光学ppt课件

1、第三章第三章 光经过各向同性介质及光经过各向同性介质及其界面所发生的景象其界面所发生的景象光学光学 1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射第三章第三章 光经过各向同性介质及其界面所发生的景象光经过各向同性介质及其界面所发生的景象主要内容主要内容1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射1. 菲涅耳公式菲涅耳公式2. 反射、折射时的相位跃迁相移反射、折射时的相位跃迁相移3. 光在反射和折射时振动分量改动的真实情况光在反射和折射时振动分量改动的真实情况4. 斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系5. 光强、能流反射率和透射率光强、能

2、流反射率和透射率6. 布儒斯特定律布儒斯特定律7. 反射光与折射光的偏振态反射光与折射光的偏振态小坐标系：小坐标系：p p、s s、k k直角坐标系。直角坐标系。k k轴：光传播方向；轴：光传播方向；p p轴：在入射面内；轴：在入射面内；s s轴：垂直于入射面，正方向沿轴：垂直于入射面，正方向沿y y 轴正方向。轴正方向。1. 菲涅耳公式菲涅耳公式1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射按按p、s、k构成右手正交系构成右手正交系大坐标系：大坐标系：x，y，z直角坐标系。直角坐标系。z轴：法线，方向从介质轴：法线，方向从介质1至介质至介质2；x轴：在入射面内；

3、轴：在入射面内；y轴：垂直入射面指向我们。轴：垂直入射面指向我们。因此可以将入射光、反射光和折射因此可以将入射光、反射光和折射光振动矢量分解为光振动矢量分解为p分量分量Ep和和s分量分量Es光从介质光从介质1射入介质射入介质2图图3.1-1 3.1-1 光在两种透明电介质分界面上的反射和折光在两种透明电介质分界面上的反射和折射射i1p1k1i1p1k1k2n2n1xzOi2s1s1s2p2121s1122s1s1122121p122112p1p2112122s1112s1s1122122p11p1p211sincoscoscoscossintancoscoscoscostan2cos2cos

4、sincoscossin2coscoscoiiEninirEniniiiEiininirEniniiiEniiitEniniiiEnitEnin 12212122cos sinssincosiiiiiii菲涅耳公式重要菲涅耳公式重要 1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射振幅反射率：振幅反射率：srpr振幅透射率：振幅透射率：stpt 菲涅尔公式所说的是在分界面上发生反射和折射时菲涅尔公式所说的是在分界面上发生反射和折射时各振动分量的变化情况；各振动分量的变化情况；s分量和分量和p分量分别独立地分量分别独立地按照各自的规律反射和折射，其振幅反射率和振幅按照

5、各自的规律反射和折射，其振幅反射率和振幅透射率仅取决于光束的入射角和两种介质的折射率透射率仅取决于光束的入射角和两种介质的折射率1 1 光在各向同性介质界面上的光在各向同性介质界面上的反射和折射反射和折射2. 反射、折射时的相位跃迁相移反射、折射时的相位跃迁相移外反射：光从光疏介质进入光密介质外反射：光从光疏介质进入光密介质内反射：光从光密介质进入光疏介质内反射：光从光密介质进入光疏介质 外反射时相位跃迁外反射时相位跃迁n1n22211arcsin();arctan();CBCBnniiiinnp分量分量s分量分量 0p Ci090Bi090 0S Ci1Cii时 ,2222111122121

6、121(/) sin12arctancos(/) sin12arctancosspnnnininnnini折射时相位跃迁：折射时相位跃迁：折射光与入射光同相位折射光与入射光同相位,0pStt图图3.1-3 振幅反射率曲线振幅反射率曲线n1=1.5，n2=1rp3090060rsiBici1/(o)-0.501.0i1P1S1k1i1P2S2k2n2n1i2Ok1P1S1zx反射光的相位跃迁反射光的相位跃迁 0p Ci090Bi090 0S Ci21nn 0p 1i090Bi090 0S 1i21nn 1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射3.光在反射和折射

7、时振动分量改动的真实情况光在反射和折射时振动分量改动的真实情况2nzx1n0190Bii12nn时的反射和折射时的反射和折射图图3.1-42nzx1n10Bii12nn时的反射和折射时的反射和折射图图3.1-52nzx1n10Bii2nzx1n1Bciii正入射正入射（i1=0）000000例题例题: 分析正入射和掠入射时反射光和折射光电矢量的分析正入射和掠入射时反射光和折射光电矢量的p、s分量相对于入射分量相对于入射光的相位改动情况。光的相位改动情况。 0p Ci090Bi090 0S Ci21nn 0p 1i090Bi090 0S 1i12nn解：根据上图，可以将正入射和掠解：根据上图，可

8、以将正入射和掠入射时相位改动写出，见表。入射时相位改动写出，见表。12nn掠入射掠入射（i1=90O）0012nnpstptspstpts12nn12nn12nn12nnzx2n1nzx2n1nzx2n1nzx2n1n12nn12nn1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射光从一透明薄膜的上下外表反射时，两平行反射光之间的相位跃变光从一透明薄膜的上下外表反射时，两平行反射光之间的相位跃变结论：当薄膜上下折射率一样时，两平行反射光之间会有半波损相位跃结论：当薄膜上下折射率一样时，两平行反射光之间会有半波损相位跃 变。变。 当薄膜上下折射率不同，并且三者依次增大

9、或依次减小时，两平行反当薄膜上下折射率不同，并且三者依次增大或依次减小时，两平行反 射光之间没有半波损。射光之间没有半波损。 光从介质光从介质1射入介质射入介质2：振幅反射率：振幅反射率：rs、rp， 振幅透射率：振幅透射率：ts、tp 光从介质光从介质2射入介质射入介质1：振幅反射率：振幅反射率：rs、rp，振幅透射率：，振幅透射率：ts、tp 托克斯倒易关系托克斯倒易关系4. 斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系ssrr pprr 2ss s1rt t2pp p1rt t图图3.1-6 3.1-6 斯托克斯倒易关系的证斯托克斯倒易关系的证明明ArtAArrAttArArAtAtAtrn2n1由

10、光路的可逆性原理得：由光路的可逆性原理得：AAttArr0 AtrArt1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射光强：光强：220S|2nIEn Ec211|pppprIIR光强反射率：光强反射率：光强透射率：光强透射率：21212|pppptnnIIT121s1122s1s1122121p122112p1p2112122s1112s1s1122122p11p1p211sincoscoscoscossintancoscoscoscostan2cos2cos sincoscossin2coscoscoiiEninirEniniiiEiininirEniniii

11、EniiitEniniiiEnitEnin 12212122cos sinssincosiiiiiii5.光强反射率和透射率光强反射率和透射率1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射能流能流W：单位时间流过面积：单位时间流过面积S的光能量。的光能量。WIS11cosSSi22cosSSi能流透射率：能流透射率：2222212111121coscos|coscosppppppWI SiniTtWI SiniTp能流反射率：能流反射率：Rp111121111|ppppppppWI SIRrWI SI能量守恒：能量守恒：TpRp1TSRS12iA1SB1i2SSR

12、s= 2|sr21221cos|cossnitnisT2|ssrR 212|sstnnT 1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射光强、能流反射率和透射率随入射角的变化光强、能流反射率和透射率随入射角的变化p分量分量s分量分量振幅反射率振幅反射率光强反射率光强反射率能流反射率能流反射率振幅透射率振幅透射率光强透射率光强透射率能流透射率能流透射率1p1ppErE11sssErE211|pppprIIR211|ssssrIIR11pppWRWpR11sssWRWsR2s1ssEtE2p1ppEtE21212|pppptnnIIT21212|sssstnnIIT2

13、211coscosppppWiTWiT2211coscosssssWiTWiT各种反射率和透射率的定义重要各种反射率和透射率的定义重要1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射布儒斯特角：反射光布儒斯特角：反射光p p分量为零时对应的入射角，或者折射光线与反射光线正交分量为零时对应的入射角，或者折射光线与反射光线正交 时的入射角时的入射角iB iB 布儒斯特定律：布儒斯特定律：入射角等于布儒斯特角入射角等于布儒斯特角iBiB时，时，反射光是线偏振光反射光是线偏振光( (只存在只存在s s分量分量) )，布儒斯特角为，布儒斯特角为12Barctannni图图3.

14、1-9 3.1-9 自然光以布儒斯特角入射时的反射和折射自然光以布儒斯特角入射时的反射和折射iBE1pE1sk1iBE1sk1iBk2E2pE2sn2n16. 布儒斯特定律布儒斯特定律1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射布儒斯特角又称为起偏布儒斯特角又称为起偏角或者全偏振角角或者全偏振角1p12p1p12tantanEiirEii 自然光以布儒斯特角入射时，反射光为只需自然光以布儒斯特角入射时，反射光为只需s分量的线偏振光，透射光分量的线偏振光，透射光变为部分偏振光。变为部分偏振光。说说 明：明： 线偏振光以布儒斯特角入射时，反射光为只需线偏振光以布儒斯

15、特角入射时，反射光为只需s分量的线偏振光，折分量的线偏振光，折射光也是线偏振光；假设入射光的振动面与入射面垂直，那么反射光射光也是线偏振光；假设入射光的振动面与入射面垂直，那么反射光和透射光均为振动面垂直于入射面的线偏振光；假设入射光振动面与和透射光均为振动面垂直于入射面的线偏振光；假设入射光振动面与入射面平行，那么反射光强度为入射面平行，那么反射光强度为0，即全部透射。，即全部透射。 圆偏振光以布儒斯特角入射时，反射光仍为只需圆偏振光以布儒斯特角入射时，反射光仍为只需s分量的线偏振光，分量的线偏振光，透射光变为椭圆偏振光。透射光变为椭圆偏振光。1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各

16、向同性介质界面上的反射和折射例例1将一介质平板放在水中将一介质平板放在水中, 板面与程度面的夹角为板面与程度面的夹角为，如图。知折射率，如图。知折射率n水水=1.333，n介质介质=1.681，要使水面和介质面反射光均为线偏振光，要使水面和介质面反射光均为线偏振光, 求求1tannin水空气B01iA2i空气n水n介质n2tannin介质水0090AB02090ABi00ABAB 002(90)(90)i)90(102ii110tantan90nnnn介质水水空气071.14根据布儒斯特定律可得：根据布儒斯特定律可得：解：如下图，解：如下图，2i0190i例例2自然光以布儒斯特角入射到折射率为

17、自然光以布儒斯特角入射到折射率为1.5的平板玻璃上时，求折射光的偏振度的平板玻璃上时，求折射光的偏振度(忽忽略玻璃对光的吸收？略玻璃对光的吸收？1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射解：知解：知n1=1.0，n2=1.5，自然光的，自然光的11spEEo2,=90Bii,折射光的偏振度为：折射光的偏振度为：22222222/1/1pspspspsIIIIPIIII又：又：2222222(1tan)4tanppBssBIEiIEi2B1tanniniBE1pE1sk1iBE1sk1iBk2E2pE2sn2n1得：得：222221212222221212()4

18、8%()4nnn nPnnn n折射光的偏振度很低，反射光虽然是线偏振光，但是光能较入射光很弱折射光的偏振度很低，反射光虽然是线偏振光，但是光能较入射光很弱特点：可对入射光的偏振态及振幅进展调制。特点：可对入射光的偏振态及振幅进展调制。 玻片堆的运用：起偏器，检偏器，偏振分束器，偏振激光器等。玻片堆的运用：起偏器，检偏器，偏振分束器，偏振激光器等。 20pII 图图3.1-10 3.1-10 玻片堆玻片堆iB自然光自然光I0Ip忽略玻璃吸收忽略玻璃吸收1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射玻片堆玻片堆反射镜反射镜布儒斯特窗布儒斯特窗图图3.1-12 3.1

19、-12 带布儒斯特窗的激光谐振腔带布儒斯特窗的激光谐振腔图图3.1-11 3.1-11 偏振分束棱镜偏振分束棱镜sp自然光自然光等效于玻片堆等效于玻片堆的多层介质膜的多层介质膜1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射SpSpttrr、大小普通不同大小普通不同同时相位也将发生变化同时相位也将发生变化A自然光入射：自然光入射：正入射：反射、折射光依然为自然光正入射：反射、折射光依然为自然光布儒斯特角入射：反射光为线偏振，透射光为部分偏振。其它情况两者皆为部分偏振。布儒斯特角入射：反射光为线偏振，透射光为部分偏振。其它情况两者皆为部分偏振。B圆偏振入射：圆偏振入射

20、：普通情况，由于普通情况，由于S、P分量的振幅反射率不同，分量的振幅反射率不同，反射光为椭圆偏振光反射光为椭圆偏振光7. 反射、折射时的偏振态变化反射、折射时的偏振态变化C椭圆偏振光入射：普通依然为椭圆偏振光。椭圆偏振光入射：普通依然为椭圆偏振光。全反射时：全反射时：P、S之间的位相差之间的位相差 ,0因此反射光为椭圆偏振光。因此反射光为椭圆偏振光。D线偏振光入射：普通仍为线偏振光。线偏振光入射：普通仍为线偏振光。i1p1k1i1p1k1k2n2n1xzOi2s1s1s2p2例例3 一右旋圆偏振光正入射到一玻璃外表，试确定反射光的偏振态。一右旋圆偏振光正入射到一玻璃外表，试确定反射光的偏振态。

21、解：将右旋圆偏振光分解成两相互垂直的振动解：将右旋圆偏振光分解成两相互垂直的振动 , 在入射面内，在入射面内，spEE和pEsE垂直于入射面。垂直于入射面。入射光的振动方程为：入射光的振动方程为：cos() cos()2ppssEAtEAt其中，其中，spAA s1122ss1122p2112pp2112coscoscoscoscoscoscoscosEninirEniniEninirEnini由菲涅尔公式：由菲涅尔公式：得：得：sprr 12nnzx2n1nspAA cos() cos()2ppssEAtEAt所以反射光是左旋圆偏振光所以反射光是左旋圆偏振光左旋左旋yxOEpEsE 1 1

22、光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射本节重点本节重点1. 垂直入射时的振幅反射比和振幅透射比、强度反垂直入射时的振幅反射比和振幅透射比、强度反射率与能流反射率射率与能流反射率2. 斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系3. 布儒斯特定律及其运用布儒斯特定律及其运用4. 反射和折射时偏振态的改动反射和折射时偏振态的改动2 光的吸收光的吸收1. 吸收定律吸收定律2. 介质吸收的特点介质吸收的特点3. 吸收光谱及其运用吸收光谱及其运用主要内容主要内容2 光的吸收光的吸收光吸收的特点：吸收是介质的普遍性质。除真空外，没有任何一种介质光吸收的特点：吸收是介质的普遍性质。除真空外

23、，没有任何一种介质对任何波长的电磁波均完全透明。普通介质只能对某些波长范围内的光对任何波长的电磁波均完全透明。普通介质只能对某些波长范围内的光波透明，而对另外一些波长范围的光波不透明或部分透明。波透明，而对另外一些波长范围的光波不透明或部分透明。光吸收的根本概念：光波在介质中传播时，其强度随传播间隔衰减的景象。光吸收的根本概念：光波在介质中传播时，其强度随传播间隔衰减的景象。1. 吸收定律吸收定律2 光的吸收光的吸收布格尔实验结果：布格尔实验结果：zIIdd ：介质的吸收系数，与入射：介质的吸收系数，与入射光的波长有关光的波长有关意义：均匀介质中，光强度的衰减量正比于入射光强度和介质薄层厚度。

24、意义：均匀介质中，光强度的衰减量正比于入射光强度和介质薄层厚度。(1) 朗伯定律朗伯定律朗伯定律：光波透过整个介质后的强度：朗伯定律：光波透过整个介质后的强度： lIIe0I0：入射光强度；：入射光强度；l：光波穿过的介质厚度：光波穿过的介质厚度 2 光的吸收光的吸收图图3.2-1 光的吸收光的吸收0zzlz+dzI0I比尔实验结果：透明溶液的吸收系数比尔实验结果：透明溶液的吸收系数a a 正比于溶液的浓度正比于溶液的浓度C: C: ACAClIIe0比尔定律：比尔定律： A：与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收物质分子的特征。：与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收物质分子的特征。 阐明：

25、比尔定律仅适用于稀溶液物质分子的吸收身手不受其临近分子影阐明：比尔定律仅适用于稀溶液物质分子的吸收身手不受其临近分子影响时才成立。对于稀溶液，根据比尔定律，在响时才成立。对于稀溶液，根据比尔定律，在A A知的情况下，可以知的情况下，可以经过溶液的吸收特征来确定溶液的浓度溶液中吸收物质含量。经过溶液的吸收特征来确定溶液的浓度溶液中吸收物质含量。当溶液浓度很大时，分子间的相互作用不可忽略，比尔定律不再成当溶液浓度很大时，分子间的相互作用不可忽略，比尔定律不再成立，但朗伯定律一直成立。此外，朗伯定律仅描画了介质在普通光立，但朗伯定律一直成立。此外，朗伯定律仅描画了介质在普通光源产生的光辐射下的线性吸

26、收，对于强激光辐射下的非线性吸收，源产生的光辐射下的线性吸收，对于强激光辐射下的非线性吸收，朗伯定律不再成立。朗伯定律不再成立。 (2) 比尔定律比尔定律2 光的吸收光的吸收普遍吸收均匀吸收，普通吸收：介质对某些波长范围光辐射的均匀吸收。普遍吸收均匀吸收，普通吸收：介质对某些波长范围光辐射的均匀吸收。 普遍吸收的特点：吸收系数很小，且对于给定波段内各种波长成分具有一样普遍吸收的特点：吸收系数很小，且对于给定波段内各种波长成分具有一样程度的吸收系数。程度的吸收系数。 选择吸收：介质对某些波长范围的猛烈吸收。由于所吸收光子的能量对应选择吸收：介质对某些波长范围的猛烈吸收。由于所吸收光子的能量对应着

27、介质的某个跃迁能级，故又称共振吸收。着介质的某个跃迁能级，故又称共振吸收。 选择吸收的特点：吸收系数很大，且随波长的不同而猛烈地变化。选择吸收的特点：吸收系数很大，且随波长的不同而猛烈地变化。 阐明：任何物质，既存在普遍吸收，又存在选择吸收。普遍吸收的结果导阐明：任何物质，既存在普遍吸收，又存在选择吸收。普遍吸收的结果导致介质的部分温度升高，选择吸收的结果导致介质能级发生跃迁。致介质的部分温度升高，选择吸收的结果导致介质能级发生跃迁。不同物质对不同波长范围的光辐射具有不同的吸收特性。对于可见不同物质对不同波长范围的光辐射具有不同的吸收特性。对于可见光波段，普遍吸收意味着光波透过该介质时不变色，

28、选择吸收那么光波段，普遍吸收意味着光波透过该介质时不变色，选择吸收那么意味着光波透过该介质时的颜色将发生改动。意味着光波透过该介质时的颜色将发生改动。 2. 介质吸收的特点介质吸收的特点2 光的吸收光的吸收光学资料光学资料波长范围波长范围/nm/nm光学资料光学资料波长范围波长范围/nm/nm冕玻璃3502000岩盐NaCl17514500火石玻璃3802500氯化钾KCl18023000石英玻璃1804000氟化锂LiF1107000萤石CaF21259500 表表3.2-1 常用光学资料的透光波段常用光学资料的透光波段石英玻璃在紫外和可见光区具有普遍均匀吸收特性石英玻璃在紫外和可见光区具有

29、普遍均匀吸收特性 2 光的吸收光的吸收(1) 吸收光谱吸收光谱 具有延续光谱分布的光，经过有选择吸收的介质之后，某些波段或某具有延续光谱分布的光，经过有选择吸收的介质之后，某些波段或某些波长成分的光能量被介质部分或全部吸收，剩余的经分光仪器进展光谱些波长成分的光能量被介质部分或全部吸收，剩余的经分光仪器进展光谱展开后，原来延续分布的光谱中将出现一些暗区或暗线展开后，原来延续分布的光谱中将出现一些暗区或暗线吸收光谱。吸收光谱。 发射光谱与吸收光谱：物质在较高温度下的发射光谱与在较低温度下的吸发射光谱与吸收光谱：物质在较高温度下的发射光谱与在较低温度下的吸收光谱对应。前者表现为暗背景下的一组亮带或

30、亮线，后者那么表现为延收光谱对应。前者表现为暗背景下的一组亮带或亮线，后者那么表现为延续续光谱下的一组暗带或暗线。光谱下的一组暗带或暗线。带状光谱与线状光谱：由于物质分子或原子间相互作用的影响，普通情况带状光谱与线状光谱：由于物质分子或原子间相互作用的影响，普通情况下，流体、固体物质的吸收波段很宽，吸收光谱为具有一定宽度的带状分下，流体、固体物质的吸收波段很宽，吸收光谱为具有一定宽度的带状分布。稀薄气体的吸收波段很窄，吸收光谱为一系列明锐的暗线。布。稀薄气体的吸收波段很窄，吸收光谱为一系列明锐的暗线。 3. 吸收光谱及其运用吸收光谱及其运用2 光的吸收光的吸收2 光的吸收光的吸收镁原子的能级图

31、镁原子的能级图2 光的吸收光的吸收原子的吸收光谱原子的吸收光谱太阳光谱：较宽的延续光谱，其中太阳光谱：较宽的延续光谱，其中99.9的能量集中在红外、可见光及紫外的能量集中在红外、可见光及紫外区。由于地球大气中臭氧、水汽和其他大气分子的剧烈吸收，短于区。由于地球大气中臭氧、水汽和其他大气分子的剧烈吸收，短于295nm和大于和大于2500nm波长的太阳辐射不能到达地面，故在地面上观测波长的太阳辐射不能到达地面，故在地面上观测的太阳辐射的波段范围大约为的太阳辐射的波段范围大约为2952500nm。 夫琅禾费线：太阳辐射的延续光谱背景上呈现出的暗线，源于太阳周围温夫琅禾费线：太阳辐射的延续光谱背景上呈

32、现出的暗线，源于太阳周围温度较低的太阳大气中的原子对更加炽热的内核发射的延续光谱选择吸度较低的太阳大气中的原子对更加炽热的内核发射的延续光谱选择吸收的结果。收的结果。 表表3.2-2 太阳吸收光谱中较强的夫琅禾费线太阳吸收光谱中较强的夫琅禾费线符号符号波长波长/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A759.4-762.1Ob1518.362MgB686.7-688.4OF486.133HC656.282HG430.791FeD1589.592NaG430.774CaD2588.995Nag422.673CaD3587.562HeH396.849CaE526.954FeK3

33、93.368Ca2 光的吸收光的吸收太阳光谱太阳光谱2 光的吸收光的吸收 物质中杂质元素含量的定量分析：极少量混合物或化合物质中杂质元素含量的定量分析：极少量混合物或化合物中原子含量的变化在光谱吸收中将反映为吸收系数的很物中原子含量的变化在光谱吸收中将反映为吸收系数的很大变化，经过对其吸收光谱的分析，可以定量确定出该元大变化，经过对其吸收光谱的分析，可以定量确定出该元素的含量及变化规律。素的含量及变化规律。 (2) 吸收光谱的运用吸收光谱的运用 气候预告：大气中的主要吸收气体为水蒸气、二氧化碳气候预告：大气中的主要吸收气体为水蒸气、二氧化碳及臭氧等，经过对这些成分的光谱吸收特性的分析，可及臭氧

34、等，经过对这些成分的光谱吸收特性的分析，可获知其含量的变化，从而为气候预告提供必要的参考资获知其含量的变化，从而为气候预告提供必要的参考资料。料。2 光的吸收光的吸收 分子构造分析：不同分子或同一分子的不同同质异构体，分子构造分析：不同分子或同一分子的不同同质异构体，具有明显不一样的红外吸收光谱。经过分析分子的红外吸具有明显不一样的红外吸收光谱。经过分析分子的红外吸收光谱，可以获取分子构造的信息。收光谱，可以获取分子构造的信息。 太阳大气分析：太阳光极为宽阔的延续谱以及数以万计太阳大气分析：太阳光极为宽阔的延续谱以及数以万计的吸收线和发射线，是极为丰富的太阳信息宝藏。利用太的吸收线和发射线，是

35、极为丰富的太阳信息宝藏。利用太阳光谱，可以探测太阳大气的化学成分、温度、压力、运阳光谱，可以探测太阳大气的化学成分、温度、压力、运动、构造模型以及各种活动景象的产活力制与演化规律，动、构造模型以及各种活动景象的产活力制与演化规律，认证辐射谱线和确认各种元素的丰度。太阳发生迸发时，认证辐射谱线和确认各种元素的丰度。太阳发生迸发时，太阳极的紫外和软太阳极的紫外和软X射线都会出现很大的变化。利用这些射线都会出现很大的变化。利用这些波段的光谱变化特征可以研讨太阳的多种活动景象。波段的光谱变化特征可以研讨太阳的多种活动景象。2 光的吸收光的吸收1. 朗伯定律与比尔定律及运用朗伯定律与比尔定律及运用2.

36、普遍吸收与选择吸收的特点和区别普遍吸收与选择吸收的特点和区别本节重点本节重点2 光的吸收光的吸收3 光的色散与群速度光的色散与群速度1. 色散的概念色散的概念 2. 色散曲线的特征色散曲线的特征 主要内容主要内容3 3 光的色散与群速度光的色散与群速度色散：介质的折射率随波长频率不同而变化色散：介质的折射率随波长频率不同而变化 色散率色散率D：D=dn/dl，介质的折射率随波长的变化率，介质的折射率随波长的变化率 1. 色散的概念色散的概念3 3 光的色散与群速度光的色散与群速度三棱镜的色散三棱镜的色散(1) 正常色散曲线正常色散曲线 图图3.3-1 常用光学资料的色散曲线常用光学资料的色散曲

37、线nl nl n萤石萤石冕牌玻璃冕牌玻璃石英玻璃石英玻璃轻火石玻璃轻火石玻璃重火石玻璃重火石玻璃100008006004002001.401.501.801.601.70不同介质的色散曲线没有不同介质的色散曲线没有简单的类似关系简单的类似关系 特点：在普遍吸收区域内特点：在普遍吸收区域内 2. 色散曲线的特征色散曲线的特征3 3 光的色散与群速度光的色散与群速度波长变化范围不太大时：波长变化范围不太大时： 42llCBAn2lBAnA，B，C：与介质有关的：与介质有关的常数，需由实验数据确定常数，需由实验数据确定 柯西阅历公式：柯西阅历公式：3/2/Ddn dBll 因此色散率公式为：因此色散

38、率公式为：在选择吸收区，折射率随波长出在选择吸收区，折射率随波长出现突变。在选择吸收区两侧，折射现突变。在选择吸收区两侧，折射率随波长迅速变化。远离吸收区处，率随波长迅速变化。远离吸收区处，折射率随波长的变化表现为正常色折射率随波长的变化表现为正常色散特征。散特征。 结论：反常色散反映了介质在选择吸收区及其附近的色散特征。假设介质结论：反常色散反映了介质在选择吸收区及其附近的色散特征。假设介质在某一光谱区出现反常色散，那么一定阐明介质在该波段具有剧烈在某一光谱区出现反常色散，那么一定阐明介质在该波段具有剧烈的选择吸收特性。而在正常色散的光谱区，介质那么表现为均匀吸的选择吸收特性。而在正常色散的

39、光谱区，介质那么表现为均匀吸收特性。收特性。 特点：特点：(2) 反常色散曲线反常色散曲线3 3 光的色散与群速度光的色散与群速度图图3.3-4 介质的色散曲线介质的色散曲线ln吸收带吸收带全部色散曲线：各波段的正常色散曲线与反常色散曲线之总和全部色散曲线：各波段的正常色散曲线与反常色散曲线之总和 图图3.3-5 一种介质的全部色散曲线一种介质的全部色散曲线l0l01 1l03l03l0l02 2可见光可见光近紫外近紫外近红外近红外远红外远红外无线电波无线电波X射线射线远紫外远紫外0l lnl(3) 全部色散曲线全部色散曲线3 3 光的色散与群速度光的色散与群速度本节重点本节重点1. 介质色散

40、特性的定量表示介质色散特性的定量表示 2. 正常色散、反常色散的特点及其与吸收的关系正常色散、反常色散的特点及其与吸收的关系 3. 色散曲线的特征色散曲线的特征 4. 柯西色散公式的数学表述柯西色散公式的数学表述 3 3 光的色散与群速度光的色散与群速度4 光的散射光的散射4 4 光的散射光的散射1. 散射的普通概念散射的普通概念2. 瑞利散射瑞利散射3. 米氏散射米氏散射主要内容主要内容光散射：光波在透明介质光散射：光波在透明介质 (固体、液体或者气体固体、液体或者气体) 中传播时，有部分光中传播时，有部分光波偏离原来的传播方向向四面八方传播的景象称为光的散射。偏离原来波偏离原来的传播方向向

41、四面八方传播的景象称为光的散射。偏离原来方向的光称为散射光。方向的光称为散射光。1. 散射的普通概念散射的普通概念4 4 光的散射光的散射散射景象分类：散射景象分类： 散射光的波长不变化：瑞利散射、米氏散射和分子散射散射光的波长不变化：瑞利散射、米氏散射和分子散射 散射光的波长变化：拉曼散射、布里渊散射光的波长变化：拉曼散射、布里渊Brillouin散射、康普顿散射散射、康普顿散射 散射产生的缘由：物质中的杂质微粒或不规那么陈列的物质微粒在光散射产生的缘由：物质中的杂质微粒或不规那么陈列的物质微粒在光波作用下产生受迫振动，进而产生次级辐射，因彼此间无固定的相位波作用下产生受迫振动，进而产生次级

42、辐射，因彼此间无固定的相位关系，各微粒所发出的次波在空间各点发生非相关叠加，构成散射光。关系，各微粒所发出的次波在空间各点发生非相关叠加，构成散射光。 (1) 瑞利的实验结果瑞利的实验结果 图图3.4-1 瑞利散射实验瑞利散射实验xlz散射光散射光散射物质散射物质 白光白光实验：平行自然白光入射于牛奶与水的混合液中实验：平行自然白光入射于牛奶与水的混合液中 正侧向正侧向x方向散射光：青蓝色方向散射光：青蓝色短波成分居多短波成分居多 平行向平行向z方向透射光：偏红色方向透射光：偏红色长波成分居多长波成分居多 2.瑞利散射瑞利散射4 4 光的散射光的散射散射粒子的横向几何线度远小于入射光波散射粒子

43、的横向几何线度远小于入射光波长时的散射称为瑞利散射长时的散射称为瑞利散射 . /al 03 2 瑞利散射要求散射微粒的线度小于光波波长，当散射微粒的线度接近或大瑞利散射要求散射微粒的线度小于光波波长，当散射微粒的线度接近或大于光波波长时，如高空中云层的散射，瑞利散射定律将不再适用。于光波波长时，如高空中云层的散射，瑞利散射定律将不再适用。(2) 瑞利散射定律瑞利散射定律阐明：阐明：4 4 光的散射光的散射 波长越短，散射越强。波长越短，散射越强。 当散射微粒的几何线度远小于波长时当散射微粒的几何线度远小于波长时 ，散射过程不改动，散射过程不改动入射光的波长，但散射光的强度随入射光的波长不同而不

44、同入射光的波长，但散射光的强度随入射光的波长不同而不同,散射光的强度散射光的强度反比于反比于l4。./al 03 2 单色平行自然光入射时单色平行自然光入射时 透射光或其反方向：自然光透射光或其反方向：自然光 正侧向正侧向x或或y方向：振动面垂直于透射光方向的线偏振光方向：振动面垂直于透射光方向的线偏振光 其他方向：部分偏振光其他方向：部分偏振光2011cos2II散射光强度：散射光强度： Q Q：散射光方向：散射光方向 线偏振光入射时线偏振光入射时 各向散射光：线偏振光各向散射光：线偏振光20cosII 散射光强度：散射光强度：Q Q：散射光方向：散射光方向z x散射光方向散射光方向入入射射

45、光光方方向向 Ip/2I I 图图3.4-3 自然光产生的散射光强的分布自然光产生的散射光强的分布图图3.4-2 自然光产生的散射光的偏振态自然光产生的散射光的偏振态zxy4 4 光的散射光的散射 对于足够大的粒子对于足够大的粒子al，散射光强根本上与波长无关，并且散射光，散射光强根本上与波长无关，并且散射光强随强随a/l值的增大出现起伏，交替到达极大值和极小值。这种起伏的幅值的增大出现起伏，交替到达极大值和极小值。这种起伏的幅度亦随度亦随a/l的增大而逐渐减小。此时的散射叫做米氏散射。的增大而逐渐减小。此时的散射叫做米氏散射。 3.米氏散射米氏散射4 4 光的散射光的散射图图3.4-4 瑞利

46、散射和米氏散射瑞利散射和米氏散射散散射射光光强强a/l米氏区米氏区瑞瑞利利区区24610801. 瑞利散射的特点、散射定律及适用范围瑞利散射的特点、散射定律及适用范围2. 米氏散射米氏散射本节重点本节重点4 4 光的散射光的散射本章总结本章总结1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射121s1122s1s1122121p122112p1p2112122s1112s1s1122122p11p1p211sincoscoscoscossintancoscoscoscostan2cos2cos sincoscossin2coscoscoiiEninirEniniii

47、EiininirEniniiiEniiitEniniiiEnitEnin 12212122cos sinssincosiiiiiii1.1.菲涅耳公式菲涅耳公式2. 2. 反射、折射时的相位跃迁相移反射、折射时的相位跃迁相移 0p Ci090Bi090 0S Ci21nn 0p 1i090Bi090 0S 1i21nn 本章总结本章总结反射光反射光折射光相对于入射光无相位跃迁折射光相对于入射光无相位跃迁3.3.斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系本章总结本章总结光从介质光从介质1射入介质射入介质2：振幅反射率：振幅反射率：rs、rp， 振幅透射率：振幅透射率：ts、tp光从介质光从介质2射入介质射

48、入介质1：振幅反射率：振幅反射率：rs、rp，振幅透射率：，振幅透射率：ts、tp ssrrpprr2ss s1rtt2pp p1rt tp分量分量s分量分量振幅反射率振幅反射率光强反射率光强反射率能流反射率能流反射率振幅透射率振幅透射率光强透射率光强透射率能流透射率能流透射率1p1ppErE11sssErE211|pppprIIR211|ssssrIIR11pppWRWpR11sssWRWsR2s1ssEtE2p1ppEtE21212|pppptnnIIT21212|sssstnnIIT2211coscosppppWiTWiT2211coscosssssWiTWiT4. 4. 各种反射率和透

49、射率的定义重要各种反射率和透射率的定义重要本章总结本章总结布儒斯特角：反射光布儒斯特角：反射光p p分量为零时对应的入射角，或者折射光线与反射光线正交分量为零时对应的入射角，或者折射光线与反射光线正交 时的入射角时的入射角iB iB 布儒斯特定律：布儒斯特定律：入射角等于布儒斯特角入射角等于布儒斯特角iBiB时，时，反射光是线偏振光反射光是线偏振光( (只存在只存在s s分量分量) )，布儒斯特角为，布儒斯特角为12Barctannni图图3.1-9 3.1-9 自然光以布儒斯特角入射时的反射和折射自然光以布儒斯特角入射时的反射和折射iBE1pE1sk1iBE1sk1iBk2E2pE2sn2n

50、15.5.布儒斯特定律布儒斯特定律本章总结本章总结A自然光入射：自然光入射：正入射：反射、折射光依然为自然光正入射：反射、折射光依然为自然光布儒斯特角入射：反射光为线偏振，透射光为部分偏振。其它情况两者皆为部布儒斯特角入射：反射光为线偏振，透射光为部分偏振。其它情况两者皆为部分偏振。分偏振。B圆偏振入射：圆偏振入射：普通情况，由于普通情况，由于S、P分量的振幅反射率不同，反射光为椭圆偏振光分量的振幅反射率不同，反射光为椭圆偏振光6. 6. 反射、折射时的偏振态变化反射、折射时的偏振态变化C椭圆偏振光入射：普通依然为椭圆偏振光。椭圆偏振光入射：普通依然为椭圆偏振光。全反射时：全反射时：P、S之间

51、的位相差之间的位相差 ,0因此反射光为椭圆偏振光。因此反射光为椭圆偏振光。D线偏振光入射：普通仍为线偏振光。线偏振光入射：普通仍为线偏振光。本章总结本章总结2 2 光的吸收光的吸收本章总结本章总结图图3.2-1 光的吸收光的吸收0zzlz+dz(1) 朗伯定律朗伯定律朗伯定律：光波透过整个介质后的强度：朗伯定律：光波透过整个介质后的强度： lIIe0I0：入射光强度；：入射光强度；l：光波穿过的介质厚度：光波穿过的介质厚度 稀释溶液的吸收系数稀释溶液的吸收系数a 正比于溶液的浓度正比于溶液的浓度C: ACAClIIe0比尔定律：比尔定律： A：与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收物质分子的特

52、征。：与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收物质分子的特征。 阐明：比尔定律仅适用于稀释溶液物质分子的吸收身手不受其临近分子阐明：比尔定律仅适用于稀释溶液物质分子的吸收身手不受其临近分子影响时才成立。当溶液浓度很大时，分子间的相互作用不可忽略，影响时才成立。当溶液浓度很大时，分子间的相互作用不可忽略，比尔定律不再成立，但朗伯定律一直成立。此外，朗伯定律仅描画比尔定律不再成立，但朗伯定律一直成立。此外，朗伯定律仅描画了介质在普通光源产生的光辐射下的线性吸收，对于强激光辐射下了介质在普通光源产生的光辐射下的线性吸收，对于强激光辐射下的非线性吸收，朗伯定律不再成立。的非线性吸收，朗伯定律不再成立。 (2) 比尔定