Lorsque la lumière traverse une solide, liquide ou gazeuse partie de la lumière sera dispersée, voyageant dans des directions différentes de celle de la lumière entrante. La plupart de la lumière diffusée conservera sa fréquence d'origine - c'est ce qu'on appelle la diffusion élastique, la diffusion de Rayleigh est un exemple. Une faible proportion de la lumière diffusée aura une fréquence inférieure à celle de la lumière entrante et une proportion encore plus faible aura une fréquence plus élevée - c'est ce qu'on appelle la diffusion inélastique. La diffusion de Raman est une forme de diffusion inélastique et est nommé d'après Chandrasekkara Venkata Raman, qui a reçu un prix Nobel pour ses travaux sur le sujet en 1930.
Bien que la diffusion puisse être considérée comme la lumière tout simplement se reflétant sur de petites particules, la réalité est plus complexe. Lorsque le rayonnement électromagnétique, dont la lumière est un type, interagit avec une molécule, il peut provoquer une déformation du nuage d'électrons de la molécule; la mesure dans laquelle ce produit est connu sous le nom de polarisabilité de la molécule et est fonction de la structure de la molécule et la nature des liaisons entre les atomes. Suite à l'interaction avec un photon de lumière, la forme du nuage d'électrons peut osciller à une fréquence liée à celle du photon incident. Cette oscillation entraîne à son tour la molécule d'émettre un photon nouveau à la même fréquence, ce qui entraîne élastique ou Rayleigh, diffusion. La mesure dans laquelle la diffusion de Rayleigh et Raman se produisent dépend de la polarisabilité de la molécule.
Les molécules peuvent également vibrer, avec les longueurs des liaisons entre les atomes périodiquement augmentation ou la diminution de 10%. Si une molécule est dans son état vibratoire plus bas, parfois un photon va le pousser à un état supérieur de vibration, perdre de l'énergie dans le processus et entraînant le photon émis ayant moins d'énergie et donc une fréquence plus basse. Moins fréquemment, la molécule peut-être déjà au-dessus de son état vibratoire plus bas, dans ce cas, le photon peut l'amener à revenir à un état inférieur, gagnant de l'énergie qui est émise sous forme d'un photon avec une fréquence plus élevée.
Cette émission de photons de fréquences inférieures et supérieures est la forme de la diffusion inélastique connue sous le nom de diffusion Raman. Si le spectre de la lumière diffusée est analysé, il affiche une ligne à la fréquence de réception en raison de la diffusion de Rayleigh, avec de petites lignes à basses fréquences, et des lignes encore plus petites à des fréquences plus élevées. Ces raies de fréquences inférieure et supérieure, appelées lignes de Stokes et anti-Stokes, respectivement, se produisent à la même fréquence de la ligne de Rayleigh et la tendance générale est caractéristique de la diffusion Raman.
Étant donné que les intervalles de fréquence à laquelle les lignes de Stokes et anti-Stokes apparaissant dépend des types de molécules dont la lumière est en interaction, La diffusion Raman peut être utilisée pour déterminer la composition d'un échantillon de la matière, par exemple, des minéraux présents dans une pièce de la roche. Cette technique est connue sous le nom de spectroscopie Raman, et emploie normalement un laser monochromatique comme source de lumière. Les molécules particulières produiront un modèle unique de lignes de Stokes et anti-Stokes, permettant leur identification.