單色光進入玻璃為什麼會變色?

02-06

比如405nm紫色進入玻璃是黃色。。
藍色進去看到是粉紅色。。
補充一個405nm紫光進入被子的圖

顏色和主觀肉眼看到的基本沒有色差，單反圖。。
更新
第一張圖的玻璃是藍色紫色射入都是黃色，綠色射入光路有一點無法判斷，紅色射入幾乎沒有光路。
第二張圖的酒杯紫色射入是黃色，藍色射入紅色，綠色和紅色都基本沒有。
激光藍色功率2w左右，其他都是200mw。。
目前應該桌子那塊玻璃是激發熒光成分發光了。。
酒杯拉曼散射可能性比較大。。？

看到評論區有很多質疑，這裡改得更嚴謹一些。

題主可以通過兩種方法，確認觀察到的現象是什麼。

1、兩張照片是否用的同一塊玻璃。如果是同一塊，我認為還是拉曼的可能性大。如果是兩塊玻璃，那就交換玻璃，看看顏色會不會隨玻璃交換而交換。顏色隨玻璃，那熒光可能更大；顏色隨激光器，則拉曼可能性更大。

2、題主應該有條件做光譜測量。測量散射光譜頻率，減去入射光頻率，得到的頻率差相同，就是拉曼散射；散射光頻率本身近似，則是熒光光譜。

更新，由於題主提供了新的信息，這裡的可能性變化了。

題主說，桌上的玻璃，藍光紫光入射都是散射黃色，根據上面的分析，桌面上的玻璃，應該是熒光現象。

酒杯的玻璃，紫光入射散射黃色，藍光入射顯示紅色，估計還是拉曼散射的可能性大一些。當然也有可能是比較複雜的熒光現象，如果酒杯的玻璃里雜質比較複雜的話。

下面討論了，常見的非線性的可能性不大。

另外，拉曼當年做的拉曼散射實驗，用稜鏡分光，是為了去除拉曼散射中摻雜的瑞利散射。稜鏡分光並不會增加光強。而看題主發的照片，玻璃里的瑞利散射非常弱（瑞利散射是顏色不變的散射。而散射光裡面藍色和紫色成分幾乎看不出來。）在瑞利散射不存在的情況下，拉曼散射是可以被肉眼觀察到的。

說拉曼散射肉眼看不到的，知道拉曼散射怎麼被發現的么？

1923年（沒有感光半導體，沒有光電倍增管，甚至沒有彩色膠捲），拉曼的學生，用濾光片濾光的太陽光作為入射光，肉眼從側面觀察到變色現象。但一直到1928年都沒成功拍出照片。

目前的激光器，光強比濾光片濾色的太陽光大好幾個數量級，怎麼會肉眼看不到？（題主的照片是在暗室拍的哦~）

玻璃里普通的非線性光，應該不符合現有光譜現象。

常見的非線性效應，單色光下，主要是倍頻。這裡明顯不是。

複雜的非線性效應，比拉曼要弱很多。拉曼是太陽光光源時代發現的，而複雜的非線性現象都是激光時代才發現的。

拉曼和熒光最大的區別是：

熒光，改變入射光的頻率（顏色），出射光都是一樣的顏色。而且熒光入射和出射可以有很長的時間差（弛豫時間）

拉曼散射，改變入射光頻率，出射光也會跟著一起改變，而頻率差（光子能量差）不變。

拉曼散射往往是即時的，所以它是「散射」，光不會在分子內停留。

熒光過程，大家可能比較熟悉了，是說分子吸收一個光子，到達激發態，再經過某些過程，從激發態落回基態，再放出對應的光子的現象。如下圖：

可以看到，有很多種入射光（激發光）入射，都可以把分子激發到高能級，而高能級降落到低能級，則是只有固定的幾種。而且，振動弛豫時間可能較長，所以被激發的分子不是立即發光。

感謝 @物理材料人的糾正，有些夜明珠白天受到光照後，夜間發光是缺陷導致的長餘輝發光，是更為複雜的機制。另外有些特殊的熒光現象也會出現出射光與入射光顏色相關的情況，不過應該不是題主展示的這種。

拉曼散射不同。拉曼散射是光子經過某個分子時，其能量的一部分給了分子（斯托克斯線），或者從分子獲得了一部分能量（反斯托克斯線），然後繼續出射的過程。這個現象由印度物理學家拉曼發現，後來波恩和黃昆給出了「虛能級」的解釋。

上圖就是拉曼散射的能級解釋圖。按照題主看到的現象，紫光入射黃光出來，藍光入射紅光出來。如果有光譜儀測量一下，出射光的頻率差是不是等於入射光的頻率差，就可以確定是不是拉曼散射了。拉曼散射和熒光現象，都是可以用來探測物質的組分。不同的物質，具有不同的特徵熒光譜和拉曼譜。這些譜線是由物質內的能級結構決定的。人們可以利用熒光或者拉曼，確定混合物的成分和比例。

玻璃是會有熒光的，題主看到的是熒光，包括玻璃杯里的

本來我也很奇怪，玻璃透明絕緣的，沒有吸收怎麼有熒光？

因為玻璃裡面有雜質

為什麼不同激發光源的熒光顏色不同？

因為有多種雜質

首先用ImageJ（Fiji）分析題主照片（玻璃杯）（本來想去宜家看看，最近沒空出去）

藍光入射玻璃杯

主要是紅色，也是有綠色或者黃色的（黃=紅+綠）只不過比較弱而已，而藍色是最強的。可能人的視覺自動把藍色背景扣掉，認為是粉紅或紅色吧，但是藍色瑞利散射（或者是氣孔的散射？）的強度最強

紫光入射玻璃杯

^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^分割一下

看到的是黃色，如何確定不是紅色+綠色？

藍色/紫色的瑞利散射的強度是比較強的。而且雖然紫光入射時看到了黃色，你也沒法從照片或者肉眼分辨到底是黃光還是紅光+綠光。而且肉眼觀察的缺點是對綠光靈敏度高（Color vision），藍光紅光很吃虧。

我當時看了問題也懷疑玻璃怎麼有熒光。趁著做實驗的機會，測了一下我放樣品用的帆船牌載玻片（CAT. NO. 710）的拉曼光譜，光譜儀型號是Horiba Jobin Yvon HR Evolution（共焦顯微鏡），激發光源532 nm光源功率50 mW加了個10%的衰減，波數範圍100-5000 cm-1。對焦的時候特意對在玻璃內部。譜圖如下

熒光峰不要太好分辨，3000到5000 cm-1那個大鼓包就是。拉曼峰更尖銳半高寬更小，在1100 cm-1以下。什麼你說要換光源鑒別？不好意思換光源耗時間的，這台只配了514 nm 532 nm 633 nm 三個光源（633的強度很弱）換光源需要用硅峰校正光譜，大概需要10分鐘。機時費一小時600塊，實在不好意思。從峰形上分辨拉曼和瑞利已經足夠了，因為熒光是經過激發弛豫再回落髮射出來的光子，所以能量分布比較寬。峰形能分辨所以不浪費錢再換光源了，除非有感興趣的拉曼峰被熒光掩蓋了（這裡並沒有）才換光源測拉曼。

玻璃發生熒光現象很正常，因為裡面有雜質。Schott公司有兩篇文章裡面都提到光學玻璃中雜質的熒光：http://www.schott.com/advanced_optics/english/download/schott_tie-36_fluorescence_of_optical_glass_eng.pdf ， http://fp.optics.arizona.edu/optomech/references/glass/Schott/ti-36_fluorescence_of_optical_glass_us.pdf。熒光由雜質引起的，比玻璃基體的瑞利/拉曼強是正常現象。而且用不同的激發光源，熒光顏色也有區別。這裡用一下schott的硼硅玻璃（可以做容器）的宣傳冊（http://psec.uchicago.edu/glass/borofloat_33_e.pdf）。

同樣是low-iron soda-lime glass換激發光源以後熒光譜明顯不一樣，紅色相比綠色強度明顯提高，跟題主情況有點類似。可能是不同熒光物質的對不同激發光吸收率的差別導致。

再討論 @qcmsqas 堅持的拉曼散射。文獻裡面硅酸鹽玻璃的拉曼峰最高也就1100 cm-1 （American Mineralogist, Volume 69, pages 622-644, 1984 http://files.nocnt.ru/routine/senterra/2013/01-23/liter/am69_622.pdf）。我做的載玻片拉曼峰也主要在這個範圍內。而且從載玻片的拉曼光譜上看，熒光峰比拉曼峰強度要高的多，估計題主的玻璃杯也是這種情況。如果按照 @qcmsqas 的說法，紅色(620-750 nm)是玻璃基體拉曼散射的顏色，那麼拉曼位移波數至少是 (1/405-1/620)*10^7 = 8562 cm-1，這麼高的波數對應的振動模式是什麼？為什麼強度能與瑞利散射相提並論？

總之我認為是熒光的顏色。當然能看到拉曼散射，但是不至於引起顏色變化，因為拉曼散射與瑞利散射起源相同，強度比瑞利線弱三個數量級。

關於 @qcmsqas 以C V Raman的實驗作為論據，我再說一下其中的問題。

第一，忽略了顏色濾光片對肉眼辨別顏色的幫助，忽略了稜鏡將複色光中不同波長成分從空間上分離的作用。第二，低估了太陽光強，Raman用7英寸望遠鏡聚焦陽光，參考AM1.5太陽光譜，取400-500nm之間的光，取光譜寬度1 nm的一段，光強至少有20 mW，沒激光器強，也沒你想的那麼弱，問題不是太弱而是光源單色性差無助於分辨拉曼線。另外沒有提到到蒸餾有機溶劑排除熒光物質干擾的重要性。

––––––––––––––––––––––––––––原答案–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

不能完全贊同 @qcmsqas 的回答，主要問題出在拉曼散射和瑞利散射的分辨。

之前在他的回答的討論裡面，我提出了質疑，但是我也犯了一些錯誤，比如

拉曼散射強度弱到肉眼看不到

這個判斷是錯的。

（原回答）

我現在要說的是：拉曼散射和瑞利散射同時存在，而且瑞利散射的強度總是大於拉曼散射，因此將玻璃高腳杯發出的紅/黃光解釋為入射紫/藍光激發的拉曼散射很難說得通。按照 @qcmsqas的解釋，拉曼散射強於瑞利散射，這與光散射的理論不符。

關於這個問題，我發郵件請教了清華物理系吳國禎教授，他給出的答覆是這樣的：

物質的光散射，同時存在著瑞利散射和拉曼散射。換句話說，散射光總是由瑞利散射光和拉曼散射光構成的複色光(polychromatic light)，如下圖

（Bernath, 2005, chapter 8）

任何一本講述拉曼散射原理的教科書，都會從公式推導出瑞利散射和拉曼散射同時存在。比如下面是用經典模型進行推導。這本書中也有量子力學模型的公式推導，同樣體現了瑞利和拉曼散射共存。

（Bernath, 2005, chapter 8）而且，瑞利散射強度大於拉曼散射強度，散射截面通常相差3個數量級，在激發光源相同，光學系統和檢測器的效率相同的情況下，拉曼散射強度比瑞利散射小3個數量級。所以，

……照片，玻璃里的瑞利散射非常弱（瑞利散射是顏色不變的散射。而散射光裡面藍色和紫色成分幾乎看不出來。）在瑞利散射不存在的情況下，拉曼散射是可以被肉眼觀察到的。

與現有的光散射理論不符合。

小結： @qcmsqas 的解釋稱瑞利散射很弱，能看到拉曼散射，這是不合理的。另外，我不完全排除這種顏色變化是由拉曼散射造成的可能性，但是這一解釋成立的基礎，是首先解釋為何散射光強更強（相比拉曼）的瑞利散射在題主的觀察中比拉曼更弱。或者利用題主的樣品獲得拉曼光譜（不過濾瑞利散射），並推翻現有的光散射理論，證明在這樣的條件下「拉曼散射」強於瑞利散射。

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我認為@qcmsqas 的回答裡面有句話說得特別好：

說拉曼散射肉眼看不到的，知道拉曼散射怎麼被發現的么？

關於前半句，我承認「拉曼散射強度弱到肉眼看不見」是錯的。而後半句，我想原封不動的還給您：

請問您知道拉曼散射怎麼被發現的么？您知道拉曼用肉眼觀測拉曼散射光的實驗中藉助了什麼光學器件么？

其實，C. V. Raman在1928年的文章A New Radiation（實際上是一次演講的內容，發表在Indian J. Phys.）比較詳細講述了他從最初發現散射光特殊偏振特性到最後證實新的散射機制的過程，還包括了演講當時的演示實驗。這篇文章從頭到尾，以及在Raman和合作者的其他文章中，我都沒有看到任何關於Raman及其合作者「用裸的肉眼觀察拉曼散射造成的入射光/散射光顏色變化」這樣的實驗結果。如果 @qcmsqas能找到任何用裸的肉眼，不使用顏色濾光片和/或分光原件，觀察拉曼散射造成的散射光與入射光顏色不同的實驗報道，請指出來。另外，我給您轉述一下A New Radiation中提到的實驗，包括演示實驗，看看有哪個實驗是不用顏色濾片（colored filter），不用稜鏡（prism）或分光鏡（spectroscope）的。

演示實驗，光源是一盞燈(lantern)，沒有提燈的類型，熒光劑的水溶液的熒光現象（綠）。用不同顏色的濾片放置在光源和溶液之間，熒光顏色不變，強度有變化。
演示實驗，瑞利散射（It is this scattering that gives us the light of the sky, the blue colour of the deep sea and ...），使用一瓶澄清透明的甲苯置於光照（lantern）中，光路呈現藍色。無論如何提純甲苯，這種藍光都會出現，而且用同樣的光源，同樣的藍色乳光散射會出現在透明的光學玻璃，說明這是瑞利散射。
1921年，在Rao的協助下，用雙像稜鏡（double-image prism）和尼克爾稜鏡（Nicol）觀察純水的橫向（相對於入射光）散射光，發現使用紫色濾光片置於入射光路時，退偏振現象明顯增強（拉曼）。
1922年，用甲醇、乙醇和乙醚重複上述3的實驗，能呈現類似的退偏振現象。另外這些液體散射光的顏色互相不一致。
1923年，Ramanathan發現退偏振現象與入射光波長沒有依賴性，而是由於存在散射光所導致的。把藍色濾光片放在入射光束和放在散射光束上，這兩種情況下的退偏比不同，後一種情況更小。使用緩慢蒸餾的水作為樣品，在冰的融化溫度下測量，排除了雜質干擾的可能性。
1924年，Krishnan研究了60種液體的光散射，指出出現上述退偏振現象的液體具有共性，即分子具有極性。
1928年，Venkateswaran發現用紫外光（日光透過康寧G. 586玻璃）激發乾燥的甘油，受激發產生的可見輻射具有很強的偏振。
使用聚焦的太陽光束，通過一個藍紫色濾片，照射到高純蒸餾水中。再用一個綠色濾片，如果將綠色濾片放置在入射光束上，所有光照都會消失（因為兩個濾片顏色互補）。如果將綠色濾片置於人眼和蒸餾水容器之間，仍然能用肉眼看到散射光，但是強度變弱。（拉曼散射）Raman考慮到上述散射現象會被指認為熒光，提出兩條解釋：首先強度不是一個數量級（更弱，weak fluorescence），其次，這種散射光的退偏比與普通散射光類似，與熒光常見的圓偏振特點不同。
以甲苯為研究對象，以藍紫色玻璃過濾的日光為入射光，散射光通過冰洲石雙像稜鏡後照相記錄，曝光時間3 s，能看到退偏振現象。
上述實驗中，在相機鏡頭前放置一塊綠色玻璃，照相曝光時間25 min，兩個偏振方向上成像的亮度差異與9中一樣明顯。
Krishnan在有機蒸氣，二氧化碳，氧化二氮氣體中發現同樣的退偏振現象。冰和非晶固體也有類似現象。
測量散射線的光譜，過濾太陽光獲得波長範圍較窄的入射光，散射光譜中出現一些譜線，這些譜線的位置與入射光譜線有明顯的距離。
以汞燈（過濾掉435.8 nm以上波長的可見光）作為單色光源替換12中的日光光源，效果更好。以此光源激發潔凈無塵的液體樣品，用分光鏡直接觀察散射光譜，能看到入射光譜和汞燈光譜中沒有的藍色和綠色譜線。
使用Hilger光譜儀（石英稜鏡分光）記錄苯的散射光譜，光源使用藍色濾光片（350.0 - 440.0 nm）過濾汞弧燈入射，分別記錄入射和散射光譜（Fig. 3）。在此基礎上，用高錳酸鉀溶液濾光（替換藍色濾片），分別記錄入射和散射光譜(Fig.4)。散射光譜中未標記的譜線與入射光譜波長相同，屬於瑞利散射。不同的入射線獲得了相似的散射譜，另外還記錄了強度更弱的反斯托克斯散射（Fig. 3(2)）。另外理論計算表明反斯托克斯是可能存在的。
照相太費時，當時已照相記錄散射光譜的物質有，用肉眼觀察其他液體散射光經過分光的光譜。「When only the 4,358 line was used, most liquids showed in the spectrum of the scattered light, a bright line in the blue-green region of the spectrum (about 5,000A.U.), whose position was practically the same for chemically similar liquids such as pentane, hexane and octane for instance. There was, however, a recognizable difference in the position of the modified line when other liquids such as benzene or water were used. When the 4,047 line of the mercury arc was let in by removing the quinine sulphate solution, a second modified line in the blue region of the spectrum was seen with most liquids」用肉眼觀察的是經過分光的譜線的位置，而不是觀察複色散射光的與入射光的顏色差異。
氣態物質的拉曼散射強度和偏振態也可以測量。固態冰和純水的譜線位置幾乎一樣。非晶固體只測了一種，即光學玻璃，其拉曼散射沒有尖銳的散射線，只有彌散的連續譜。
二氧化碳氣體的拉曼散射，使用互補濾色片方法可以明顯觀察到。

回到之前的問題，不使用顏色濾片，不用稜鏡分光，如何裸眼觀察入射光與散射光的顏色差異？入射光與散射光的顏色差異？@qcmsqas您給個出處？

您也不用加一句稜鏡不改變光強，稜鏡作為獲得分光光譜的工具，盡量不減弱所有待測波段的光強，這是光譜儀的基本要求之一。稜鏡，或者當代常用的光柵光譜儀，作用是將複色光中頻率/波長/顏色不同的成分分散到空間中的不同方向，例如將散射光（複色，瑞利+拉曼）中波長不同的瑞利線和拉曼線分散到不同方向上，這時觀察拉曼線不受更強的瑞利線的干擾，因為空間位置已經分開了。再告訴您一個基本事實，在當代的大型拉曼光譜儀中，即使光柵光譜儀有能力從空間上把拉曼散射和瑞利散射分離，仍然會在散射光線進入光柵光譜儀之前用notch filter或edge filter過濾掉瑞利散射。這是因為更強的瑞利散射在光柵光譜儀中繼續發生散射，照亮光柵光譜儀的內腔，造成拉曼光譜中拉曼線的信噪比降低。這個事實是拉曼光譜儀廠商Horiba Jobin Yvon的工程師在2014年上海大學舉辦的「拉曼學院」講座中告訴我們的。這裡再複習一下，拉曼散射的強度通常比瑞利散射小3個數量級。

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我還是很好奇，題主您的玻璃高腳杯樣品能否寄給我一小塊？郵費我出，我想拿去做拉曼光譜，反正平時我也要做，順便做一塊。如果不行的話，那麼，在哪裡可以買到呢？

參考文獻

Raman, C. V., Krishnan, K. S. (1928). A new type of secondary radiation. Nature, 121, 501-502.

Raman, C. V. (1928). A new radiation. Indian J. Phys., 2, 387-398. URL: http://repository.ias.ac.in/70648/1/36-PUb.pdf

Singh, R. (2002). C. V. Raman and the Discovery of the Raman Effect. Physics in Perspective,4(4), 399-420.

Bernath, P. F. (2005). Spectra of Atoms and Molecules. Oxford University Press.

http://www.chem.purdue.edu/courses/chm424/Handouts/18.1%20Raman

http://web.pdx.edu/~larosaa/Applied_Optics_464-564/Projects_Optics/Raman_Spectrocopy/Raman_Spectroscopy_Basics_PRINCETON-INSTRUMENTS.pdf

http://faculty.uml.edu/david_ryan/84.514/Scattering.hnd.pdf

熒光。一般的玻璃裡面有很多化工雜質，很容易激發熒光。

應該是熒光現象，高能量的光子被吸收好，釋放出來的是低能量的光子。

熒光。我這兩天用紫外燈照了一下門上的玻璃也發現了，基本是熒光。。