程光煦

(南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及物理系,南京 210009)

也談光散射增強(qiáng)

程光煦

(南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及物理系,南京 210009)

“增強(qiáng)”是上世紀(jì)七十年代,在(非彈性)光散射中發(fā)現(xiàn)的重要現(xiàn)象之一。在過去幾十年中,人們鍥而不舍投入了大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi),時(shí)至今日,已有各種機(jī)制來說明或解釋它,但仍不盡人意。十余年來,超高“增強(qiáng)”(g是增強(qiáng)因子～1014-15)的報(bào)導(dǎo)更是將它推向一新的境地,原有的想法遇到了莫大的障礙和挑戰(zhàn),必須用新的思想(格林函數(shù)的“極”或散射截面)考慮、處理這類問題。本文除了講述非彈性光散射光強(qiáng)的基礎(chǔ)知識(shí)之外,還給出了過往未能理解和闡述的內(nèi)容,如分形、極化、納米、準(zhǔn)相位匹配和單分子層界面等結(jié)構(gòu)的增強(qiáng),為該領(lǐng)域的工作提出了新的方向和路徑。

(非彈性)光散射；增強(qiáng)

1 引言

非彈性光散射的拉曼散射譜中最基本的兩個(gè)特征量是頻移(ωs=ωL-ωq;ωΑS=ωL+ωq)和散射光光強(qiáng)(IS,IAS)。長(zhǎng)期以來人們對(duì)前者,即頻移較為重視,也完成了不少工作,而對(duì)散射光強(qiáng)的關(guān)注、研究顯得蒼白無力、淡漠冷清；其中不乏片面、錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí),如光散射增強(qiáng)斯托克斯、反斯托克斯分量及它們的比值等物理量,對(duì)于不同材料隨外界條件(如激光的功率,溫度,配置等)的變化有截然不同的結(jié)果。特別是在增強(qiáng)因子的測(cè)定中,違背常識(shí)的錯(cuò)誤還作為成果宣傳、引用。曾經(jīng)還成立過表面增強(qiáng)專業(yè)分會(huì),多年來花費(fèi)不少的人力、經(jīng)費(fèi)和時(shí)間,由此可見人們對(duì)它的興趣和重視。

“增強(qiáng)”是上世紀(jì)七十年代在光散射(特別是非彈性光散射)中發(fā)現(xiàn)的重要現(xiàn)象之一。時(shí)至今日,有各種機(jī)制(如化學(xué)、物理、電磁場(chǎng)等)來說明或解釋它。十余年來,超高(g～1014-15)增強(qiáng)因子的提出更是將它推向一新的境地[1],必須用新的思想考慮(格林函數(shù)中譜的“極”或散射截面)、處理這類問題。

本文除了講述非彈性光散射的光強(qiáng)基礎(chǔ)知識(shí)外,還給出了過往未能理解和闡述的內(nèi)容,即分形、極化、納米、準(zhǔn)相位匹配和單分子層界面的增強(qiáng)。不得不指出的是表面增強(qiáng)拉曼(SERS)應(yīng)改成“光散射增強(qiáng)”,原因是：(1)“增強(qiáng)”不僅僅發(fā)生在表面,對(duì)于體內(nèi)結(jié)構(gòu)也有該現(xiàn)象,對(duì)不同的材料、結(jié)構(gòu)表面的尺度標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)；(2)不僅拉曼散射過程出現(xiàn)“增強(qiáng)”,在其它光與物質(zhì)作用過程中也有“增強(qiáng)”,如紅外、熒光、二次諧波、和頻等光譜中都存在該現(xiàn)象,因而產(chǎn)生的增強(qiáng)光譜學(xué)(Enhanced Spectroscopy)極大地豐富了該領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容和深度；(3)多波(矢)互作用中有倒格矢參與的過程中也有“增強(qiáng)”,其中不再是“增強(qiáng)”因子的變化,而包含更深的光與物質(zhì)作用過程和物理內(nèi)容。

本文部分內(nèi)容雖已在18th全國(guó)光散射學(xué)術(shù)會(huì)議(物理分會(huì))邀請(qǐng)報(bào)告上給出,但終因時(shí)間短,概念、內(nèi)容多,未講完?，F(xiàn)給出全部?jī)?nèi)容,即增強(qiáng)機(jī)制(如熱位、熱點(diǎn)、激活元等)、散射截面(估量)、單分子層、納米(自相似,納米透鏡等)、波羅德定律、(準(zhǔn))相位匹配增強(qiáng)、光譜格林函數(shù)、光譜的“極”、狄義赫利-諾伊曼條件(這兩部分內(nèi)容可不閱讀,不影響對(duì)全文的理解)、實(shí)測(cè)的可能(靠)性,最后給出明確的結(jié)論。

2 簡(jiǎn)況

2.1 光散射增強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)

在上世紀(jì)七十年代中期,M.Fleischmann、R.P.Van.Dunye和J.A.Creighton各自獨(dú)立地在吡啶(pyridin)中發(fā)現(xiàn)“增強(qiáng)”現(xiàn)象[2-4]。隨后,在若丹明(Rhodamine 6G)中也發(fā)現(xiàn)“增強(qiáng)”。在三十年前A.Otto,K.Arya和R.Zeyher雖給出了經(jīng)典的理論解釋[5](surface-enhanced Raman scattering “classical” and “chemical” origins和theory of surface-enhanced Raman scattering ),但仍不能滿足現(xiàn)今的需要。欣慰的是,近期又有關(guān)于表面增強(qiáng)的專著[6]給出相應(yīng)物理闡述,指出了該領(lǐng)域的研究方法和途徑。

2.2 光強(qiáng)

拉曼散射中,斯托克斯(S)和反斯托克斯(A)分量的光強(qiáng)分別為：

(1)

(2)

式中p表示三種微觀粒子的分布:即玻色-愛因斯坦分布、玻爾茲曼分布和費(fèi)米-狄拉克分布。式中q表示某種元激發(fā),如聲子,極化激元,磁振子,電子空穴對(duì),極化子,配偶子等。

三種分布的斯托克斯拉曼散射強(qiáng)度分別為：

(3)

三種分布的反斯托克斯拉曼散射強(qiáng)度分別為：

(4)

(3)、(4)表達(dá)式中比例常數(shù)C都已略去：

IB-E表示參與元激發(fā)是以集體激發(fā)為主的玻色子(如：聲子、極化激元、磁振子等)的散射光強(qiáng)。

IBoL表示參與元激發(fā)滿足玻爾茲曼分布(如：分子、原子等)的散射光強(qiáng)。

IF-D表示參與元激發(fā)是以個(gè)別激發(fā)為主的費(fèi)米子(如：電子、極化子、電子 - 空穴對(duì)等)的散射光強(qiáng)。

三種分布的斯/反斯的強(qiáng)度比分別為：

問津該工作的人不多,這是因?yàn)樯婕暗揭韵碌膯栴}：(1)長(zhǎng)期以來,人們只將斯托克斯分量的光強(qiáng)作為標(biāo)識(shí)特征,已約定俗成,對(duì)反斯托克斯分量的考量不多；(2)該比值究竟能提供哪些信息,其隨外界條件的改變,如何變化、深究的更不多；(3)實(shí)驗(yàn)上尚存難以解決的問題,如：調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)后,如何保持所用的激光功率在采集數(shù)據(jù)過程維持在同一標(biāo)準(zhǔn)；并不是所有物質(zhì)的反斯托克斯散射都會(huì)出現(xiàn)在光譜儀上；(4)對(duì)光散射量子過程(三能級(jí)、兩光子和一個(gè)元激發(fā)的作用過程)的理解不夠;(5)邊界與界(介)面的理解、認(rèn)知尚存差異(圖1、2) 。

Fig.1 A living example of interface,there are clear differently material layer[7]

Fig.2 A few kinds boundaries,TCCB is most importance sort of them,for new materials[8]

圖1是典型的幾種材料構(gòu)成的平整、規(guī)則的界面,它能很好的滿足狄義赫利-諾伊曼(表、界面)條件。圖2中的TCCB是由位錯(cuò)?旋錯(cuò)形成的結(jié)構(gòu),其作用等效三棱鏡,由三個(gè)晶介邊構(gòu)成“棱邊”,且垂直于紙面。

斯托克斯和反斯托克斯強(qiáng)度比有不少問題有待探究,如：用拉曼散射強(qiáng)度比確定膜厚度、用拉曼散射強(qiáng)度比確定稀磁半導(dǎo)體載流子濃度等,已被人們掌握應(yīng)用；斯托克斯分量與反斯托克斯分量的比值又會(huì)為我們提供哪些信息,應(yīng)該去研究。

2.3 光強(qiáng)表達(dá)式

(1)對(duì)自由取向分子系統(tǒng)拉曼散射強(qiáng)度為：

exp[-E(v,l,n)/kBT]·I0

(5)

式中的I0為激發(fā)光光強(qiáng)；σ(ω)m→l為頻率ω下的散射截面；E1為初態(tài)能級(jí); kB,T分別是玻爾茲曼常數(shù)和室溫；N為參與散射的分子數(shù)；gS為統(tǒng)計(jì)權(quán)重因子；J為角量子數(shù)；Z為配分函數(shù),即態(tài)和。式中

Z=σ(ω)m→l·gS·(2J+1)·

exp[-E(v,l,n)/kBT]

(2)對(duì)90°散射雙原子旋轉(zhuǎn)拉曼散射強(qiáng)度為：

(6)

式中的N,I0與(1)中情況相同；而

(3)不透明固體拉曼散射光強(qiáng)

(7)

式中,c為檢測(cè)器效率與單色儀帶通之積(0.1～0.5),f(θ)為光散射系統(tǒng)對(duì)散射光收集率,F0為激光光通量,R為樣品前反射系數(shù),α為光吸收系數(shù),l為光穿透深度；σ為散射截面。

(4)多層膜的拉曼散射光強(qiáng)

I=c·f(θ)·F0·(1-R2)·

(8)

(8)式中di為第i子層厚度,dT為每一周期層厚度,DR為總厚度,DR=Z·dr,ni為第i子層的折射率(其它參數(shù)與公式(7)相同)。

3 增強(qiáng)機(jī)制

3.1 截面單分子增強(qiáng)

長(zhǎng)期以來,人們對(duì)表面增強(qiáng)(SERS)的增強(qiáng)因子認(rèn)知不深或不妥。低估它們和常溫拉曼散射之間的異同,不知道究竟有多少分子、原子、粒子或元激發(fā)參與了增強(qiáng)過程。為回避該問題,人們創(chuàng)建了各種不同的方法,如在該過程的斯托克斯和反斯托克斯散射用到了有效截面的信息。對(duì)非常強(qiáng)的拉曼散射能測(cè)到除熱(分布)布居數(shù)外,還有第一振動(dòng)能級(jí)的布居數(shù),振動(dòng)抽取(泵浦)過程的有效拉曼散射截面,即由(斯/反斯)信號(hào)比的玻爾茲曼布居數(shù)偏離中得到。有效共振增強(qiáng)散射截面增強(qiáng)因子遠(yuǎn)超以往的數(shù)值(103～105),聲稱能高達(dá)到1014～1015[9-11],如銀膠SERS散射截面為σ ～ 10-16cm2,比正常拉曼散射的截面為σ ～10-30cm2的數(shù)值高1014倍,即增強(qiáng)了1014倍。必須指出的是：增強(qiáng)1014倍并不是實(shí)際測(cè)量到的數(shù)值,僅是由散射截面比對(duì)得到的數(shù)值。

3.2 單分子增強(qiáng)譜實(shí)測(cè)裝置

圖3裝置中給出的激發(fā)能量是紅外范圍(以避免熒光信號(hào)的激發(fā))；右下圖中每個(gè)金聚集體(～200 nm)中含有8～10個(gè)金納米顆粒,所以每個(gè)金顆粒尺度約25～30 nm,金原子半徑為0.144 nm(直徑～0.3 nm),所以每個(gè)孤立金納米顆粒包含三十余個(gè)金原子,因此并不是真正的單原子、單分子結(jié)構(gòu)。然而,對(duì)大的分子結(jié)構(gòu),如若丹明、吡啶或單股核糖核酸的尺度>1.6m,而激光聚焦光斑φ～2m,這就可以說是單分子的行為了。

圖4中給出的刀刃酵、酶在金或銀膠態(tài)溶液蒸汽作用下,得到了附著在膠態(tài)團(tuán)簇上的單股核糖核酸(DNA),左上角給出的四條拉曼譜線中的A、C、G和T分別是該結(jié)構(gòu)中的腺嘌呤、胞嘧啶、鳥尿環(huán)和胸腺堿的特征峰。顯然,這是單分子的增強(qiáng)作用才能顯現(xiàn)出平常拉曼譜無法得到的信息。

Fig.3 Graphic of a typical single-molecule SERS experiment(left)；isolated gold nanoparticles and gold aggregates(right down)[9]

Fig.4 Graphic of DNA sequencing based on the intrinsic Raman spectra of the four bases.A,C,G and T are four feature peaks of DNA,in the left up insets[9]

3.3 斯托克斯和反斯托克斯

圖5是銀納米團(tuán)簇的等離激元(plasmon)共振曲線。它展示了不同激光線波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的拉曼信號(hào)區(qū)域(A,B,C,D和E五個(gè)區(qū)域)。 A:1064 nm激發(fā)線的反斯托克斯區(qū)域；B,C∶830 nm激發(fā)線的斯托克斯區(qū)域和反斯托克斯區(qū)域；D:1064 nm激發(fā)線的超拉曼散射區(qū)；E:514.5 nm激發(fā)線的斯托克斯區(qū)域；圖中譜線是銀凝膠團(tuán)簇光吸收隨波長(zhǎng)增大的衰減,過程中有各種不同拉曼散射信號(hào)。用近紅外830 nm激發(fā)斯托克斯和反斯托克斯(B,C區(qū))經(jīng)歷了同樣的電-磁增強(qiáng)(譜線對(duì)稱)。然而,用低于700 nm的514.5 nm激光激發(fā)的斯托克斯和反斯托克斯,經(jīng)歷了不對(duì)稱的電-磁增強(qiáng)(譜線不對(duì)稱)。

Fig.5 There is the Plasmon resonance curve of Ag-nanoclusters,notabene,the ordinate is absorbence[10]

圖6是孤立金納米顆粒的斯、反斯托克斯拉曼譜(a,b )；小聚集金球的斯、反斯托克斯拉曼譜(c,d)。增強(qiáng)了103～104,強(qiáng)度比有大的差異,(b)中較高頻段熱布居數(shù)較低,反斯托克斯譜較高頻域缺失一些模式,這是因?yàn)闊岵季訑?shù)較低所致,改用830 nm 近紅外光激發(fā),缺失的模式就得以顯現(xiàn)(譜線d),強(qiáng)的反斯托克斯信號(hào)也在譜中給出,特別是在較高頻區(qū)。反斯托克斯/斯托克斯的比值對(duì)于不同峰位(線)也不一樣。

Fig.6 SERS Stokes and anti-Stokes Raman spectra for isolated gold nanoparticles (a and b),and on aggregates formed by these spheres(c and d)[11]

圖7的左上方插圖為膠體金團(tuán)簇的表面增強(qiáng)拉曼譜。A,B 和C三點(diǎn)的激光功率密度分別為：3 mW/cm2、1.4 mW/cm2和0.7 mW/cm2；歸一化拉曼信號(hào)隨所用激光能量的增加而變大。反斯托克斯散射強(qiáng)度非線性的增加,而且比線性增長(zhǎng)斯托克斯信號(hào)快。這源于分子或電荷轉(zhuǎn)移共振效應(yīng),對(duì)斯托克斯和反斯托克斯散射特別的靈敏、有效。然而由于斯托克斯信號(hào)中未能滿足弱飽和條件,就沒有觀測(cè)到二次方關(guān)系。

Fig.7 Raman scattering,Stokes and anti-Stokes in enhancement vs excitation intensity[12]

為了實(shí)驗(yàn)上的觀察,散射截面和振動(dòng)壽命的乘積必須為10-27cm2s,而振動(dòng)壽命為10 ps,估算表面增強(qiáng)截面至少為10-27cm2s/10 ps～σ =10-16cm2,與正常的拉曼散射截面10-30cm2相比,相應(yīng)SERS增強(qiáng)因子在1014量級(jí)；人們對(duì)150 nm及更大的分形銀納米結(jié)構(gòu),測(cè)出斯托克斯與反斯托克斯強(qiáng)度比,估推其增強(qiáng)因子亦在1014量級(jí)范圍[11]。

3.4 斯托克斯和反斯托克斯的物理過程

Fig.8 Stokes and anti-Stokes scattering,there are three levels,double photons and one elementary excitations,may be called three、two and one,i.e.,(3、2、1)

圖8中的拉曼斯托克斯-反斯托克斯躍遷過程中第一激發(fā)態(tài)N1粒子數(shù)變化可用變化率方程描述為：

(9)

式中,N0為基態(tài)元激發(fā)數(shù),如分子等；N1第一振動(dòng)受激元激發(fā)數(shù),如分子等；σSERS為增強(qiáng)拉曼有效散射截面；nL為激光光子流密度；τ1為第一受激振動(dòng)元激發(fā)壽命。再由變化率方程可推導(dǎo)出斯、反斯托克斯過程的布居方程分別為：

(10)

(11)

以上兩布居方程滿足的條件為：(1)穩(wěn)態(tài)；(2)弱飽和,即滿足如下不等式：

弱飽和：連續(xù)激光激發(fā)的拉曼布居與第一激發(fā)振動(dòng)態(tài)布居可相比擬,或高于玻爾茲曼布居；但仍處于遠(yuǎn)離兩能態(tài)(基態(tài)與第一振動(dòng)態(tài))中間的布居態(tài)。(11)式中的第一項(xiàng)是受激振動(dòng)態(tài)熱布居的反斯托克斯信息,第二項(xiàng)是強(qiáng)斯托克斯過程抽運(yùn)作用,正常拉曼散射與熱布居作用相比它可略去。因正常拉曼散射截面與壽命乘積為：σRS(ωm)·τ1(ωm)～10-40cm2·s。

也就是說大約需要1039/cm2s的激光光子(約1020W/cm2的激發(fā)強(qiáng)度)才能使拉曼抽運(yùn)到與第一振動(dòng)能級(jí)熱布居相匹配的能級(jí),即大約需要每平方厘米·每秒1039個(gè)激光光子(約每平方厘米1020瓦的激發(fā)強(qiáng)度)才能形成(抽運(yùn)到)與第一振動(dòng)能級(jí)熱布居數(shù)相匹配的能級(jí)狀態(tài)。

(12)

而

(13)

4 單分子SERS,納米透鏡、和熱點(diǎn)(位等)

正如3.2節(jié)所說,對(duì)單分子,因其結(jié)構(gòu)相差太大,單分子的增強(qiáng)有很大的不確定性和差異,現(xiàn)用納米透鏡(nanolens)作為特例講解其物理含意及增強(qiáng)的過程。

4.1 納米透鏡(nanolens)

考慮由三個(gè)銀納米球組成的納米透鏡(圖9),它給出了三個(gè)球的投影截面,三球的半徑R(1,2,3) 分別為45、15和5 nm,每?jī)汕蜷g距分別為d12=4.5 cm和d23=1.5 cm。

Fig.9 The nanolens is constructed by three silver nanospheres,their geometry parameters have been given in the statement[13]

自相似傳輸激發(fā)空間區(qū)域是完全可控重復(fù)出現(xiàn)的,圖9可作為三個(gè)銀納米球的線性聚合,設(shè)其半徑逐次減小的因子為1/3,該因子必須小于1,究竟是何值并不重要,但最大納米球半徑一定要小于入射波長(zhǎng),最小的半徑要大于連續(xù)電動(dòng)力學(xué)可適用的范圍,即lce-m

隨機(jī)系統(tǒng)的自相似性導(dǎo)致局域光場(chǎng)的巨大起伏。系統(tǒng)的尺度比波長(zhǎng)λ小,等離激元的本征頻率不取決于其大小,而是它的結(jié)構(gòu)因子?？紤]分形系統(tǒng)的最小尺度在自相似范圍內(nèi),所以等離激元本征模被限制在最大的區(qū)域。本征模將與外來的輻射形成共振,進(jìn)而產(chǎn)生增強(qiáng)的局域場(chǎng),這些特性也延伸至最大范圍。對(duì)于保持分形自相似性的較小的尺度區(qū)域,該局域場(chǎng)可看成是均勻的,增強(qiáng)的量值為Q,對(duì)小的自相似局域本征模,同樣在Q-因子的基礎(chǔ)上再增強(qiáng)Q-因子倍,也就是說,經(jīng)過兩次散射轉(zhuǎn)換作用的總增強(qiáng)為Q2,不難看出,經(jīng)過n次散射轉(zhuǎn)換作用的總增強(qiáng)為Qn,隨次數(shù)的增加該作用越來越弱。

納米透鏡中的(納米)聚焦構(gòu)成增強(qiáng)能力最強(qiáng)的區(qū)域,即最熱的“熱位”、“熱點(diǎn)”或“增強(qiáng)元”。在最小的納米球表面有最小的間隙(gap)。由|E|～1200 因子產(chǎn)生了局域場(chǎng)的增強(qiáng)為：

對(duì)于表面等離激元共振的真實(shí)情況,藍(lán)光譜范圍的Q約為10；納米透鏡的總增強(qiáng)為Q3,即1000倍。應(yīng)該指出的是當(dāng)納米透鏡的半經(jīng)小于連續(xù)電動(dòng)力學(xué)適用的范圍時(shí),增強(qiáng)作用的過程就停止了?？紤]表面等離激元共振的光譜參數(shù)s(ω)約為1/3。顯然,對(duì)于不同的納米透鏡有不同的光譜參數(shù)s(ω),即增強(qiáng)倍數(shù)亦不相同。

4.2 “熱位”、“熱點(diǎn)”、“增強(qiáng)元”或 “激活元”

“熱位”(hot sites)、“熱點(diǎn)”(hot spots) 、“增強(qiáng)元”(enhancement elements)或“激活元”(active elements)在增強(qiáng)中起了至關(guān)重有的作用,它們對(duì)總表面增強(qiáng)可分解為以下幾個(gè)因素：

(1)g1是入射光在幾個(gè)金屬粒子的熱位(點(diǎn))等作用產(chǎn)生的增強(qiáng)；

(2)g2是聚集體所具有的特征；

(3)分子中幾個(gè)靠近金屬顆粒的局域拓?fù)湫砸l(fā)的增強(qiáng)g3?？傇鰪?qiáng)可認(rèn)為是以下三種增強(qiáng)的乘積：g =g1g2g3；g1是入射光在幾個(gè)金屬粒子的熱位(點(diǎn))等作用產(chǎn)生的增強(qiáng)；g2是源于組成熱位(點(diǎn))中分子與靜止聚集體間的場(chǎng)散射；g3是組成熱位(點(diǎn))的局域拓?fù)湄暙I(xiàn)(107～109),g3?g1g2,約為104。單分子表面增強(qiáng)還需要共振散射的貢獻(xiàn),才能達(dá)到1014～1015的增強(qiáng)因子,注意這仍只是推算得結(jié)果,并未真正測(cè)到。

用離散偶極子模型(DDA) 、時(shí)域有限差法(FDTD)對(duì)球、橢圓、棒、三角狀、棱柱、立方、非球納米顆粒結(jié)構(gòu)作精確的理論計(jì)算,可得等離子體波共振頻率和電磁場(chǎng)的空間分布和幅度[14]。遺憾的是這些內(nèi)容仍未涉及增強(qiáng)和增強(qiáng)因子(EF)的內(nèi)容。但已有人用以下的公式[15]：

和

可得到金納米棒對(duì)D-核糖分子有較好的增強(qiáng)作用,增強(qiáng)因子EF約達(dá)5.6×105。

(4)增強(qiáng)因子的計(jì)算

電磁增強(qiáng)因子已能推算了,而所有增強(qiáng)作用的總增強(qiáng)因子可用實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法計(jì)算出,即用增強(qiáng)后測(cè)得的強(qiáng)度與用正常辦法測(cè)得的強(qiáng)度比值獲得增強(qiáng)因子EF(enhancement factor)。

正常拉曼散射測(cè)得強(qiáng)度為:

若一切條件不變,僅換用具有增強(qiáng)作用的材料,則增強(qiáng)散射的強(qiáng)度再在上式中的強(qiáng)度表達(dá)式后,人為地添加增強(qiáng)因子EFSERS,即可寫成：

這兩式相比后,有：

這就是散射過程中所有增強(qiáng)的計(jì)算公式,但在實(shí)際應(yīng)用時(shí),確定參與散射的分子、原子或元激發(fā)數(shù)是有一定的困難,這可參見文獻(xiàn)[15]121頁給出的計(jì)算,進(jìn)而得到相應(yīng)的結(jié)果。

4.3 熱位、熱點(diǎn)等的物理實(shí)質(zhì)

熱位、熱點(diǎn)(斑)等各種激活元都出現(xiàn)在納米結(jié)構(gòu)的交角、棱邊、尖頂、邊界、溝豁、槽穴等部位,它們都存在不同程度的微觀作用的不確定性,即

能量與時(shí)間:ΔE·Δt～?

粒子數(shù)與相位:ΔN·Δφ～1

……

這就使得外來光波(電磁)場(chǎng)與結(jié)構(gòu)中的某一特征量(如波矢、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、角動(dòng)量和相位等中的一項(xiàng))發(fā)生作用,使其中的某一物理量發(fā)生突變,相應(yīng)共振條件得到滿足時(shí),就出現(xiàn)了“增強(qiáng)”。需補(bǔ)充說明的是,激光在各時(shí)空點(diǎn)上都有很好確定的相位。由此可精確的用于時(shí)空定位,時(shí)間定位的分辨間隔不超過一個(gè)周期；空間定位的分辨長(zhǎng)度被限制在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)。實(shí)際的精度取決相位確定的精度,對(duì)于可見光,波長(zhǎng)在< 1m量級(jí),周期為10-15s量級(jí),這是可見激光測(cè)距時(shí)所能達(dá)到的精度。若用N表示凝聚在某一個(gè)單光子態(tài)中的光子數(shù),通常是不確定的,起伏量為ΔN,若用φ 表示該系統(tǒng)中激光的相位,通常它也是不確定的,起伏量為Δφ,則粒子數(shù)和相位的不確定關(guān)系為：

ΔNΔφ～1

4.4 熱點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究

圖10是浸泡在水中半徑為20 nm 的銀納米顆粒的結(jié)構(gòu)特性。每個(gè)熱位含有顆粒數(shù)對(duì)五種不同的單光子激發(fā)隨聚集體的增大而減少；在聚集體為10的顆粒附近有異常。

Fig.10 Number of hot spots vs.number of particles as a function of the size of the aggregate.Particles of Ag with radius equal to 20 nm and immersed in water have been considered[16]

圖11表明每個(gè)顆粒含有熱位數(shù)隨聚集體的增大而減少；在五種不同的單光子激發(fā)聚集體為10顆粒附近有異常；不難看出：每個(gè)熱位含有顆粒數(shù)遠(yuǎn)比每個(gè)顆粒含有熱位數(shù)大,前者約為后者的百倍。

Fig.11 Mean number of particles per hot spot as a function of the size of the aggregate.Particles of Ag with radius equal to 20 nm and immersed in water have been considered[16]

5 其它“增強(qiáng)”

如前所述,光散射增強(qiáng)包含多種光與物質(zhì)的作用過程中,逐步形成了“增強(qiáng)光譜學(xué)”,涉及的物質(zhì)種類、實(shí)驗(yàn)方法、結(jié)果的解說等都大不同于早期的情況。

5.1 分形增強(qiáng)(波羅德定律)

早在上世紀(jì)50年代,G.波羅德等人就給出了小范圍內(nèi)兩相介質(zhì)的密度-密度相關(guān)函數(shù)γ(r) 的衰減的規(guī)律,從倒易空間可直接推導(dǎo)出波羅德定律[17]：由此可知該類結(jié)構(gòu)界面引發(fā)的散射光強(qiáng)為：

(14)

該式中的R和a分別是“小范圍”(凝膠聚集體、聚合物等)的尺度和“小范圍”中包含每一個(gè)小組成單元(如原子,分子,納米顆粒等)的大小,其波矢倒數(shù)就是它的尺度(圖12)。

Fig.12 R,a=q-1are‘the small region’ and unit elementary,respectively e.g.,atoms,molecular,or nanometer particles[17]

(14)式中的d是單元的幾何維數(shù),DS是結(jié)構(gòu)的分形系數(shù),滿足(d-1)≤DS≤d；若取d=3,則(14)式變?yōu)椋?/p>

有

(15)

而R和a分別是圖12中納米顆粒的大小和組成納米顆粒中散射元的大小,它們的量級(jí)分別是幾到幾十納米和零點(diǎn)幾個(gè)納米。因此有：幾倍≤I(q)≤105,即出現(xiàn)了增強(qiáng)。直到上世紀(jì)80年代之后,出現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)的新材料,才使該規(guī)律逐漸為人們所理解和采用,如銀-鈷合金在改變相對(duì)比份,即基質(zhì)與摻入物的替換中出現(xiàn)的增強(qiáng)等現(xiàn)象[17]。

5.2 極性分子納米結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)

(1)極性分子(如氟化鋰等)納米結(jié)構(gòu)的復(fù)線性極化率為[17]:

(16)

(17)

(2)極性分子納米結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)為[17]：

(18)

γ為阻尼系數(shù);介電常數(shù)實(shí)部(ε′ ),虛部(ε″)分別為[17]:

(19)

(20)

因?yàn)棣?ωt,從(18)和(19)兩式可知：

ε′≈ε∞;ε″≈0

再由(17)式可得：GRS?1,乃至于趨近∞,即出現(xiàn)了光散射增強(qiáng)。

5.3 相位增強(qiáng)

圖13表示的倒波雙向散射,在后向形成了多種散射的干涉：P-偏振,表面電磁波(表面等離激元-極化激元)；真空-金屬界面及倒向偶極子,即粗糙表面同點(diǎn)等離激元-極化激元對(duì)與光的互作用。若入射波矢與散射波矢有相同的振幅和位相,部分波在反方向形成了逆向散射增強(qiáng)。須指出的是該過程中的數(shù)學(xué)公式都略去了。

Fig.13 Enhanced back light scattering of plasmon-polarition mechanism.The exciton of intermediate surface wave,i.e.,surface plasmon-polariton is essential for BLSE[18]

5.4 粗糙表面背散射增強(qiáng)

圖14中的光正射于非常粗糙表面上,D是粗糙表面第一表面凸起與最后凸起間的距離。a是最大凸起與最鄰近最小凸起的平均距離,近似等于高斯功率譜中橫向相關(guān)長(zhǎng)度。由于元激發(fā)配偶子(partner)的互相作用,出現(xiàn)背向光散射增強(qiáng)。

Fig.14 Enhanced back light scattering,the light incident normally on a very rough random surface[18]

Fig.15 The geometry configuration is same as in above Fig,but showing the partner wave scattered into a direction described by the scattering angleθs[18]

5.5 內(nèi)外散射路徑的相位增強(qiáng)

Fig.16 An illustration of two possible scattering paths that can lead to nonreciprocal effects[19]

(21)

5.6 準(zhǔn)相位匹配增強(qiáng)

(22)

斯托克斯與反斯托克斯的動(dòng)量守恒分別為：

(23)

式(22)和(23)能結(jié)合成自動(dòng)相匹配、兩步χ(2)過程。因而出現(xiàn)高階散射增強(qiáng),多達(dá)11級(jí)。拉曼譜呈現(xiàn)了多峰結(jié)構(gòu)、(2n+1)個(gè)等間距頻率、不連續(xù)梳狀譜；在以樣品為中心投影點(diǎn)散射光形成同心圓環(huán)(圖18)。

Fig.17 Phase matching in the cascaded generation of anti-Stokes and Stokes Raman signals.Only the first three order are sketched for simplification[20]

Fig.18 Raman spectra with(a)ωp=19 cm-1;λ0=531.82 nm,(b)ωp=8.5 cm-1;λ0=531.92 nm.The insets are the corresponding spatial distribution for scattering light[20]

ω0= ωs(n)+ ωas(n)

式中的n=1,2,3…。顯然,該情況的量子過程已不再是“3、2、1”所能描述得了,不再是一階線性光散射的物理問題了。在非彈性光散射增強(qiáng)中,準(zhǔn)相位匹配方法成功的被引入χ(2)介質(zhì)中。比值Ias(n)/Ias(n-1)隨級(jí)數(shù)n增加而變大,從14% (n=1) 增加到70%(n=8) 。反斯托克斯散射光強(qiáng)隨級(jí)數(shù)增大而增強(qiáng),這是典型的非線性增強(qiáng)特征。

6 光散射增強(qiáng)譜理論

下面從三方面講述該問題：(1)局域場(chǎng)的譜展開和格林函數(shù)；(2)格林函數(shù)理論SERS 增強(qiáng)因子；(3)數(shù)值計(jì)算及其結(jié)果：(a)偶極近似分形SERS增強(qiáng)；(b)隨機(jī)系統(tǒng)單分子SERS增強(qiáng)。

6.1 局域場(chǎng)譜的表示

考慮金屬納米系統(tǒng)嵌埋在介電基質(zhì)體中,金屬介電函數(shù)為εm(ω),它取決于光頻率ω。介質(zhì)的介電函數(shù)為εd,納米系統(tǒng)的尺度l比入射光波波長(zhǎng)λ小很多,即l?λ,則準(zhǔn)靜態(tài)近似中的勢(shì)φ(r)滿足以下的連續(xù)方程：

(24)

空間介電函數(shù)變化的表示式為：

ε(r)=εm(ω)θ(r)+εd[1-θ(r)]

式中θ(r)是系統(tǒng)的特征函數(shù),當(dāng)r在金屬內(nèi)時(shí)為1,否則為 0。

考慮系統(tǒng)受具有φ0(r)勢(shì)的外場(chǎng)在光頻率ω激發(fā),該勢(shì)由外電荷產(chǎn)生,因此在該系統(tǒng)內(nèi)滿足拉普拉斯方程：

(25)

其場(chǎng)勢(shì)為：φ(r)=φ0(r)+φ1(r)

而φ1(r)是系統(tǒng)四周表面S滿足均勻狄義赫利-諾伊曼條件的局域場(chǎng),可設(shè)：

(26)

n(r)表示在r垂直于表面S,這是確定本征模的充(分)(必)要條件。

同樣,我們假設(shè)金屬納米系統(tǒng)完全被包在邊界S內(nèi),且不與它有任意一點(diǎn)接觸,因而出現(xiàn)以下的輔助邊界條件：

只要我們選取適當(dāng)?shù)慕饘賮喯到y(tǒng)邊界表面,上述輔助邊界條件總能得到滿足,再加上這三個(gè)方程可得到二階橢圓方程(27)式,該方程的右邊描述了外激發(fā)源：

(27)

這里,已引入光譜參數(shù)

6.2 格林函數(shù)

為了得到該方程的格林函數(shù),引進(jìn)下述方程

(28)

它的本征函數(shù)及本征值分別為φn(r)、sn,φn(r)滿足(26)式給出的均勻狄義赫利-諾伊曼條件。重要的是該本征問題僅取決于系統(tǒng)的幾何性質(zhì),而不取決于材料的組分。因此,對(duì)給定幾何特性的系統(tǒng),可解決所有頻率和任意材料組份的光學(xué)響應(yīng)。物理上的本征模式由表面等離激元方程確定,它的頻率是復(fù)數(shù)ωn+iγn,它由復(fù)數(shù)方程

δ(r-r′)

(29)

確定s(ωn+iγn)=sn,對(duì)于弱弛豫,γn?ωn,表面等離激元頻率的實(shí)部滿足以下的方程：

(30)

6.3 狄義赫利-諾伊曼邊界條件

對(duì)于函數(shù)φ(x)：(1)在一個(gè)周期內(nèi),周期信號(hào)x(t)必須絕對(duì)可積；(2)在一個(gè)周期內(nèi),周期信號(hào)x(t)只能有有限個(gè)極大值和極小值；(3)在一個(gè)周期內(nèi),周期信號(hào)x(t)只能有有限個(gè)不連續(xù)。

邊界含義,在物理上可有以下兩種：(1)周期、平整層構(gòu)成的(interfaces) (圖1)；(2)任意曲面構(gòu)成的(boundary)(圖2)。

6.4 譜的“極”及其物理意義

表面等離激元譜寬為γn,表示為：

(31)

由克喇末-克朗尼格(Kramers-Kronig)色散關(guān)系引導(dǎo)出的金屬介電函數(shù)不等式(組)為：

(32)

(33)

式中V是系統(tǒng)的體積。

上述過程中所有標(biāo)積的充要性質(zhì)都應(yīng)該得到滿足,即,(1)二進(jìn)制,(2)哈密頓量自洽,(3)定義為正算符。由此可得到該標(biāo)積的本征函數(shù)的正交歸一化為：

(34)

所有的本征值sn是實(shí)的,而且所有的本征函數(shù)φn(r)可選擇為實(shí)的,則1≥sn≥0。這些本征函數(shù)構(gòu)成了滿足邊界條件的空間完整基矢,用表示。延遲格林函數(shù)r(r,r′;ω)滿足以下的方程：

(35)

(36)

將它代入(35)式,乘φn(r)再對(duì)整個(gè)體積V積分,即可得an,則格林函數(shù)為：

(37)

準(zhǔn)靜態(tài)近似條件下,它是正確的,它包含了任何頻率,各種激發(fā)光(場(chǎng))下納米體系線性響應(yīng)的最大信息量。所有本征模式(表面等離子)的展開式都滿足格林函數(shù)的一般性質(zhì)。所有這樣的模式都由相應(yīng)格林函數(shù)的極(pole)來描述?！皹O”就是具有能量的(元激發(fā))狀態(tài),譜的中心能級(jí),等同于譜的某一峰。第n個(gè)“極”的頻率和譜峰寬分別由sn和γn給出。

(38)

將格林函數(shù)寫成臨近“極”的漸近表示式：

(39)

對(duì)于頻率接近第n個(gè)“極”的格林函數(shù)增強(qiáng)因子為：

(40)

這就是共振(表面-等離激元)的品質(zhì)因子。為了估計(jì)它的量值,再次考量以下不等式中的介電函數(shù)

(41)

用金屬的相對(duì)介電函數(shù)代換基底介質(zhì)的介電函數(shù),即εm→εm/εd,可得到：Qn≥Q(ωn),

(42)

對(duì)較低極限,品質(zhì)因數(shù)僅是頻率的函數(shù),不取決于表面-等離激元本征函數(shù)。

對(duì)銀和其它人工制備出來的金屬,在可見光到近紅外光譜范圍內(nèi),Q(ω)?1都成立?！白V”的格林函數(shù)方法另一非常重要的性質(zhì)是系統(tǒng)幾何性質(zhì)與其材料性質(zhì)完全無關(guān),它的本征函數(shù)φn,本征值sn僅由系統(tǒng)的幾何性質(zhì)確定,完全獨(dú)立于材料的組分和受激的頻率。因此,一旦幾何特性確定后,本征問題也就解得。若已知系統(tǒng)材料的介電常數(shù),則其組分和受激頻率都包含在格林函數(shù)的表示式中的參量(本征值)s(ω)中。一旦格林函數(shù)找到后,作為激發(fā)勢(shì)φ0(r)的縮寫局域光場(chǎng)勢(shì)φ1(r)也就求得：

(43)

從(43)式和φ(r)=φ0(r)+φ1(r)兩式,及輔助邊界條件可得場(chǎng)勢(shì)為：

φ(r)=

(44)

最后,微分該式,可得到光電場(chǎng)E(r)表示成激發(fā)(外)場(chǎng)E0(r)的封閉表示式：

(45)

式中的α,β,…是歐幾里德矢量指標(biāo)(α,β,…=x,y,z),求和遍及所有指標(biāo)；這些場(chǎng)為：

(46)

并矢張量延遲格林函數(shù)定義為：

(47)

(48)

另外,考慮本征問題是實(shí)的且對(duì)稱,它的本征值(sn)總是實(shí)的,本征函數(shù)φn也總能被選為實(shí)的。因此格林函數(shù)也滿足較簡(jiǎn)單的微擾對(duì)稱,即

(49)

若激發(fā)源是光波,在納米系統(tǒng)中的波前是平的,即E(0)為常數(shù),由此可得：

(50)

局域場(chǎng)增強(qiáng)因子是由壓縮延遲并矢格林函數(shù)組成：

(51)

6.5 格林函數(shù)理論中的增強(qiáng)因子

拉曼散射是非相干過程,用(電)極化(強(qiáng)度)PR(r)描述它。這相當(dāng)于用拉曼頻率ωR,拉曼場(chǎng)勢(shì)φR(r)的準(zhǔn)靜態(tài)方程來描述,因而有以下的方程：

(52)

它的積分解為：

(53)

假設(shè)PR(r′)在邊界 S 消失(這與邊界條件自洽),則由高斯理論(部分積分),可得拉曼頻率光電場(chǎng)矢量的格林函數(shù)表示式：

(54)

PR(r)=δ(r-r0)dR(r0)

(55)

式中dR(r0)為拉曼過渡偶極子,以頻率ωR振蕩,結(jié)合到(54)式,作用在金屬上電場(chǎng)為：

(56)

該電場(chǎng)作用在金屬組分后的介電磁極化率為：

(57)

則感應(yīng)的總拉曼偶極矩為：

(58)

因子θ(r)限制了積分體積僅在金屬內(nèi)。由格林函數(shù)的對(duì)稱性可得總拉曼輻射偶極矩：

(59)

(59)式中方括號(hào)第一項(xiàng)是被局域光場(chǎng)感應(yīng)的拉曼偶極子,第二項(xiàng)描述了整個(gè)納米結(jié)構(gòu)的天線效應(yīng),該結(jié)構(gòu)被重整化,增強(qiáng)屬拉曼偶極子輻射。拉曼偶極子dR正比于局域場(chǎng)E(r0),由此出現(xiàn)了拉曼極化率αR(ω),為了簡(jiǎn)化,僅考慮為各向同性(標(biāo)量)激發(fā)場(chǎng),則總拉曼輻射偶極子為：

(60)

顯然,可以假設(shè)激發(fā)場(chǎng)E(0)是線性Z-偏振、則沿Z軸不求和,增強(qiáng)因子為：

(61)

式中g(shù)β z(r0,ω)表示局域場(chǎng)的增強(qiáng),而

gβ z(r0,ωR)/s(ωR)

(62)

是納米結(jié)構(gòu)由于天線效引發(fā)拉曼偶極子增強(qiáng),(61)式可簡(jiǎn)化為：

gR=

(63)

由(63)式可估算增強(qiáng)因子；進(jìn)一步的簡(jiǎn)化后可得：

(64)

不難看出,總增強(qiáng)由兩部分組成(并不是如前所述的三部分),即,(1)局域場(chǎng)感應(yīng)的拉曼極化；(2)金屬納米結(jié)構(gòu)共振天線效應(yīng)。注意這里并沒有給出“拓?fù)洹痹鰪?qiáng)的貢獻(xiàn)；即使如此,增強(qiáng)因子仍很難求出。迄今,仍未能用該公式直接計(jì)算出增強(qiáng)因子。

7 討論與結(jié)論

所有金屬中品質(zhì)因子最好的是銀(Ag),在10(可見光)～100(近紅外光)范圍,由此可估算單分子銀的增強(qiáng)因子最高可達(dá)gR～(100)4=108。但離1014～1015,相差還有百萬量級(jí)以上,說明增強(qiáng)(因子)的研究還有很大的未知不確定性。

如果考慮格林函數(shù)中分子的本征函數(shù)情況又將有何變化,研究的問題又將做何改變；如不是金屬納米系統(tǒng),而是任何物質(zhì)組成的納米系統(tǒng),情況將又該是怎樣？這些都是有待考查研究的問題。

7.1 困惑

對(duì)2000年8月20日-8月25日北京召開的17屆國(guó)際拉曼光譜會(huì)議的大會(huì)特邀報(bào)告中[1]的內(nèi)容,原文都沒有給出直接測(cè)到的結(jié)果,目前的光譜儀也不可能直接測(cè)到如此高的增強(qiáng)(1014～1015)。

該文中寫到：“The observed enhancement factors are on the order of 1014to1015”,“觀察、觀測(cè),監(jiān)視……看到”是“observed”的詞意,試問何種測(cè)量手段、儀器、方法等能測(cè)出如此高數(shù)量的增強(qiáng)因子,百萬億倍～千萬億倍的增強(qiáng),這是何等高的增強(qiáng)！

圖19譜線中9#應(yīng)該是沒有信息的,而其余的1-8#都出現(xiàn)不同譜峰,意即：從零峰增至有峰,從0→1,即這時(shí)的增強(qiáng)為∞,所以,百萬億倍到千萬億倍的增強(qiáng),當(dāng)然是可以的,但決不是“observed”的結(jié)果(論)。筆者已仔細(xì)(查)閱讀過相關(guān)的經(jīng)典原文,均未發(fā)現(xiàn)如此超高的增強(qiáng)因子是如何“觀察”、“觀測(cè)”、“監(jiān)視”……“看到”的說詞。

Fig.19 Raman spectra of a single R6G molecule recorded at 1-s intervals.Raman signals abruptly changed for 9#→8# spectral lines[1,21]

7.2 結(jié)論

(1)不要僅強(qiáng)調(diào)表面增強(qiáng),因各種材料表面尺度相差甚遠(yuǎn)；對(duì)非表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的增強(qiáng),如：準(zhǔn)相位,逆向反射,等離激元-極化激元干涉等光散射增強(qiáng)現(xiàn)象不一定都發(fā)生在表面結(jié)構(gòu)。

(2)特高的“增強(qiáng)因子”并未真正測(cè)到,只是與散射截面數(shù)量級(jí)的比較、推理中得到的。

(3)格林函數(shù)對(duì)增強(qiáng)因子計(jì)算還未顯現(xiàn)其積極作用。

(4)除拉曼散射中存有“增強(qiáng)”外,還有其它光與物質(zhì)作用的光散射中有該現(xiàn)象,因而應(yīng)該說成“光散射增強(qiáng)”。準(zhǔn)確的說,“增強(qiáng)因子”不僅與物質(zhì)類別有關(guān),更取決于參與該過程的元激發(fā)數(shù)。

7.3 后記

正如過往指出過的[22],知識(shí)的長(zhǎng)河蜿蜒流逝,舍取或長(zhǎng)存的僅是人們自身擇棄嗎？不,還應(yīng)有時(shí)間的考驗(yàn)；時(shí)間的考驗(yàn)既是真實(shí)嚴(yán)肅的,更是可靠的！亦如T.A.愛迪生曾告誡,世上最艱巨的使命是什么？是思考。如何去思考？某世界著名實(shí)驗(yàn)室的過道上就有“Big Thinking”的警醒語；按中文的字意,是否可理解為：多思、深思、善思、勤思、廣思、尋思等意義。對(duì)自然科學(xué)(物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥、地質(zhì)、地理、天文、氣象等)的探究,要靠從事該項(xiàng)工作的人們不斷探究其規(guī)律、特質(zhì),終其一生。

真如千百年前,我國(guó)偉大詩人杜甫所獻(xiàn)箴言：

“細(xì)推物理須行樂,何用浮名絆此身?！?/p>

顯然,其中的“物理”,不是當(dāng)下所說的物理專業(yè)所含蓋的內(nèi)容。此外,“絆”字若改為“伴”、“拌”或“扮”三字,又將是何種意義,不再贅述。從事科研和教學(xué)的人們一定都知道,貫其終身的教學(xué)和科研工作分別是：

“教學(xué)”—系統(tǒng)、概括的,順理成章的講述；是有依據(jù)的重復(fù)；常與循規(guī)蹈矩結(jié)緣。表現(xiàn)為：思索呀！哲理無窮,但總還能夠思索！

“科研”—理性思維的奔放和不羈,潛在的困惑,無太多依據(jù)的探奇求鮮。常是頓悟的前提,與思緒的顛沛沉重結(jié)緣,表現(xiàn)為：奮進(jìn)吧！道路坎坷,但必須前進(jìn)！

致謝

感謝該實(shí)驗(yàn)室對(duì)本工作的支持及001CB61404課題組的資助。感謝南京大學(xué)秦國(guó)毅教授在“格林函數(shù)”中的有益討論。

本文部分內(nèi)容在2015年10月22日-10月25日,四川大學(xué)召開第18屆全國(guó)光散射學(xué)術(shù)會(huì)議物理與材料分會(huì)場(chǎng)邀請(qǐng)報(bào)告中給出。

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Also Talking about the Enhanced in Light Scattering

CHENG Guang-xu

(NationalLaboratoryofSolidStateMicrostructuresandPhysicsDepartment,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)

‘Enhancement phenomena’ in light scattering were found at 1970s.It is an importance phenomenon for (especial inelastic) light scattering.Up to now,it had been expended a huge effort and funds in this phenomena studies,or for more best explain away these results during the past more ten years.Recently,it had been pushed on the new place by super-high enhancement(gis the enhanced factor ～1014-15)phenomena,and for this sort of problems,experimental results,must deal with by using new idea or scattering crosses section.There are details given a few of machines about facility-pole of Green’s function,polarization,nanoparticles,nanolens,quasiphase-matching,single-molecule and interface layer or the boundary etc.,which are unable understanding during the past a few decade.Except fundamental knowledges of light scattering intensity have been presented,for the new fields should been given too,for their research in further,in this talking.

(inelastic) light scattering;enhancement

2015-12-16; 修改稿日期:2016-03-12

程光煦(1943-)男,教授,長(zhǎng)期從事光散射(拉曼 布里淵)物理和光譜物理的科研、教學(xué)工作。E-mails: gxcheng@nju.edu.cn

1004-5929(2016)04-0374-17

O436

A

10.13883/j.issn1004-5929.201604016