是什么是拉曼光谱？
拉曼光谱（Raman spectroscopy）是用来研究材料分子的振动模式、旋转模式和以及分子内其他低频模式的一种光谱分析技术。对这些频率模式进行分析和判断（专门有一批人做实验或者DFT计算在研究各种频率峰的归属，需要时查论文即可），即可通过拉曼光谱获得分子结构，材料物相，以及分子间的相互作用等信息。
拉曼光谱的由来
我们知道紫外-可见光光谱，红外光谱这些都是根据所使用的入射光的频率来进行命名的，也即紫外可见光光谱使用200-800 nm （紫外可见光区）左右的光对材料进行扫描而得名，红外光谱则是使用800-5000 cm-1 (红外光区)的光对材料进行扫描而得名。
注：波长和波数之间互成倒数关系，也即200-800 nm的波长等同于1/（200-800 nm）的波数，也即10^7 cm-1/(200-800) = 50000-12500 cm-1 （紫外可见光区）。上面有时用波长有时用波数描述光的频率，纯粹出于个人习惯，说明一下，避免新手困惑。
拉曼光谱呢，其命名来自于发现者是印度科学家拉曼（C.V. Raman）,他发现用一束单一频率的光照射材料，除了很强的瑞利散射保持原频率（预期的），还会测得五花八门频率的散射光，这些频率都相较于入射光存在微小的偏移，反映在频谱上，即是在非常强的瑞利散射峰两侧有很多小的散射峰，C.V. Raman通过研究发现这些小的散射峰其实就是由于材料结构与入射光相互作用导致的，从而可以反推出材料的结构信息。基于这一发现，这一光谱以他名字命名，而且在此发现的两年后，C.V. Raman就据此获得诺奖。
怎样获得拉曼光谱呢？
拉曼光谱是一种散射光谱表征技术，这就要区别一般我们所熟知的红外，紫外等的吸收光谱技术。
如下图所示，当入射光照到材料上时，部分光被反射（反射光），部分光穿透材料（透射光），部分光被材料吸收（吸收光），还有部分光则发生杂乱无章的散射（散射光）。拉曼光谱即是测量光与材料相互作用所产生的散射光从而绘制的光谱，因此我们也称这一作用为拉曼散射。
光照射到材料后的几种结果如果你对吸收光谱熟悉的话，吸收光谱一般是用均匀强度的某一波段的光（比如1000-5000 cm-1的红外光，0.5 cm-1的频率分辨率）去扫样品，然后通过测得透射光和反射光，就可以计算样品对光的吸收，由于不同频率的光的吸收不一样，因此就可以得到一个光吸收的频谱，从而反映材料性质。（左图）
拉曼光谱是咋样的而拉曼光谱是用单一频率的光（比如532 nm的绿光）照射样品，然后监测散射光，即为拉曼散射光谱。（右图）
拉曼光谱产生原理
上面说到，拉曼光谱的产生源于入射光与样品之间的相互作用。那到底是怎样的呢？
首先，光照射到样品后，大部分会发生瑞利散射，其只是使光改变方向，并不改变光频这一内在性质。这一点是在Raman散射发现之前，大家都预期得到的。
那么Raman光谱是如何产生的呢？如下图，当一束光照射到一个分子上时，你可以想象光子与分子如同两个刚性颗粒，发生弹性碰撞，过程中，光子能量不存在损耗（也即频率不变），只不过改变了运动方向，而这种弹性散射就被称为瑞利散射。
与此同时，分子由于自身振动等原因，其实没法完全弹性（你发的面，按下去没起来），此时光子会与分子发生非弹性碰撞，光子与分子之间发生能量的交换，从而导致散射光频率发生变化，这一非弹性散射就被称之为拉曼散射。
弹性散射（瑞利）和非弹性散射（拉曼）然而，需要注意的是，非弹性的拉曼散射所占的散射光的比例极低（大约1/10^9），这也就意味着发生频率变化的散射光及其微弱（否则也不至于等到Raman才被发现，并马上给他诺奖）。为了获取这一部分微弱信号，一方面，研究人员采用越来越高功率的激光光源作为入射光（想法很简单，比例虽低，就提高总量，但需要注意的是不要太高而把样品给“烧了”。也很多论文也在讨论激光束对样品的影响）；另一方面，使用滤光片把瑞利散射给过滤掉（瑞利散射光基本没啥信息），就不至于微弱的拉曼散射光淹没在强烈的瑞利散射“光海”中。
注：理论层面上很简单，过滤掉瑞利散射即可，但是拉曼散射所改变的频率实际上极小，也就是说在频谱上，拉曼散射峰极为靠近瑞利散射峰，所以技术层面上所谓的过滤并不那么好实现。假设将瑞利散射峰的频率规定为0， 那么切掉瑞利散射后，保留的拉曼光谱越靠近0值，说明滤光片的性能越好，保留的信息也就越多。这也是购买拉曼光谱仪（至少滤光片）时，需要考虑的重要因素。
拉曼光谱的能量解释
上面很通俗地将分子比作非弹性的球，从而产生拉曼散射。然而，更一般地，我们用分子能级图来说明Raman光谱的产生，尤其解释为什么在瑞利散射两侧均会有拉曼散射出现。
如下图，首先，分子处于能量基态，入射光（蓝线）与分子相互作用，使分子达到一个虚能级。（这里我避免用激发到虚能级的说法，因为虚能级并不存在，仅仅是在基态能量加上入射光能量的一个虚拟能量状态），而随着光被散射出去（红线），能量又回到基态能量。因此构成典型的瑞利散射。
如果处于基态的分子，与光相互作用后，回到的是振动激发态1（绿线），那么说明有一部分光子的能量被分子吸收，而吸收的能量值大小就等于E1-E0，对应的散射光线的频率会减少，这部分散射我们称之为斯托克斯（Stokes）散射。
如果分子本身就处于其振动激发态E1,与光子相互作用后，回到基态E0（紫线），此时有部分能量E1-E0从分子转移到光子，散射光的频率因此增加，这部分散射我们称之为反斯托克斯散射。
注1：图中的线条粗细代表了该种散射方式的比例强弱。由于能量越低的分子数占比越大，分子倾向于回到能量最低的振动基态，因此瑞利散射最强。而比较stokes和反stokes散射，由于前者初始状态从基态开始，分子数多得多，因此其发生的几率会更大，所以stokes散射要比反stokes散射要强。
注2：可以看到，分子与光子相互作用发生拉曼散射，期间转移的能量值实际上就是分子的振动能级值E1-E0，这也是为什么拉曼光谱可以用来检测分子的振动信息。与此同时，分子的振动能量，实际上刚好与红外光的能量值相仿，因此通过红外吸收的振动能级跃迁同样也能检测出E1。所以对于红外和拉曼，两者对于同一振动模式的频率是一致的。只不过，涉及到更深层的分子电子结构导致两者的活性不一致，这个会在后面讲到两者的差别。
拉曼光谱和分子的振动能级拉曼光谱能干嘛？
拉曼谱图通常含有一定数量的拉曼散射峰（或带），首先通过这些拉曼峰的位置，也即频率值，可以查阅资料或者分析，推测样品分子中的化学键振动或晶格振动等信息。其次，对于固体材料，拉曼峰的宽度还能反映晶体的结晶性，这个也很好理解，结晶性越好，单一键长的化学键越多越集中，那么拉曼峰就越高瘦，反之越矮胖。而且也有的文章介绍了，通过某些拉曼峰偏移可以判断晶体里的缺陷浓度。对于纳米材料，峰宽还能反映晶粒尺寸。总之，Raman光谱的信息量很大，重在分析。
目前而言，几乎所有包含分子键的物质都可以使用拉曼光谱进行分析，即固体、粉末、液体、胶体和气体都可以使用拉曼光谱进行分析。需要注意的是，通常金属，只含有金属键，是无法通过拉曼光谱进行分析的。其次，气体尽管可以用拉曼，但是毕竟照射到的分子数太少，所以需要使用大功率激光源，加长样品池，气体进行加压等手段来获取可观的拉曼信号。
下图是一个典型二氧化铈的拉曼光谱，以及其峰线的指派。
二氧化铈的拉曼光谱你可能发现上图中，对于一张拉曼光谱，可以读到不同价态的铈离子，氧空位，氧化状态，晶格振动等等信息。因此，获得一张拉曼谱图并不困难，关键是如何进行分析，这留待下一节再谈。