Diffusion Raman - Définition
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Introduction
La diffusion Raman, ou effet Raman, est un phénomène optique découvert indépendamment en 1928 par les physiciens Chandrashekhara Venkata Râman et Leonid Mandelstam. Cet effet consiste en la diffusion inélastique d'un photon, c'est-à-dire le phénomène physique par lequel un milieu peut modifier légèrement la fréquence de la lumière qui y circule. Ce décalage en fréquence correspond à un échange d'énergie entre le rayon lumineux et le milieu.
Cet échange peut avoir plusieurs causes : vibrations du cristal ou de la molécule, excitations magnétiques... La mesure de ce décalage permet de remonter à certaines propriétés du milieu. On parle alors de . Cette technique est largement répandue dans l'industrie et la recherche depuis l'apparition du laser.
Dans le cas particulier où la diffusion est due à des ondes acoustiques, on parle de diffusion Brillouin.
Historique
En 1922, le physicien indien Chandrashekhara Venkata Râman a publié son ouvrage sur "la diffraction moléculaire de la lumière", première d'une série d'investigations avec ses collaborateurs qui a ultimement mené à sa découverte, le 28 février 1928, de l'effet optique qui porte son nom. L'effet Raman a été rapporté pour la première fois par C. V. Raman et K. S. Krishnan, et indépendamment par Grigory Landsberg et Leonid Mandelstam en 1928. Raman a reçu le Prix Nobel en 1930 pour son travail sur la diffusion de la lumière.
Application à la spectroscopie Raman
La spectroscopie Raman, ou spectrométrie Raman, est une méthode non-destructive permettant de caractériser la composition moléculaire et la structure d'un matériau. Cette technique est complémentaire de la spectroscopie infrarouge qui permet également d'étudier les modes vibrationnels d'un matériau.
La méthode consiste à focaliser (avec une lentille) un faisceau de lumière monochromatique (un faisceau laser) sur l'échantillon à étudier et à analyser la lumière diffusée. Cette lumière est recueillie à l'aide d'une autre lentille et envoyée dans un monochromateur et son intensité est alors mesurée avec un détecteur (monocanal type photomultiplicateur ou CPM, multicanal type CCD).
Plusieurs géométries de diffusion sont possibles. On collecte en général la lumière diffusée soit à 180°, soit à 90°. On peut également jouer sur la polarisation des faisceaux incidents et diffusés.
La spectroscopie Raman est une technique de mesure locale : en focalisant le faisceau laser sur une petite partie du milieu, on peut sonder les propriétés de ce milieu sur un volume de quelques microns cube. On parle parfois de micro-Raman.
Modes de vibration (phonon)
Une application de la spectrocopie Raman est la mesure de fréquences de vibrations d'un réseau cristallin ou d'une molécule (phonons). Les modes de vibrations qu'il est possible de mesurer par spectroscopie Raman sont :
- les modes de vibrations dont le vecteur d'onde est quasi-nul (ou la longueur d'onde quasi-infinie). Ceci est imposé par la conservation de la quantité de mouvement dans le processus de diffusion. Dans les solides, on ne peut donc avoir accès qu'au centre de la première zone de Brillouin.
- les modes de vibration qui provoquent une variation de la polarisabilité du milieu. Ces modes de vibration sont dit actifs.
De plus, parmi les modes actifs, certains ne sont détectables que dans une géométrie de diffusion donnée. Une analyse des symétries du cristal ou de la molécule permet de prédire quels modes de vibrations seront détectables.
Excitations magnétiques (magnon)
La spectroscopie Raman est également sensible aux ondes de spin (ou magnons). De même que pour les phonons, seuls les ondes de spin de vecteur d'onde quasi-nul sont détectables.
