Techniklexikon

Raman-Effekt

Atom- und MolekülphysikFestkörperphysik, Raman-Prozess, Raman-Streuung, inelastische Streuung von Licht an Materie. Der Raman-Effekt wurde 1923 von Smekal vorhergesagt und 1928 von Raman nachgewiesen. Im Gegensatz zur (elastischen) Rayleigh-Streuung, bei der die Frequenz des einfallenden Lichts mit der des gestreuten Lichts übereinstimmt, wird beim Raman-Prozess ein Teil der Strahlungsenergie vom streuenden Medium aufgenommen oder durch dieses hinzugefügt, z.B. in Form von Rotations- und Vibrationsenergie bei Molekülen oder als Energiequanten der Gitterschwingung, Phononen, in Festkörpern. Die Energiebilanz ergibt eine Frequenzverschiebung des gestreuten Lichts. Im quantenmechanischen Modell lässt sich der Raman-Effekt als Zwei-Photonen-Übergang zwischen quantisierten Energieniveaus beschreiben: Absorption eines Photons der Energie effekt.gif" alt="Raman-Effekt"> (z.B. aus einem Laserstrahl) und anschliessende Emission eines Photons der Energie effekt.gif" alt="Raman-Effekt">. Dabei entspricht effekt.gif" alt="Raman-Effekt"> der Energiedifferenz der beteiligten Niveaus im unteren Zustand (siehe Abb.). Mit Hilfe von Raman-Übergängen lassen sich die atomaren Energieniveaus spektroskopieren, indem man die Wellenlänge des gestreuten Lichts ermittelt (Raman-Spektroskopie). Für  heissen die korrespondierenden Spektrallinien Anti-Stokes-Linien, für  Stokes-Linien. Da das zweite Photon spontan emittiert wird, spricht man von spontanen Raman-Prozessen. In der Festkörperphysik spielen spontane Raman-Prozesse eine wichtige Rolle für die Bestimmung von Schwingungsspektren. In diesem Fall ist effekt.gif" alt="Raman-Effekt"> die Energie von Phononen im Festkörper.

In neuerer Zeit bedienen sich die Laserkühlung und die Atominterferometrie (Atomoptik) induzierter Raman-Prozesse, um kontrolliert Impuls von Photonen auf Atome zu übertragen. Bei induzierten Raman-Übergängen wird das äussere Elektron des Atoms oder Moleküls phasenkohärent von einem Energieniveau in ein anderes überführt, und zwar meistens durch induzierte Absorption eines Photons aus einem Laserstrahl der Frequenz  und induzierte Emission in einen zweiten Laserstrahl der Frequenz . Der übertragene Impuls ist , wobei  und  die Wellenvektoren der beiden Laserstrahlen bezeichnen.

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Raman-Effekt: Raman-Übergänge zwischen einzelnen Energieniveaus. Durch Absorption eines Photons der Energie hn_L wird ein Elektron in das obere Energieniveau angeregt. Fällt es zurück in ein anderes Ausgangsniveau, so hat das dabei spontan emittierte Photon eine um hDn höhere (Anti-Stokes-Linie) oder eine niedrigere (Stokes-Linie) Energie als hn_L.