Diffusion Raman exaltée de surface est un phénomène par lequel les signaux lumineux faibles qui sont normalement associés à la diffusion Raman devenus beaucoup plus puissants et plus facilement détectable. Alors que la spectroscopie Raman est un moyen utile d'identifier les molécules présentes dans un matériau ou d'une solution, elle est limitée par le fait que l'effet est très faible, avec normalement un seul dans tous les 108 photons incidents soumis à ce genre de diffusion. De surfaces améliorées des résultats de diffusion Raman à cet effet étant fortement amplifié, généralement par un facteur de 103 à 106, et dans certains cas jusqu'à 1015. L'amélioration est obtenue lorsque les molécules étudiées sont en contact avec ou à proximité d'une surface métallique qui présente une rugosité à l'échelle de 10-100 nanomètres (nm). Argent, or et cuivre donnent les meilleurs résultats, et sont généralement utilisés sous la forme de nanoparticules.
On pense que l'effet est produit lorsque les plasmons sont créés à la surface du métal par la lumière laser utilisée pour atteindre la surface de diffusion Raman exaltée. Plasmons sont des ondes électromagnétiques qui se propagent à une courte distance à travers la surface du métal lorsque le métal nuage d'électrons est stimulé par la lumière. De minuscules irrégularités sur les surfaces des nanoparticules semblent concentrer l'effet, ce qui est encore augmenté lorsque les nanoparticules sont disposées en grappes. Le champ électromagnétique généré apparaît alors à causer des molécules dans le voisinage immédiat de démontrer beaucoup plus intense diffusion Raman que ce serait normalement le cas. Il est également pensé que la chimie pourrait jouer un rôle dans certains cas, mais les recherches vers une explication complète est en cours.
Cet effet a conduit à l'élaboration de surface améliorée spectroscopie Raman (SERS), une technique qui a considérablement élargi le champ d'application de la spectroscopie Raman, permettant la détection de très petites quantités de diverses substances, sans la nécessité d'instruments coûteux. Afin de maximiser l'effet de surface diffusion Raman exaltée, le matériau étudié est déposé sur des nanoparticules métalliques appropriés, souvent dans un colloïde. Comme pour la spectroscopie Raman traditionnel, un laser monochromatique est utilisé pour produire la dispersion désirée. Avant la lumière diffusée est analysé, le signal plus intense en raison de la diffusion de Rayleigh est filtré pour éviter de submerger les signaux Raman.
La sensibilité nettement améliorée de diffusion Raman exaltée de surface permet la technique pour être utilisé pour détecter de nombreux composés chimiques sous forme de traces. Il a donc des applications dans la médecine légale, la surveillance environnementale et de la médecine. Nanoparticules métalliques peuvent être introduits dans les cellules vivantes, ce qui permet d'utiliser SERS cellulaire pour étudier l'activité biochimique.