Cheng Zhi Huang, Jian Ling, Yuan Fang LI 1 Introduction to light scattering

f = 5 cm
Blue-purple
Optical filter
Focal length 
f = 230 cm
Diameter 
D = 18 cm
The first lens
Yellow-green
optical filter
Observer
Sunlight
Rayleigh
scattering
Figure 1.9: Experiment setup designed for Raman scattering observation by Sir. Raman.
Introduction to light scattering
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Inspired by Compton e
ffect
*
, Raman named it as modi
fied scattering, and wrote a
short assay titled
“New-type second-level radiation” on 16 February 1928 and pub-
lished in Nature on 31 March 1928. The signal was later called Raman scattering. In
1930, an American spectroscopist Robert Williams Wood (1868
–1955) named the
modi
fied scattering with lower frequency as the Stokes line and modified scattering
with higher frequency as the anti-Stokes line.
1.6.2 Raman scattering spectrum
Raman
’s discovery proved that, except for some light components of the original
incident light (Rayleigh scattering) there are some weak light scattering signals
with di
fferent wavelength from that of the incident light (Raman scattering). Since
the scattering of light is related to the intensity of the incident light, these weak
light scattering signals can only be observed with a strong incident light. That is,
developing strong light source is an e
ffective way to study the weak signal and weak
interaction.
Raman
’s discovery proved the prediction of the Austrian theoretical physicist
Adolf Gustav Stephan Smekal (1895
–1959) in 1923 [7]. Later, the former Soviet Union
physicist Grigory Samuilovich Landsberg (1890
–1957) and Leonid Isaakovich
Mandelstam (1879
–1944) also observed the scattering in a quartz crystal [8].
Raman
’s discovery provided new evidence for the light quantum theory and quickly
won the public recognition, and thus Raman won the Nobel Prize in physics in 1930,
only two years after his short note in Nature published. After X-ray Compton e
ffect
was found in 1920, Heisenberg predicted a similar e
ffect in visible light in 1925. Thus,
the British Royal Society named that Raman Scattering is
“one of the most excellent
discoveries of experimental physics in the twenty century.
” Raman’s discovery
greatly promoted the
field of spectroscopy and also reflected deep influence to
scienti
fic history of India and even Asia.
In 1930
–1934, a Czechoslovakian physicist George Placzek (1905–1955)
researched the
first Raman spectrograph, greatly promoting Raman Effect research.
The spectrograph used the mercury arc as the source of light and a camera for
analysis and test. However, the Raman spectrum, owing to weak signal and easily
interfered by the strong Rayleigh scattering was limited to the study of chemical
molecule vibrational spectra. With the appearance of intense light source laser until
20
st
century 60
th
year, Raman spectroscopy started its splendid history and now
becomes a newly-developed study
field [9–10]. As different chemical structures and
di
fferent physical states, different molecules have their specific Raman spectra. This
* The Compton effect was discovered by the American physicist Arthur Holly Compton (1892–1962) in
1920. He found that there is longer wavelength besides the scattering light identical to the original
wavelength when X-ray is scattered by a crystal.
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information plays an important role in the study of molecular structure, similar to the
fingerprint region of an infrared spectroscopy, which then is named as the Raman
fingerprint.
The Raman spectrum is produced by the collision of photons and the outer
electrons of molecules. During the collision, overlapping of molecular vibration or
rotation energy and photon energy occurs, and the electron rises to an imaginary
energy level and goes back to a higher or lower energy level, making the frequency of
the scattered light changed, and the photon either obtains energy from molecules or
passes energy to the molecules. Since the changes of the frequency of scattered light
are closely related to the molecular or atomic microstructure, so the Raman spectrum
is a useful tool for the investigation of molecular structure. People could understand
molecular or atomic structural characteristics through the scattering spectrum.
In the Raman scattering spectrometry, on the both sides of the incident light with
a frequency v
0
, there are many Raman scattering spectral lines with a frequency of v
0
±v
i
(i=1, 2, 3,
… ), where v
i
=
ΔE
i
/h. Lines on the side of the long wavelength is called as
Strokes line, which is ascribed to the decrease of the scattering light energy owing to
the energy transfer from the photon to a molecule. Anti-Strokes line, on the other
hand, is located at the short-wavelength side with an increase in the energy of
scattered light owing to the energy acquisition from molecules. Thus, the frequency
di
fference (v
i
) of the Raman scattering spectrum is irrelevant to the frequency of the
incident light (v
0
), but is decided by the structure of the substance.
The Raman scattering peak has certain correspondence with its infrared
spectrum peak and can be used for qualitative and quantitative analysis of a
substance. In the
fluorescence spectrum scanning with a fluorospectrophot-
ometer, the solvent Raman scattering peak could be detected. By changing the
excitation wavelength we can observe the changes of the location of emission
peak, which helps to judge whether the peak is Raman scattering peak of the
test solvent or not.
1.7 Brillouin scattering
1.7.1 Brillouin scattering discovery
Brillouin scattering is one of scattering phenomena, which is caused by the sound
speed propagation pressure
fluctuation in the substance, and was first put forward by
a French physicist Léon Nicolas Brillouin (1889
–1969) in 1922. Brillouin studied
physics in Paris in his early years and took part in lattice X-ray di
ffraction study. In
1914, he studied scattering light frequency spectrum. Although he joined the army for
the First World War in 1914
–1919, he went back to Paris University afterward and
continued his study in quantum theory of solids, and became the doctor of science. In
Introduction to light scattering
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his PhD paper, he mentioned solid-state equation based on atomic vibration (pho-
non). In 1922, Brillouin calculated scattering light frequency distribution of density
fluctuation of a sound wave in a scatterer, and predicted that there should be
symmetrically distributed lines with di
fferent wavelengths around the incident
light frequency.
Brillouin also made great contributions to quantum mechanics, air radio wave
propagation, solid-state physics, and information theory. He studied monochromatic
light wave transmission and wave band function, and found that scattering light has
frequency shifts much smaller than the Raman scattering frequency, which are
related to the frequency shift and scattering angle and can be used for acoustic
vibration researches in gas, liquid, and solid.
1.7.2 Essence of Brillouin scattering
When the light interacts with the areas in a medium (such as air, water, or crystal)
with the time-dependent light density to produce the changes of light energy
(frequency) and propagation path, Brillouin scattering occurs. The density
changes may be caused by the acoustic mode such as phonons, or magnetic
modes such as magnetic oscillators, or temperature gradient. As described in
classic physics, when a medium is compressed, the refractive index changes,
conforming to Doppler frequency shift (refer to Section 1.8.1).
Brillouin scattering is an phenomenon that discloses the interaction among light
wave, sound wave, magnetic wave, or any other vibration waves to slightly change
the photon propagation direction and vibrational frequency. Any change in photon
vibrational frequency is comparable to the frequency of the interacting sound wave
or magnetic wave, and so the Brillouin scattering spectrum could be applied to
analyze and determine the speed of the sound, temperature, and other parameters
in the medium.
Similar to Raman scattering, Brillouin scattering is an inelastic scattering of
elementary excitation in a medium, and the frequency changes show the energy
of elementary excitation. However, Brillouin scattering is di
fferent from
Raman scattering, which only involves in the small-energy elementary excitation,
such as phonons and magnetic oscillators. As a practical study method, although
Evgenii Fedorovich Gross (1897
–1972), the former Soviet physicist, claimed to
observe the Brillouin
–Mandelstam light scattering during their observation of
the
fine structures of Rayleigh scattering in a condensed matter in 1930, the
Brillouin scattering signal is weak, and it did not develop quickly until the
appearance of intense light source laser.
To some degree, Brillouin scattering is in the
field of Raman scattering, namely,
the inelastic scattering of elementary excitation in a medium. Even though,
Brillouin scattering is because of the vibration of sound, magnetic, or other
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vibration waves, while Raman scattering is because of molecule vibration with
di
fferent sound waves and molecule vibration frequencies. The vibration frequency
of Brillouin scattering is below 500 GHz, while Raman scattering could reach THz
range. Besides, Brillouin scattering and Raman scattering have obvious di
fferences
in terms of equipment structure and applications.
1.8 Dynamic light scattering and static light
scattering
1.8.1 Dynamic light scattering
In terms of time concept, the detection mode of the light scattering signals, there are
dynamic light scattering and static light scattering. The concepts are originated from
the ignorance of the movements and time-dependance of the scattering particles,
namely, the dynamics. In fact, particles in the solution have Brownian movement,
which produces the Doppler shift.
In 1842, Christian Johann Doppler (1803
–1853), an Austrian physicist and math-
ematician, proposed the concept of Doppler shift. He believed that the radiation
wavelength of a substance changes with the radiation source and observer
’s relative
movements. That is, the wave in front of a moving radiation source is compressed
(blue shift), while later the wave is stretched (red shift). The faster the speed of the
radiation source, the larger is the shift e
ffect. Thus, when the light falls on the moving