第六章光的吸收、色散和散射...ppt

1、单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级,单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级,河海大学常州校区,2020/8/7 c_,1,第六章 光 的 吸收、色散和散射,第六章 光的吸收、色散和散射,前面几章讨论了光在均匀介质中传播时，因光的波动性所产生的一系列现象和规律。实际上，由于光在传播过程中与介质的相互作用，还会使光的特性发生某些变化。例如，因介质对光波的吸收，会使光强减弱；不同波长的光在介质中传播速度不同，并按不同的折射角散开，会发生光的色散；光在介质中传播时会产生散射。 光的吸收、色散和散射是光在介质中传播时发生的普遍现象。,第一节 光与介质相互作用的经典

2、理论,光在介质中的传播过程，就是光与介质相互作用的过程。光在介质中的吸收、色散和散射现象，实际上就是光与介质相互作用的结果。 要正确地认识光的吸收、色散和散射现象，就应深入地研究光与介质的相互作用。,一、经典理论的基本方程,洛仑兹的电子论假定：组成介质的原子或分子内的带电粒子（电子、离子）被准弹性力保持在它们的平衡位置附近，并且具有一定的固有振动频率。,在入射光的作用下，介质发生极化，带电粒子依入射光频率作强迫振动。由于带正电荷的原子核质量比电子大许多倍，可视正电荷中心不动，而负电荷相对于正电荷作振动，正负电荷电量的绝对值相同，构成一个电偶极子，其电偶极矩为,式中，q是电荷电量；是从负电荷中心

3、指向正电荷中心的矢径。同时，这个电偶极子将辐射次波,利用这种极化和辐射过程，可以描述光的吸收、色散和散射。,假设在所研究的均匀色散介质中，只有一种分子，每个分子内只有一个电子作强迫振动，所构成电偶极子的电偶极矩为 p=-er 式中，e是电子电荷，r是电子离开平衡位置的距离。,如果单位体积中有分子，则单位体积中的平均电偶极矩（极化强度）为 P=Np=-Ner,r=?,根据牛顿定律，作强迫振动的电子的运动方程为,式中，等号右边的三项分别为电子受到的入射光强强迫力，准弹性力和阻尼力；E是入射光场。,引入衰减系数r=g/m ,电子的固有振动频率 ，则有,描述光与介质相互作用经典理论的基本方程。,求解这

4、个方程，可以得到电子在入射光作用下的位移，从而求出极化强度，描述次波辐射及光的吸收、色散和散射特性。,二、介质的光学特性,求解上述方程得电子在光场作用下的位移r为,则：,而根据电磁场理论有 ： P=0E 式中，为电极化系数，一般为复数。=+i”,比较以上两式可知：,同时，折射率也为复数，用 表示。,表征振幅特性,表征相位特性,相应的光强度为,由（1）式和（2）式可知，复折射率描述了介质对光传播（振幅和相位）的作用。其中实部n是表征介质影响光传播相位特性的量，即折射率；虚部是表征介质影响传播振幅特性的量，即消光系数，可描述光在介质中传播的吸收和色散特性。,第二节 光的吸收,所谓光的吸收，就是指光

5、波通过介质后，光强度减弱的现象。 光的吸收可以通过介质的消光系数描述。 光吸收是介质的普遍性质，除了真空，没有一种介质能对任何波长的光波都是完全透明的，只能对某些波长范围内的光透明，对另一些范围的光不透明。,例如，石英介质，对可见光几乎是全透明，而对3.5um5.0um的红外光却是不透明的。,一、光吸收定律,平行光在宽度为l的均匀介质中传播后的光强为,式中，I0是l=0处的光强，K为吸收系数。,若引入消光系数描述光强的衰减,各种介质的吸收系数差别很大，对于可见光，金属的K106cm-1，玻璃的K10-2cm-1，而一个大气压下空气的K10-5cm-1。,吸收系数K是波长的函数，根据K随波长变化

6、规律的不同，将吸收分为一般性吸收和选择性吸收。,在一定波长范围内，若吸收系数K很小，并且近似为常数，这种吸收叫一般性吸收；反之，如果吸收较大，且随波长有显著变化，称为选择性吸收。,应当指出，普通光学材料在可见光区都是相当透明的，但是在紫外和红外区，则表现出不同的选择性吸收，它们的透明区可能很不相同（见表6-1），在制造光学仪器时，必须考虑光学材料的吸收特性，选用对所研究的波长范围是透明的光学材料制作零件。,表6-1几种光学材料的透光波段,另外，溶液的吸收系数与浓度有关。,式中，C溶液的浓度，是与浓度无关的常数。,二、吸收光谱,介质的吸收系数K随光波长的变化关系曲线称为该介质的吸收光谱。 不同介

7、质吸收光谱的特点不同。,气体吸收光谱的主要特点：,吸收光谱是清晰、狭窄的吸收线，吸收线的位置正好是该气体发射光谱线的位置。对于低压的单原子气体，这种狭窄吸收线的特点更加明显。例如氦、氖等惰性气体及钠等碱金属蒸气的吸收光谱就是这种情况，如图6-3所示。,如果气体是由二原子或多原子分子组成的，这些吸收线就会变成吸收带。由于这种吸收带特征决定于组成气体的分子，反应了分子的特性，所以可由吸收光谱研究气体分子的结构 。,气体吸收的另一个主要特性是，吸收和气体的压力、温度、密度有关，气体密度愈大，吸收愈严重。,固体和液体的吸收光谱的主要特点：,具有很宽的吸收带。固体材料的吸收系数主要是随入射光波长变化，其

8、它因素影响较小。,图6-4是激光工作物质钇铅石榴石（YAG）的吸收光谱。,对一种材料吸收光谱的测量，是了解该材料的重要手段。例如，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，而对另外一些波段比较透明。透明的波段称为大气窗口，如图6-5所示，波段从1um到15um有七个“窗口”。充分地研究大气的光学性质与“窗口”的关系，有助于红外导航、跟踪等工作的进行。,第三节 光的色散,介质中的光速（或折射率）随光波波长变化的现象叫光的色散现象。,一、色散率,色散率是用来表征介质色散程度，即量度介质折射率随波长变化快慢的物理量。,在实际工作中，选用光学材料时，应特别注意色散大小。 例如，同样

9、一块三棱镜，若用作分光元件，应采用色散大的材料，若用来改变光路方向，则需采用色散小的材料。,二、正常色散与反常色散,1、正常色散,折射率随波长增加（或光频率的减小）而减小的色散叫正常色散。图6-8给出了几种常用光学材料的正常色散曲线。,这些色散曲线的特点：,波长愈短，折射率愈大。 波长愈短，折射率随波长的变化率愈大，即色散率愈大。 波长一定时，折射率愈大的材料，其色散率也愈大。,2、反常色散,1862年，勒鲁用充满碘蒸气的三棱镜观察到紫光的折射率比红光的折射率小，由于这个现象与当时已观察到的正常色散现象相反，勒鲁称为反常色散。,即：正常色散频率增加，折射率n上升。正常色散频率增加，折射率n降低

10、。,第四节 光的散射,一、光的散射现象,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，就是光的散射。,所谓不均匀介质，指的是气体中有随机运动的分子、原子或烟雾、尘埃、液体中混入小微粒，晶体中存在缺陷等。,但在实际测量中，很难区分开它们对透射光强的影响。因此在实际工作上通常将这两个因素的影响考虑在一起，将透射光强表示为,式中，h为散射系数，K为吸收系数，为衰减系数。在实际测量中得到的都是。,通常根据散射光的波矢 和 波长的变化与否，将散射分为两大类。,散射光的波矢 变化，但波长不变。有瑞利散射，米氏（Mie）散射和分子散射。 散射光的波矢 和波长均变化。有喇曼散射，布里渊散射。,

11、二、瑞利散射,主要特点：,1、散射光强度与入射光波长的四次方成反比，即,式中，I（）为相应于某一观察方向（与入射光方向成角）的散射光强度。 上式说明，光波长愈短，其散射光强度愈大。,下面以天空的颜色为例说明瑞利散射：,天空之所以呈现光亮，是由于大气对太阳光的散射，如果没有大气层，白昼的天空也将一片漆黑。,如图6-11,2、散射光强度随观察方向变化,自然光入射时，散射光强I()与（1+cos2）成正比。散射光强的角分布如图6-12所示。,3、散射光是偏振光,不论入射光是自然光还是偏振光都是这样，该偏振光的偏振度与观察方向有关。,三、米氏散射,当散射粒子的尺寸接近或大于波长时，所产生的散射称为米氏

12、散射。,主要特点：,1、散射光强与偏振特性随散射粒子的尺寸变化。 2、散射光强随波长的变化规律是,其中n=1,2,3。n的具体取值取决决于微粒尺寸。,3、散射光的偏振度随r/的增加而减小，这里r 是散射粒子的线度，是入射光波长。,4、当散射粒子的线度与光波长相近时，散射光强度对于光矢量振动平面的对称性被破坏，随着悬浮微粒线度的增大，沿入射光方向的散射强度将大于逆入射方向的散射光强。,四、分子散射,如前所述，光在浑浊介质中传播时，由于介质光学性质的不均匀性，将产生散射，这就是悬浮微粒的散射。,当悬浮微粒的线度小于1/10波长时，称为瑞利散射。 当悬浮微粒的线度接近大于波长时，称为米氏散射。,另外，在纯净介质中，或因分子热运动引起密度起伏，或因分子各向异性引起分子取向起伏，或因溶液中浓度起伏引起介质光学性质的非均匀所产生光的散射，称为分子散射。,散射光强度与波长的关系仍为：,然而，当入射光足够强时，就能够观察到很弱的附加分量旁带，即出现新频率分量的散射光。,喇曼散射就是散射光的方向和波长相对入射光产生变化的一种散射。,喇曼散射的特点：