第8章光的吸收色散和散射ppt課件

1、第8章 光的吸收、色散和散射,8.1 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論,一、經(jīng)典理論的基本方程 1、思路： r（位移矢量）p（電偶極矩）P（極化強(qiáng)度）（電極化率）n 2、光與物質(zhì)相互作用經(jīng)典理論的基本方程 （作強(qiáng)迫振動的電子的運(yùn)動方程 ）為： f 是彈性系數(shù)，g是阻尼系數(shù)，E是入射光場,若入射光場為,引入衰減系數(shù)=g/m，固有頻率0后，方程變?yōu)?二、介質(zhì)的復(fù)折射率,1、介質(zhì)復(fù)折射率的推導(dǎo) 略 2、電極化率的推導(dǎo)式： 其實(shí)部和虛部為,3、復(fù)折射率,將折射率表示成實(shí)部和虛部形式，則有： 若介質(zhì)為稀薄氣體，有,全波段曲線,8.1 光的吸收,一、光吸收定律 1、光的吸收：光通過介質(zhì)后，光能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪?/p>

2、量而使光強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象，稱為光的吸收。 2、朗伯（Lanbert）定律：光強(qiáng)的減弱dI正比于I和dx的乘積,即,3、吸收系數(shù)和消光系數(shù)的關(guān)系,不同介質(zhì)的吸收系數(shù)值差異很大，介質(zhì)的吸收性能與波長有關(guān)。除真空外，沒有任何一種介質(zhì)對任何波長的電磁波均完全透明,4、比爾（Beer）定律,對于氣體和融解于不吸收光的溶劑中的物質(zhì)，吸收系數(shù)正比于單位體積中的吸收分子數(shù)，即正比于吸收物質(zhì)的濃度。 注意：朗伯定律對線性介質(zhì)適用； 比爾定律適用于低濃度溶液,二、一般吸收與選擇吸收,1、吸收的分類：一般吸收和選擇吸收。 2、一般吸收：介質(zhì)對光的吸收很弱，且隨波長變化不大。 如稠密介質(zhì)吸收區(qū) 遠(yuǎn)離的吸收0的吸收。 3

3、、選擇吸收：介質(zhì)對光的吸收強(qiáng)烈，且隨波長劇烈變化。如稀薄氣體吸收區(qū)在 0的吸收。 4、吸收理論應(yīng)用:激光穩(wěn)頻 ，空間光學(xué) 和紅外空間應(yīng)用中應(yīng)用波段的選擇.,5、從整個(gè)電磁波譜的角度考察，一般吸收的介質(zhì)是不存在的,大氣窗口圖,三、吸收光譜,吸收光譜的獲得：具有連續(xù)譜的光通過吸收物質(zhì)后再經(jīng)過光譜儀展成光譜時(shí)，就得該物質(zhì)的吸收光譜。 吸收光譜的解釋； 例子，激光物質(zhì) 的吸收光譜,8.3 光的色散,一、色散的基礎(chǔ)知識 1、色散：介質(zhì)的折射率（或光速）隨光波長變化的現(xiàn)象。 2、觀察色散的牛頓正交棱鏡法,3、色散率定義:介質(zhì)折射率n在波長附近隨波長的變化率dn/d，在數(shù)值上等于介質(zhì)對于附近單位波長差的兩單

4、色光的折射率之差。 4、色散的應(yīng)用：用作分光元件的三棱鏡，應(yīng)采用色散大的材料，用來改變光路方向的三棱鏡，則需采用色散小的材料,二、正常色散與反常色散,1、正常色散：介質(zhì)的折射率隨波長的增加而減小的色散。即：dn/d0，且變化緩慢。 2、正常色散的特點(diǎn)： 波長越短折射率愈大； 波長愈短折射率隨波 長變化愈大； 折射率大的材料色散 率也愈大,3、正常色散的經(jīng)驗(yàn)公式柯西公式,表達(dá)式： 對可見光波段無色透明的材料，柯西公式有相當(dāng)高的準(zhǔn)確度。只適用正常色散。 由柯西公式得到的色散率,4、反常色散：折射率n隨波長增大（或光頻率的減少）而單調(diào)增加，即色散率dn/d0，且在附近區(qū)域變化劇烈,1862年勒魯在觀

5、察蒸氣的色散現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)的，孔脫系統(tǒng)的研究勒反常色散； 反常色散不反常，它是介質(zhì)的一種普遍現(xiàn)象； “反?！鄙^(qū)常為“選擇”吸收區(qū)。解釋,二、光孤子,1834年，羅素（Russel）發(fā)現(xiàn)孤波(solitory wave)孤子(so1iton)：色散+非線性效應(yīng)。 色散介質(zhì)中，波包前沿快中心慢，脈沖展寬; 非線性波動方程行波解。波包心振幅大速 度快，波包前沿振幅小速度慢，波包壓縮； 調(diào)整二者穩(wěn)定平衡，可使尖銳波包挺進(jìn)而 不變形 optical so1iton,8.4 光的散射,一、基本知識 1、散射：光通過不均勻介質(zhì)時(shí)，偏離原來的方向，向四周傳播的現(xiàn)象，稱為散射。 2、散射的特點(diǎn)：光能到光能 ，光

6、能不轉(zhuǎn)變?yōu)槠?它形式的能。 3、散射的形成：光場 E 偶極 子振動輻射電磁波散射光,4、散射現(xiàn)象的解釋,問：圖中所示人們見到的光是激光嗎? 如果是,為什么?如果不是，為什么與激光一樣 具很好的單色性,5、光與介質(zhì)間的三種情況,若介質(zhì)是均勻的，且不考慮熱起伏，光與介質(zhì)不發(fā)生任何作用； 若介質(zhì)不很均勻，熱起伏與時(shí)間無關(guān)，散射光的頻率就不會發(fā)生變化，只是波矢量方向受到偏折，是彈性散射； 若介質(zhì)不均勻且隨時(shí)間變化，光波與這些起伏交換能量，光頻發(fā)生變化，就產(chǎn)生非彈性散射,6、散射的分類,二、線性散射,1、瑞利散射（Rayleigh Scattering）：散射粒子的直徑在/5/10以下，遠(yuǎn)小于光波波長的

7、散射。 2、瑞利散射的特點(diǎn)： （1）強(qiáng)度與波長的關(guān)系： 稱為散射角。光波長越短，散射光強(qiáng)愈大,解釋朝/夕陽為什么顯紅色,2）散射光強(qiáng)隨散射方向變化的關(guān)系,散射光強(qiáng)的角分布為,3）散射光的偏振,當(dāng)自然光入射時(shí)，散射光一般為部分偏振光，但在垂直入射光方向上的散射光是線偏振光； 當(dāng)線偏振光入射時(shí)，各方向的散射光都是線偏振光,瑞利散射的例子及應(yīng)用,光子在光纖中傳播 的瑞利散射 下圖為光時(shí)域反射儀 （OTDR,3、米氏散射,定義：又稱為大粒子散射，其散射微粒的直徑與入射的光波波長接近甚至更大。 特點(diǎn)：a、散射光強(qiáng)與偏振特性隨散射粒子的尺寸變化；b、散射光強(qiáng)隨波長的變化規(guī)律與波長的較低冪次成反比；c、散射

8、光的偏振度隨d/的增加而減?。籨、散射光強(qiáng)度的角分布隨d/而變，前向強(qiáng)，后向弱,米氏散射光強(qiáng)的角分布圖 米氏散射解釋自然現(xiàn)象： A、藍(lán)天白云 B、霧是白色的,三、非線性散射：在散射光中，除入射光的頻率以外，還有新頻率的光產(chǎn)生,1、分類：拉曼散射和布里淵散射 2、拉曼散射：如入射光頻率為0，介質(zhì)粒子的固有振動頻率為1，2，則散射光頻率為01，2 因散射光頻率由0和1，2聯(lián)合決定，故又稱“聯(lián)合散射,3、拉曼散射理論解釋,設(shè)入射電場為： 分子因電場作用的感應(yīng)電偶極矩 極化率為： 最后，電偶極矩為,公式解釋： 由于感應(yīng)電偶極矩P與光電場E之間為非線性關(guān)系，P有0和0三種頻率成分，所以散射光的頻率也有三種。頻率為0的譜線稱為瑞利散射；頻率為0-的譜線稱為拉曼紅伴線，又稱為斯托克斯線；頻率為0+的譜線稱為拉曼紫伴線，又稱為反斯托克斯線,4、拉曼散射的意義,拉曼散射光的頻率與分子的振動頻率有關(guān)，所以拉曼散射是研究分子結(jié)構(gòu)的重要手段。 5、拉曼散射的應(yīng)用 大氣污染的測量；受激拉曼散射（SRS）變頻強(qiáng)