Năm 1928, Chandrasekhra Venkata Raman khám phá ra hiện tượng mà sau này nó được mang tên ông bằng những dụng cụ đo phổ thô sơ – hiện tượng tán xạ Raman. Tán xạ Raman là một quá trình tán xạ không đàn hồi giữa photon (lượng tử ánh sáng) và một lượng tử dao động của vật chất hay mạng tinh thể. Sau quá trình va chạm, năng lượng của photon giảm đi (hoặc tăng lên) một lượng bằng năng lượng giữa hai mức dao động của nguyên tử (hoặc mạng tinh thể) cùng với sự tạo thành (hoặc hủy) một hạt lượng tử dao động. Dựa vào phổ năng lượng thu được, ta có thể có những thông tin về mức năng lượng dao động của nguyên tử, phân tử hay mạng tinh thể. Giống như các mức năng lượng của electron trong nguyên tử, các mức năng lượng dao động này cũng là đại lượng đặc trưng, có thể dùng để phân biệt nguyên tử này với nguyên tử khác trong mạng. Chính vì thế, tính ứng dụng của phổ Raman là rất lớn. Phổ tán xạ Raman cũng cho chúng ta biết độ hoàn hảo của cấu trúc tinh thể.
Trong phổ tán xạ Raman, mẫu được chiếu xạ bởi chùm laser cường độ mạnh trong vùng tử ngoại-khả kiến (0) và chùm ánh sáng tán xạ thường được quan sát theo phương vuông gốc với chùm tia tới. Ánh sáng tán xạ bao gồm hai loại:
- Loại một được gọi là tán xạ Rayleigh, rất mạnh và có tần số đúng bằng tần số chùm tia tới (0).
- Loại hai được gọi là tán xạ Raman, rất yếu (10-5 chùm tia tới) có tần số là (0±m), trong đó m là tần số dao động phân tử. Vạch (0 - m ) được gọi là vạch Stockes và vạch (0 + m ) gọi là vạch phản Stockes. Do đó, trong quang phổ Raman, chúng ta đo tần số dao động (m) như là sự dịch chuyển so với tần số chùm tia tới (0).
- Quang phổ kế Raman gồm 5 bộ phận chủ yếu:
+ Nguồn kích thích phổ Raman, thường là laser liên tục (CW). + Hệ thống chiếu mẫu và hệ thống thu nhận các ánh sáng tán xạ. + Bộ phận giữ mẫu.
+ Máy đơn sắc hoặc máy quang phổ.
+ Hệ thống đo bao gồm đầu thu tín hiệu detector, máy khuếch đại và thiết bị hiển thị tín hiệu.
Hình 2.9. Thiết bị đo phổ tán xạ Raman Labram HR800
Phổ Raman phụ thuộc vào tính đối xứng của tinh thể, các đối xứng khác nhau có thể cho phổ Raman khác nhau. Độ bán rộng của phổ Raman phụ thuộc vào các yếu tố như máy và chế độ đo, trạng thái của mẫu, sự bất đồng nhất của vật chất trong mẫu,… Khi đo phổ tán xạ Raman cần chú ý đến các điều kiện đo như: công suất kích thích, chọn vật kính hiển vi, độ rộng khe.
Với mỗi nguồn laser, độ xuyên sâu vào mẫu có thể khác nhau nên phổ Raman có thể khác nhau. Ngoài ra, cần chú ý việc điều khiển nhiệt độ đặt vào mẫu.
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý hệ đo Raman
Sơ đồ nguyên lý của hệ đo Raman được trình bày trên hình 2.10 Nguồn sáng được dùng là laser He-Ne với bước sóng kích thích 632,8 nm, với cấu hình tán xạ ngược. Mật độ công suất kích thích thấp để tránh ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt. Hệ đo được lắp thêm camera và màn hình để quan sát vị trí xảy ra tán xạ không đàn hồi ánh sáng kích thích trên một diện tích rất hẹp cỡ micro mét vuông hoặc nhỏ hơn ở trên bề mặt của mẫu. Các mẫu đo được đặt trên bàn dịch chuyển ba chiều với bước dịch chuyển nhỏ nhất là 0,5 mm. Ngoài ra, hệ đo còn được nối với kính hiển vi cho phép ghi phổ với độ phân giải không gian tốt hơn. Máy tính điện tử kết nối trong hệ đo với chương trình cài đặt sẵn, cho ta kết quả cuối cùng đã xử lý. Phổ được hiển thị trên màn hình dưới dạng sự phụ thuộc cường độ dao động vào số sóng của các vạch dao động.