第8章-光的吸收色散和散射.

第8章光的吸收、色散和散射§8.1光与物质相互作用的经典理论一、经典理论的基本方程1、思路：r（位移矢量）→p（电偶极矩）→P（极化强度）→χ（电极化率）→ε→n2、光与物质相互作用经典理论的基本方程（作强迫振动的电子的运动方程）为：f是弹性系数，g是阻尼系数，E是入射光场若入射光场为：引入衰减系数γ=g/m，固有频率ω0后，方程变为：()exp()EEzit2202drdreErdtdtm二、介质的复折射率1、介质复折射率的推导略2、电极化率的推导式：其实部和虚部为：222001Nemi2222022222222220000NeNemm3、复折射率将折射率表示成实部和虚部形式，则有：若介质为稀薄气体，有：222200111rNenmi22222nninin222022222002222220011122122NenmNem全波段曲线§8.1光的吸收一、光吸收定律1、光的吸收：光通过介质后，光能转变为其它形式的能量而使光强度减弱的现象，称为光的吸收。2、朗伯（Lanbert）定律：光强的减弱dI正比于I和dx的乘积,即：0expaadIIdxIIl3、吸收系数和消光系数的关系不同介质的吸收系数值差异很大，介质的吸收性能与波长有关。除真空外，没有任何一种介质对任何波长的电磁波均完全透明。0424expakIIl4、比尔（Beer）定律对于气体和融解于不吸收光的溶剂中的物质，吸收系数正比于单位体积中的吸收分子数，即正比于吸收物质的浓度。注意：朗伯定律对线性介质适用；比尔定律适用于低浓度溶液。0expaACIIAcl二、一般吸收与选择吸收1、吸收的分类：一般吸收和选择吸收。2、一般吸收：介质对光的吸收很弱，且随波长变化不大。如稠密介质吸收区ω远离的吸收ω0的吸收。3、选择吸收：介质对光的吸收强烈，且随波长剧烈变化。如稀薄气体吸收区ω在→ω0的吸收。4、吸收理论应用:激光稳频，空间光学和红外空间应用中应用波段的选择….。5、从整个电磁波谱的角度考察，一般吸收的介质是不存在的。大气窗口图：三、吸收光谱吸收光谱的获得：具有连续谱的光通过吸收物质后再经过光谱仪展成光谱时，就得该物质的吸收光谱。吸收光谱的解释；例子，激光物质的吸收光谱。§8.3光的色散一、色散的基础知识1、色散：介质的折射率（或光速）随光波长变化的现象。2、观察色散的牛顿正交棱镜法3、色散率定义:介质折射率n在波长λ附近随波长的变化率dn/dλ，在数值上等于介质对于λ附近单位波长差的两单色光的折射率之差。4、色散的应用：用作分光元件的三棱镜，应采用色散大的材料，用来改变光路方向的三棱镜，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：介质的折射率随波长的增加而减小的色散。即：dn/dλ0，且变化缓慢。2、正常色散的特点：波长越短折射率愈大；波长愈短折射率随波长变化愈大；折射率大的材料色散率也愈大。3、正常色散的经验公式——柯西公式表达式：对可见光波段无色透明的材料，柯西公式有相当高的准确度。只适用正常色散。由柯西公式得到的色散率：24BCnA32dnBd4、反常色散：折射率n随波长增大（或光频率的减少）而单调增加，即色散率dn/dλ0，且在附近区域变化剧烈。1862年勒鲁在观察蒸气的色散现象时发现的，孔脱系统的研究勒反常色散；反常色散不反常，它是介质的一种普遍现象；“反常”色散区常为“选择”吸收区。解释：222222002Nem二、光孤子1834年，罗素（Russel）发现孤波(solitorywave)孤子(so1iton)：色散+非线性效应。色散介质中，波包前沿快中心慢，脉冲展宽;非线性波动方程行波解。波包心振幅大速度快，波包前沿振幅小速度慢，波包压缩；调整二者稳定平衡，可使尖锐波包挺进而不变形——opticalso1iton§8.4光的散射一、基本知识1、散射：光通过不均匀介质时，偏离原来的方向，向四周传播的现象，称为散射。2、散射的特点：光能到光能，光能不转变为其它形式的能。3、散射的形成：光场E——偶极子振动——辐射电磁波——散射光4、散射现象的解释：问：图中所示人们见到的光是激光吗?如果是,为什么?如果不是，为什么与激光一样具很好的单色性?5、光与介质间的三种情况若介质是均匀的，且不考虑热起伏，光与介质不发生任何作用；若介质不很均匀，热起伏与时间无关，散射光的频率就不会发生变化，只是波矢量方向受到偏折，是弹性散射；若介质不均匀且随时间变化，光波与这些起伏交换能量，光频发生变化，就产生非弹性散射。6、散射的分类：二、线性散射1、瑞利散射（RayleighScattering）：散射粒子的直径在λ/5～λ/10以下，远小于光波波长的散射。2、瑞利散射的特点：（1）强度与波长的关系：θ称为散射角。光波长越短，散射光强愈大。41I解释朝/夕阳为什么显红色?（2）散射光强随散射方向变化的关系散射光强的角分布为：2/21cosII（3）散射光的偏振当自然光入射时，散射光一般为部分偏振光，但在垂直入射光方向上的散射光是线偏振光；当线偏振光入射时，各方向的散射光都是线偏振光瑞利散射的例子及应用光子在光纤中传播的瑞利散射下图为光时域反射仪（OTDR）3、米氏散射定义：又称为大粒子散射，其散射微粒的直径与入射的光波波长接近甚至更大。特点：a、散射光强与偏振特性随散射粒子的尺寸变化；b、散射光强随波长的变化规律与波长的较低幂次成反比；c、散射光的偏振度随d/λ的增加而减小；d、散射光强度的角分布随d/λ而变，前向强，后向弱。米氏散射光强的角分布图米氏散射解释自然现象：A、蓝天白云B、雾是白色的三、非线性散射：在散射光中，除入射光的频率以外，还有新频率的光产生。1、分类：拉曼散射和布里渊散射2、拉曼散射：如入射光频率为υ0，介质粒子的固有振动频率为υ1，υ2…，则散射光频率为υ0±υ1，±υ2…因散射光频率由υ0和υ1，υ2…联合决定，故又称“联合散射”3、拉曼散射理论解释：设入射电场为：分子因电场作用的感应电偶极矩极化率为：最后，电偶极矩为：公式解释：由于感应电偶极矩P与光电场E之间为非线性关系，P有υ0和υ0±υ三种频率成分，所以散射光的频率也有三种。频率为υ0的谱线称为瑞利散射；频率为υ0-υ的谱线称为拉曼红伴线，又称为斯托克斯线；频率为υ0+υ的谱线称为拉曼紫伴线，又称为反斯托克斯线。4、拉曼散射的意义拉曼散射光的频率与分子的振动频率有关，所以拉曼散射是研究分子结构的重要手段。5、拉曼散射的应用大气污染的测量；受激拉曼散射（SRS）——变频强相干辐射；拉曼光纤放大器。6、布里渊散射声波与光波相互作用而产生的散射，这通常是在晶体中发生的。散射光的频率为：其中υ0为入射光频率，υs为声波频率。受激布里渊散射（SBS）：1964年发现，声波和散射光波沿着特定的方向传播，并且只有入射光强度超过一定值才发生。