物理光学-1光的吸收色散和散射

1、2021/3/111 一、光的吸收一、光的吸收 一般吸收：吸收很少，并且在某一给定波段内几乎是不一般吸收：吸收很少，并且在某一给定波段内几乎是不 变的；变的；可见光（石英）可见光（石英） 选择吸收：吸收很多，并且随波长而剧烈地变化。选择吸收：吸收很多，并且随波长而剧烈地变化。 红外光红外光（3.55.0m） 任一物质对光的吸收都由这两种吸收组成。任一物质对光的吸收都由这两种吸收组成。 1.9 光的吸收、色散和散射 2021/3/112 吸收定律吸收定律 0 l II e dIIdx 为为吸收系数吸收系数 0 0 Il I dI dx I dI dx I - 布格尔定律或朗伯定律布格尔定律或朗伯

2、定律 dx dII- dxx I x 0 I x l 01234 0 0.5 1 1 2.479 10 3 I z( ) 40z 光在均匀介质中传播，经过薄层光在均匀介质中传播，经过薄层 dx 后，后， 由于介质的吸收，光强从由于介质的吸收，光强从 I 减少到减少到 (I - dI) 。朗伯朗伯总结了大量的实验结果指总结了大量的实验结果指 出出,dI / I 应与吸收层厚度应与吸收层厚度 dx成正比成正比 2021/3/113 稀溶液中稀溶液中 溶液的溶液的吸收系数与浓度有关吸收系数与浓度有关, ,比尔比尔在在1852年指出年指出, ,溶溶 液的吸收系数与其浓度液的吸收系数与其浓度 c 成正比

3、成正比, , = C 是与浓度无关的常数 在溶液中的光强衰减规律为在溶液中的光强衰减规律为 0 expIICz 该式即为该式即为比尔定律比尔定律。 各种物质的吸收系数的差别是很大。 对可见光，对可见光， 16 10 cm 12 10 cm 金属金属 玻璃玻璃空气空气 15 10 cm 2021/3/114 大多数物质的吸收具有波长选择性，对于不同波长的光，物 质的吸收吸收不同。吸收选择性可以用吸收系数和波长的关 系曲线表示 2.吸收的波长选择性吸收的波长选择性 对于液体和固体，吸收带都比较宽，而对于气体则比较窄，通常只有103nm 量级。 2021/3/115 当白光射到红玻璃上时，只有红光能

4、够透过，我们当白光射到红玻璃上时，只有红光能够透过，我们 看到它呈看到它呈红色红色。如果红玻璃用绿光照射，玻璃看起。如果红玻璃用绿光照射，玻璃看起 来将是来将是黑色黑色。 例如，在可见光范围内，一般的光学玻璃吸收都较例如，在可见光范围内，一般的光学玻璃吸收都较 小，且不随波长变化，小，且不随波长变化，属一般性属一般性吸收，而有色玻璃吸收，而有色玻璃 则具有则具有选择性选择性吸收。吸收。 2.吸收的波长选择性吸收的波长选择性 2021/3/116 普通光学材料在可见光区都是相当透明的，它们对各普通光学材料在可见光区都是相当透明的，它们对各 种波长的种波长的可见光都吸收很少可见光都吸收很少。但是在

5、紫外和红外光区。但是在紫外和红外光区, , 它们则表现出不同的选择性吸收。它们则表现出不同的选择性吸收。 在制造光学仪器时在制造光学仪器时, , 必须考虑光学材料的吸收特性。必须考虑光学材料的吸收特性。 例如，紫外光谱仪中的棱镜、透镜需用例如，紫外光谱仪中的棱镜、透镜需用石英石英制作制作, ,而而 红外光谱仪中的棱镜、透镜则需用红外光谱仪中的棱镜、透镜则需用萤石萤石等晶体制作。等晶体制作。 2021/3/117 几种光学材料的几种光学材料的透光波段透光波段 光学材料光学材料波长范围波长范围 /nm 光学材料光学材料波长范围波长范围 /nm 冕牌玻璃冕牌玻璃 3502000 萤石萤石 (GaF2

6、) 1259500 火石玻璃火石玻璃 3802500 岩盐岩盐 (NaCl) 17514500 石英玻璃石英玻璃 1804000 氯化钾氯化钾 (KCl) 18023000 2021/3/118 应当指出，尽管朗伯定律总是成立，但比尔定律的应当指出，尽管朗伯定律总是成立，但比尔定律的 成立却是有成立却是有条件的条件的：只有在物质分子的吸收本领不：只有在物质分子的吸收本领不 受它周围邻近分子的影响时，比尔定律才正确。受它周围邻近分子的影响时，比尔定律才正确。 O HH O HH O HH 当浓度很大，分子间的当浓度很大，分子间的相互作用相互作用不可忽略时不可忽略时, 比尔定比尔定 律不成立。律不

7、成立。 2021/3/119 吸收光谱吸收光谱 (Absorption spectrum) 介质的吸收系数及随光波长的变化关系曲线称为该介介质的吸收系数及随光波长的变化关系曲线称为该介 质的质的吸收光谱吸收光谱。 光源光源 吸收物质吸收物质分光仪分光仪 使一束连续光谱的光通过有选择性吸收的介质，再通使一束连续光谱的光通过有选择性吸收的介质，再通 过分光仪，即可测出在某些波段上或某些波长上的光过分光仪，即可测出在某些波段上或某些波长上的光 被吸收，被吸收，形成吸收光谱形成吸收光谱。 2021/3/1110 气体吸收光谱的气体吸收光谱的特点特点是：吸收光谱是清晰、狭窄的吸是：吸收光谱是清晰、狭窄的

8、吸 收线收线, 吸收线的位置正好是该气体发射光谱线的位置。吸收线的位置正好是该气体发射光谱线的位置。 598.59 588.99 330.29 330.23 285.30 285.28 /nm 吸收光谱吸收光谱 (Absorption spectrum) 对于对于单原子气体单原子气体, 这种狭窄吸收线的特点更为明显这种狭窄吸收线的特点更为明显. 例例 如氦、氖等惰性气体及钠等碱金属蒸气的吸收光谱。如氦、氖等惰性气体及钠等碱金属蒸气的吸收光谱。 2021/3/1111 气体吸收的另一个主要特点是吸收和气体的气体吸收的另一个主要特点是吸收和气体的压力、压力、 温度、密度温度、密度有关，一般是气体密

9、度愈大，它对光的有关，一般是气体密度愈大，它对光的 吸收愈严重。吸收愈严重。 由于这种吸收带特征决定于组成气体的分子，它反由于这种吸收带特征决定于组成气体的分子，它反 映了分子的特性，所以可由吸收光谱研究映了分子的特性，所以可由吸收光谱研究气体分子气体分子 的结构的结构。 吸收光谱吸收光谱 (Absorption spectrum) 2021/3/1112 对于固体和液体，它们对光吸收的特点主要是具有对于固体和液体，它们对光吸收的特点主要是具有 很宽的吸收带很宽的吸收带。固体材料的吸收系数主要是随入射。固体材料的吸收系数主要是随入射 光波长变化，其它因素的影响较小。光波长变化，其它因素的影响较

10、小。 吸收光谱吸收光谱 (Absorption spectrum) 激光工作物质激光工作物质YAG的吸收光谱的吸收光谱 /nm 1.00 0.660.50 0.40 0.330.28 0.25 2021/3/1113 对一种材料吸收光谱的测量，是了解该材料特性的对一种材料吸收光谱的测量，是了解该材料特性的重重 要手段要手段。例如。例如, , 地球大气对可见光、紫外光是透明的地球大气对可见光、紫外光是透明的, , 但对红外光的某些波段有吸收。但对红外光的某些波段有吸收。 透明的波段称为透明的波段称为“大气窗口大气窗口”, 充分地研究大气的光充分地研究大气的光 学性质与学性质与“窗口窗口”的关系的

11、关系, ,有助于有助于红外导航、跟踪红外导航、跟踪等等 工作的进行。工作的进行。 吸收光谱吸收光谱 (Absorption spectrum) 2021/3/1114 0 20 40 60 80 100 0.720.94 1.13 1.381.90 2.7 4.3 6.0 15.0 /m 透过率透过率/ % 如图所示，波段从如图所示，波段从 1m 到到 15m 有有七个七个“窗口窗口”。 吸收光谱吸收光谱 (Absorption spectrum) 2021/3/1115 吸收光谱吸收光谱 (Absorption spectrum) 地球周围是厚达约地球周围是厚达约 1000 公里公里的大气层

12、。大气层由的大气层。大气层由 氮、氧、二氧化碳、臭氧及其它稀有气体和水气、氮、氧、二氧化碳、臭氧及其它稀有气体和水气、 尘埃组成。尘埃组成。 2021/3/1116 较强的较强的水汽吸收水汽吸收带位于带位于: : 0.71 0.735m, 0.81 0.84m, 0.89 0.99m, 1.07 1.20m, 1.3 1.5m, 1.7 2.0m, 2.4 3 .3m, 4.8 8.0m。 吸收光谱吸收光谱 (Absorption spectrum) 二氧化碳吸收二氧化碳吸收带位于带位于: 13.5 17m。 臭氧吸收带臭氧吸收带位于位于: 9.5m 附近附近。 2021/3/1117 由于太

13、阳四周大气中的不同元素吸收不同波长的辐由于太阳四周大气中的不同元素吸收不同波长的辐 射射, ,因而在连续光谱的背景上呈现出因而在连续光谱的背景上呈现出一条条黑的吸收一条条黑的吸收 线线, ,如图所示。如图所示。 ABCDEFGH 400500600700 夫朗和费夫朗和费首先发现首先发现, ,并以字母标志了主要的吸收线。并以字母标志了主要的吸收线。 吸收光谱吸收光谱 (Absorption spectrum) 2021/3/1118 符号符号波长波长/nm吸收元素吸收元素符号符号波长波长/nm 吸收元素吸收元素 A B C D1 D2 D3 E3 759.4762.1 636.8688.4 6

14、56.282 589.592 588.995 587.552 526.954 O O H Na Na He Fe E1 F G G H K 518.362 486.133 430.791 430.774 466.273 396.849 393.368 Mg H Fe Ca Ca Ca Ca 吸收光谱吸收光谱 (Absorption spectrum) 它们的波长及太阳大气中存在的相应吸收元素的关系如下：它们的波长及太阳大气中存在的相应吸收元素的关系如下： 2021/3/1119 光的色散效应是一种光在介质中传播时，其折射率随光的色散效应是一种光在介质中传播时，其折射率随 频率（或波长）而变化的

15、现象。频率（或波长）而变化的现象。 二、光的色散二、光的色散 2021/3/1120 正常色散曲线正常色散曲线 正常色散正常色散: :在物质透明区内，它随着光波长的增在物质透明区内，它随着光波长的增 大折射率减小且色散曲线是单调下降的。大折射率减小且色散曲线是单调下降的。 此现此现 象由柯西象由柯西(Cauchy)(Cauchy)色散公式来描述。色散公式来描述。 42 cb n 2021/3/1121 反常色散：发生在物质吸收区内，它随光波长增加而折射反常色散：发生在物质吸收区内，它随光波长增加而折射 率增加率增加, ,经验公式为塞耳迈耳方程经验公式为塞耳迈耳方程: : 2 2 22 0 1

16、b n 2021/3/1122 三、光的散射光的散射 (Scattering of light) 光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向, 向四周散射的现象向四周散射的现象 2021/3/1123 根据散射光的波矢根据散射光的波矢K 和波长的变化与否，将散射分和波长的变化与否，将散射分 为为两大类两大类： 光的散射现象光的散射现象 (Scattering phenomena of light) 一类散射是散射一类散射是散射光波矢光波矢 K 变化，但波长不变化变化，但波长不变化( (瑞瑞 利散射，米氏散射和分子散射利散射，米氏散射和分子散射) )；

17、另一类是散射另一类是散射光波矢光波矢 K 和波长均变化和波长均变化( (喇曼散射，喇曼散射， 布里渊散射布里渊散射等等) )。 2021/3/1124 亭达尔从实验上总结出了一些规律，因此，这一类亭达尔从实验上总结出了一些规律，因此，这一类 现象叫现象叫亭达尔效应亭达尔效应。这些规律其后为瑞利在理论上。这些规律其后为瑞利在理论上 说明，所以又叫说明，所以又叫瑞利散射瑞利散射。 1 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 亭达尔亭达尔等人最早对浑浊介质的散射进行了大量的等人最早对浑浊介质的散射进行了大量的 实验研究实验研究, ,尤其是微粒线度比光波长小尤其是微粒线度比光波长

18、小, ,即不大于即不大于 (1/51/l0) 的浑浊介质。的浑浊介质。 2021/3/1125 瑞利散射的瑞利散射的主要特点主要特点： 散射光强度与入射光波长的四次方散射光强度与入射光波长的四次方成反比成反比，即，即 4 1 ( )I I() 为相应于某一观察方向为相应于某一观察方向(与入射光方向成与入射光方向成角角)的的 散射光强度。散射光强度。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 该式说明，该式说明，光波长愈短，其散射光强度愈大光波长愈短，其散射光强度愈大，由，由 此可以说明许多自然现象。此可以说明许多自然现象。 2021/3/1126 适用于散射介质线度比光波波

19、长小的情况，如果适用于散射介质线度比光波波长小的情况，如果 散射体比波长大很多的块状散射体，则不适用散射体比波长大很多的块状散射体，则不适用 (如大气中的水滴如大气中的水滴) 2021/3/1127 4 1 ( ) I 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 天空为什么呈现蓝色呢天空为什么呈现蓝色呢? ?由瑞利散射定律可以看出在由瑞利散射定律可以看出在 由大气散射的太阳光中，由大气散射的太阳光中，短波长光占优势短波长光占优势。 红光波长红光波长( 720nm)为紫光波长为紫光波长(400nm ) 的的1.8 倍倍, ,因此紫光散射因此紫光散射强度约为红光的强度约为红光的(

20、1.8)410 倍倍。 2021/3/1128 太阳散射光在大气层内层太阳散射光在大气层内层, ,蓝色的成分比红色多蓝色的成分比红色多, ,使天使天 空呈蔚蓝色空呈蔚蓝色。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2021/3/1129 为何正午的太阳基本上呈为何正午的太阳基本上呈白色白色, ,而旭日和夕阳却呈而旭日和夕阳却呈红红 色色? ? 正午的太阳正午的太阳 地球地球 大气层大气层 散射散射 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 正午太阳直射正午太阳直射, ,穿过大气层穿过大气层厚度最小厚度最小, 阳光中被散射掉阳光中被散射掉 的短波成分不太

21、多的短波成分不太多, , 因此基本上呈因此基本上呈白色或略带黄橙色白色或略带黄橙色。 2021/3/1130 早晚的阳光斜射早晚的阳光斜射, ,穿过大气层的厚度比正午时穿过大气层的厚度比正午时厚得多厚得多, , 大气散射掉的短波成分大气散射掉的短波成分, ,透过长波成分，所以透过长波成分，所以旭日和旭日和 夕阳呈红色夕阳呈红色。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2021/3/1131 红光透过散射物的穿透力比蓝光强，所以在拍摄薄雾红光透过散射物的穿透力比蓝光强，所以在拍摄薄雾 景色时，可在照相机物镜前加上景色时，可在照相机物镜前加上红色滤光片红色滤光片以获得更以获

22、得更 清晰的照片。清晰的照片。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2021/3/1132 红外线穿透力红外线穿透力比可见光强，常被用于远距离照相或比可见光强，常被用于远距离照相或 遥感技术。遥感技术。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2021/3/1133 散射光强度随观察方向变化。自然光入射时，散散射光强度随观察方向变化。自然光入射时，散 射光强射光强 I( ) 与与 (1+cos2) 成正比成正比。 入射光方向入射光方向 观察方向观察方向 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2 2 ( )=I1+cos I

23、 2021/3/1134 散射光是偏振光（完全偏振光或部分偏振光）散射光是偏振光（完全偏振光或部分偏振光），该，该 偏振光的偏振度与观察方向有关。偏振光的偏振度与观察方向有关。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 瑞利散射光的光强度角分布和偏振特性起因于散射瑞利散射光的光强度角分布和偏振特性起因于散射 光是光是横电磁波。横电磁波。 自然光入射时，在入射光垂直方向上，散射光是完自然光入射时，在入射光垂直方向上，散射光是完 全偏振光；在入射光方向上，散射光认为自然光；全偏振光；在入射光方向上，散射光认为自然光； 在其他方向上，散射光为部分偏振光。在其他方向上，散射光为部分

24、偏振光。 2021/3/1135 自然光沿自然光沿 x 方向入射到介质的带电微粒方向入射到介质的带电微粒 e 上，上，使其使其 作受迫振动作受迫振动。 x z y P e 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2021/3/1136 图中的图中的入射光可分解入射光可分解为沿为沿 y 方向和方向和 z 方向的两个光方向的两个光 振动，其振幅相等，振动，其振幅相等，AyAzA0。 x z y P e 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2021/3/1137 假设考察位于假设考察位于 xey 面内的面内的 P 点，散射光方向点，散射光方向 eP与与

25、 入射光方向成入射光方向成 角，则其两个光振动分量的振幅分别角，则其两个光振动分量的振幅分别 为为 AzAzA0 和和 AyAycosA0cos。 x z y P e x y P Ay Ay 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 2021/3/1138 散射光强度散射光强度 I()为为 22 0 2 i ( )(1cos) (1cos) zy IIIA I 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 入射光方向入射光方向 观察方向观察方向 2021/3/1139 由于散射光两个振动分量的大小与散射方向有关由于散射光两个振动分量的大小与散射方向有关, ,

26、所所 以散射光的偏振态随散射方向不同而异以散射光的偏振态随散射方向不同而异。 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering) 22 0 2 i ( )(1cos) (1cos) zy IIIA I 2021/3/1140 沿着入射光方向或逆着入射光方向，散射光为沿着入射光方向或逆着入射光方向，散射光为自然光自然光； 在垂直入射光方向的在垂直入射光方向的 y 轴和轴和 z 轴上，散射光为轴上，散射光为线偏线偏 振光振光；其余方向上的散射光，均为；其余方向上的散射光，均为部分偏振光部分偏振光。 x z y P e 7.4.2 瑞利散射瑞利散射 (Rayleigh scattering

27、) 2021/3/1141 2米氏散射米氏散射 (Mie scattering) 当散射粒子的当散射粒子的尺寸接近或大于波长尺寸接近或大于波长时时, ,其散射规律与其散射规律与 瑞利散射不同。瑞利散射不同。 米氏米氏提出了悬浮微粒线度可与入射光波长相比拟时提出了悬浮微粒线度可与入射光波长相比拟时 的散射理论的散射理论，称为米氏散射，称为米氏散射。 2021/3/1142 米氏散射的主要特点是：米氏散射的主要特点是： 散射光强与偏振特性随散射光强与偏振特性随散射粒子的尺寸变化散射粒子的尺寸变化。 散射光强随波长的变化规律是与波长散射光强随波长的变化规律是与波长 的的较低幂次较低幂次 成反比成反比

28、，即，即 1 ( ) (33) n I n1，2，3。N 的具体取值取决于微粒尺寸。的具体取值取决于微粒尺寸。 2021/3/1143 散射光的散射光的偏振度随偏振度随 r / 的增加而减小的增加而减小, ,这里这里 r 是是 散射粒子的线度，散射粒子的线度， 是入射光波长。是入射光波长。 随着悬浮微粒线度的增大，沿入射光方向的散射随着悬浮微粒线度的增大，沿入射光方向的散射 光强将光强将大于大于逆入射光方向的散射光强。逆入射光方向的散射光强。 米氏散射米氏散射 (Mie scattering) 2021/3/1144 当微粒线度约为当微粒线度约为1/4波长时波长时, ,散射光强角分布如图所散射

29、光强角分布如图所 示示, ,此时此时 I() 在在 = 0 和和 = 处的差别尚不很明显处的差别尚不很明显。 z 当微粒线度继续增加时当微粒线度继续增加时, ,在在 0 方向的散射光强明方向的散射光强明 显占优势，并显占优势，并产生一系列次极大值产生一系列次极大值。 z 米氏散射米氏散射 (Mie scattering) 2021/3/1145 小水滴在可见光范围内产生的散射属于米氏散射小水滴在可见光范围内产生的散射属于米氏散射, 其其 散射光强与光波长关系不大散射光强与光波长关系不大, 所以所以云雾呈现白色云雾呈现白色。 米氏散射米氏散射 (Mie scattering) 2021/3/11

30、46 分子散射分子散射 (Molecular scattering) 光在浑浊介质中产生光在浑浊介质中产生瑞利散射和米氏散射之外，纯瑞利散射和米氏散射之外，纯 净介质中也产生散射净介质中也产生散射。 这就是在纯净这就是在纯净介质中，因分子热运动引起密度起伏介质中，因分子热运动引起密度起伏 引起介质光学性质的非均匀所产生光的散射引起介质光学性质的非均匀所产生光的散射, 称为称为分分 子散射子散射。 2021/3/1147 在临界点时在临界点时，气体密度起伏很大，可以观察到明显，气体密度起伏很大，可以观察到明显 的分子散射，这种现象称为的分子散射，这种现象称为临界乳光临界乳光。 由于分子热运动产生

31、的密度起伏所引起折射率不均匀由于分子热运动产生的密度起伏所引起折射率不均匀 区域的线度比可见光波长小很多，所以分子散射中，区域的线度比可见光波长小很多，所以分子散射中， 散射光强与散射角的关系与瑞利散射相同散射光强与散射角的关系与瑞利散射相同。 3 分子散射分子散射 (Molecular scattering) 2021/3/1148 2 2 i 24 0 2(1) ( )(1+cos) n II rN n 为气体折射率为气体折射率, ,N0 为单位体积气体中的分子数目为单位体积气体中的分子数目, , r 为散射点到观察点的距离，为散射点到观察点的距离，Ii 为入射光强度。为入射光强度。 理想气体对自然光的分子散射光强为理想气体对自然光的分子散射光强为 分子散射分子散射 (Molecular scattering) 2