反映了分子中电子云 变形的难易程度
分子极化率是诱导偶极矩与外电场的强度之比
分子中两原子距离最大时，α也最大
拉曼散射强度与极化率成正比例关系
➢干涉滤光片组，由折射率高低不同 的多层材料交替组合而成。
✓检测器
➢室温下的铟鎵砷检测器 ➢液氮冷却的锗检测器
PPT课件
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三、激光显微拉曼光谱仪
使入射激光通过显微镜聚焦到试样的微小部位 （直径小至5 μm ），可精确获取所照射部位的拉 曼光谱图。 ➢ 共焦显微激光拉曼光谱仪（使用CCD检测器）： 显微镜的物镜和目镜的焦点重合于一点，排除了非 焦点处组分对成像的影响，可显示微区的不同深度 和三维结构信息。 ➢ 激光拉曼光纤探针：光导纤维传感技术与显微镜 耦合而成，可对远距离、特殊环境中试样的拉曼散 射进行原位遥感探测。
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3、拉曼散射基本原理
E1为分子的基态； E2为除基态以外的某一能级
（如某一振动态）
光子
E3和E3'为该分子的受激虚 态之能级。
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（1）处于基态E1的分子受入射 光子h0的激发，跃迁到受激虚 态E3，而后又回到基态E1。或 者E2的分子激发到E3'，很快又 回到E2，这两种情况下，能量 都没有改变，这种弹性碰撞称 光子 之为瑞利散射，散射光的波数 等于入射光的波数。
拉曼光谱 散射光谱 频谱范围10－4500cm－1 水可以作溶剂 样品可盛于玻璃瓶、毛细管 等容器直接测定 固体样品直接测定 可检测不具有偶极距的分子 激发波长是可见光区任一激 发源，色散简单
红外光谱 吸收光谱 频谱范围200－4000cm－1 水不可以作溶剂 不能用玻璃容器测定
固体样品要制成KBr压片 无偶极距的分子无红外吸收 辐射源和吸收需要专门装置
或键的强度没有很大差别。II. 羟基和甲基的质量仅相差2 单位。 III.与C-H和N-H谱带比较，O-H拉曼谱带较弱。
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2941，2927cm-1 ASCH2 2854cm-1 SCH2 1444，1267 cm-1 CH2
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1029cm-1 （C-C） 803 cm-1环
1871年科学家Rayleigh发现了这种现象，因此称之为 瑞利散射。
该种散射为弹性碰撞，光的频率不变。 波长较短的光，其瑞利散射强一些。 (日光中蓝光的 瑞利散射是红光强度的10倍)。
2020/5/25
2、拉曼散射
当单色光照射在样品上，发生瑞利散射的同 时，总发现有1％左右的散射光频率与入射光 不同。把频率与入射光频率不等的这部分效 应命名为拉曼效应（喇曼效应）。
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由于存在红外非活性的问题，因 此人们又继续研究探索，在1928年 的时候，由印度科学家V. C. Raman发现了拉曼效应，并获得 1930年度Nobel物理奖。
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20年代，拉曼光谱曾经是研究分子的重要手段； 40年代后期，随着实验内容的不断深入，拉曼迅速发展， 拉曼光谱的应用研究地位一落千丈； 1960年，激光问世，拉曼光谱具有新型光源，散射 强度显著提高，再次得到广泛应用。 拉曼散射与红外吸收相互补充，二者结合，成为 材料结构研究的重要手段。
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斯托克斯散射和反斯托克斯散散统称为拉曼散 射。由于通常情况下，处于基态的分子数占大多 数，而处于激发态的分子数很少，因此反斯托克 斯散射的强度比斯托克素散射强度弱很多。因此 在拉曼光谱测定上习惯采用斯托克斯散射。
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Raman位移
拉曼位移： ν′(频率之差） 对不同物质：ν′不同； 对同一物质：对应的斯托克斯和反斯托克 斯线的ν′相等；ν′与入射光频率无关，是表征分 子振-转能级的特征物理量进行定性与结构分析 的依据。
3060cm-1r-H) 1600,1587cm-1 c=c)苯环 1039, 1022cm-1单取代
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1000 cm-1环呼吸 787 cm-1环变形
四、 红外与拉曼谱图对比
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红外与拉曼谱图对比
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Nylon hydrophile
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般较弱或强度可变，而在拉曼光谱中则是强谱带。 3）环状化合物的对称伸缩振动常常是最强的拉曼谱带。
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4）在拉曼光谱中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-这类键的对称 伸缩振动是强谱带，反这类键的对称伸缩振动是弱谱带。 红外光谱与此相反。
5）C-C伸缩振动在拉曼光谱中是强谱带。 6）醇和烷烃的拉曼光谱是相似的：I. C-O键与C-C键的力常数
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三、拉曼光谱的应用
applications of Raman spectroscopy
由拉曼光谱可以获得有机化合物的各种结构信息： 1）同种分子的非极性键S-S，C=C，N=N，CC产生强拉曼
谱带， 随单键双键三键谱带强度增加。 2）红外光谱中，由C N，C=S，S-H伸缩振动产生的谱带一
第五部分 激光拉曼光谱分析
laser Raman spectroscopy
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主要内容
一、拉曼的诞生与发展 二、拉曼光谱基本原理 三、拉曼光谱的应用 四、激光拉曼光谱仪 五、红外与拉曼比较
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一、拉曼的诞生与发展
1800年，英国科学家W. Herschel 在测色温 时(即波长越长，所具有的温度越高)，发现了红外 光，Infra－Red。
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近年来发展的拉曼新技术： • 傅立叶变换拉曼光谱仪 • 表面增强拉曼散射 • 超拉曼 • 共振拉曼 • 时间分辨拉曼
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二、拉曼光谱的基本原理
1、瑞利散射 一个频率为的单色光（一般为可见光），当不被物体
吸收时，大部分将保持原来的方向穿过物体，但大约有 1/105——1/103的光被散射到各个方向。并且在与入射 光垂直的方向，可以看到这种散射光。
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（2）处于基态E1的分子受激发， 跃迁到受激虚态E3，而后又回到 基态E2（而非E1）。分子的能 量增加了E2－E1＝hν'，而散射 光的能量减少了hν' 。
散射波的波数等于ν0-ν' 这种非弹性碰撞称之为斯托克 斯散射（Stokes）。
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（3）处于E2的分子受激发，跃 迁到受激虚态E3'，而后又回到 E1。分子的能量减少了E2－E1 ＝hν'，则散射光的能量增加了 hν' 。 散射波的波数等于ν0＋ν' 这种 非弹性碰撞称之为反斯托克斯 散射（Anti－Stokes）。