光的偏振和光與物質(zhì)的相互作用

1、妻子："我嫁給魔鬼也比嫁給你強(qiáng)."丈夫："這不可能,因?yàn)榻H禁止結(jié)婚."第三章光地偏振和光與物質(zhì)地相互作用光地電磁理論光是一種電磁波，是電磁場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度 E和磁場(chǎng)強(qiáng)度 H地周 期性變化在空間地傳播，或者說，E矢量和H矢量地振動(dòng)在空間地 傳播.一般而言，電磁波是橫波,E矢量和H矢量都與傳播方向垂 直.實(shí)驗(yàn)：干涉和衍射光地波動(dòng)性光地偏振光地橫波性實(shí)驗(yàn)表明，產(chǎn)生感光作用和生理作用地是光波中地橫向振動(dòng)著地電矢量E:E矢量：光矢量E 振動(dòng)：光振動(dòng) 本章研究：光地偏振和光與物質(zhì)地相 互作用過程 .§3 - 1 自然光和偏振光一光地偏振態(tài)縱波 ：通過波地傳播

2、方向所作地平面 內(nèi)地運(yùn)動(dòng)情況都是相同地 ,波地振動(dòng)對(duì)傳播 方向具有對(duì)稱性 .橫波 ：把通過波地傳播方向并包含振 動(dòng)矢量在內(nèi)地平面稱為 振動(dòng)面 ,波地振動(dòng)方 向?qū)鞑シ较虿痪哂袑?duì)稱性 .偏振： 振動(dòng)方向?qū)鞑シ较虻夭粚?duì)稱 性 . 這是橫波區(qū)別于縱波地一個(gè)最明顯地標(biāo)平面偏振光：光矢量地振動(dòng)只限在包含傳播方向地某一個(gè)確定地平面內(nèi) , 則這種 偏振態(tài)稱為 平面偏振 線偏振) , 該平面稱 為偏振面 . 圖 3 - 1 ( c )橢圓 圓)偏振光： 當(dāng)兩振動(dòng)面互相垂 直并有固定位相關(guān)系地線偏振光疊加之后 地光矢量，以圓頻率3作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，矢量端 點(diǎn)描出一橢圓 圖 3 - 1 ( d ).右旋橢圓偏振光：

3、光矢量順時(shí) 針旋轉(zhuǎn) 迎著光線看)左旋橢圓偏振光： 光矢量反時(shí) 針旋轉(zhuǎn) 迎著光線看)自然光： 無(wú)限多個(gè)振幅相等、振動(dòng)方 向任意、彼此之間沒有固定相位關(guān)系地光振動(dòng)地組合 .普通光源地發(fā)光來自大量原子地隨機(jī)光輻射 ，每一波列地振 幅、相位和振動(dòng)方向都不能顯示出在哪一個(gè)值和在哪一個(gè)方向上更占優(yōu)勢(shì) 普通光源 所發(fā)出地光對(duì)于其傳播方向軸對(duì)稱分布 ，其光矢量在與光地傳播方向垂直地平面 (紙 面上地分布如圖3-1 ( a > 所示.部分偏振光：光波包括了一切可能方 向地橫振動(dòng)，但不同方向上地振幅不同在 某一方向上地振幅最大，與之正交地方向上 振幅最小.圖3- 1 ( b >極大(a > (

4、b > ( c > ( d > ( e >圖3-1自然光和偏振光地光矢量分布二二偏振光地產(chǎn)生1、射和折射時(shí)地偏振現(xiàn)象自然光在任意兩種各向同性介質(zhì)地分界面上發(fā)生反射和折射時(shí),反射光和折射光皆部分偏振光2 二向色性有些晶體對(duì)不同方向地電磁振動(dòng)具有選擇吸收地性質(zhì).天然地電氣石晶體呈六角形地片狀，長(zhǎng)對(duì)角線地方向稱為它地光軸.當(dāng)光線照射在這種晶體地表面上時(shí)，振動(dòng)地電矢 量與光軸平行時(shí)被吸收得較少，光可以較多地通過；電矢量與光軸垂直時(shí)被吸收得較多 光通過得很少，如左圖.3 晶體雙折射現(xiàn)象一束光在各向異性地晶體內(nèi)分成了兩束，它們地折射程度不同，這種現(xiàn)象通常稱為 雙折射如圖3 - 3

5、所示，如果讓一束平行地自然光正入射到一塊方解石晶體地一個(gè)表面上 我們將發(fā)現(xiàn)該束光在通過方解石后被分解成了兩束尋常光（o光：晶體內(nèi)符合普通折射定律地折射光線非常光（e光：晶體內(nèi)違背普通折射定律地折射光線利用檢偏器可以看出，從雙折射晶體射出地這兩束光都是線偏振光，它們地振動(dòng)方向相互垂直§ 3 - 2 光地吸收光與物質(zhì)地相互作用 光與原子中電子地相互作用）k光地吸收、散射和色散現(xiàn)象:“折射波法線、入射波法線以及界面法線三者共一吸收定律光地吸收：通過物質(zhì)時(shí)，光地強(qiáng)折射定律可以普遍地表述為面；波法線與界面法線間夾角的正弦和折射率的乘積在界面兩側(cè)相等?！蹦敲?，對(duì)e光來說，這個(gè)普遍的折射定律仍然是

6、適用的。我們知道，波法線與波面垂直，代表波的相位 傳播方向；而波線或光線所代表的卻是波擾動(dòng)的傳播方向或能量流動(dòng)的方向。對(duì)于晶體中 的e光來說，光線與波法線一般來說并不重合（參見圖17-13惠更斯作圖法。e光的光線 不滿足普通的折射定律，而波法線卻滿足普遍的折射定律。度隨著穿進(jìn)物質(zhì)地深度而減小地現(xiàn)象.在相當(dāng)寬地光強(qiáng)范圍內(nèi)，有-dn aldx,（3. 1>:a:該物質(zhì)地吸收系數(shù).若入射光強(qiáng)為Io,則通過厚度為d地物 質(zhì)后地光強(qiáng)為I = l0d,（3. 2>布格定律表明，厚度等于1/ a地一薄 層物質(zhì)，可使光強(qiáng)減小到原來地1/e36 %.對(duì)可見光,大氣壓強(qiáng)下地ao5 cm1 <空氣

7、）a a羽0 2cm1；<玻璃）a a 羽 O4-105 cm1v金屬）在顯微鏡下觀察巖礦標(biāo)本時(shí)，常把樣品 磨成很薄地薄片激光地出現(xiàn)，使人們能夠掌握地光強(qiáng)比原來大了十幾個(gè)數(shù)量級(jí)，光和物質(zhì)地非線性 相互作用過程顯示了出來，這時(shí)吸收系數(shù)-：la與折射率n等都依賴于光強(qiáng)，布格定律不再 成立.二一般吸收和選擇吸收吸收光譜物質(zhì)對(duì)電磁波地吸收具有選擇性.任何 一種物質(zhì)，它對(duì)某些波長(zhǎng)范圍內(nèi)地光可以是 透明地,而對(duì)另一些波長(zhǎng)范圍內(nèi)地光卻可以 是不透明地普通玻璃對(duì)可見光是透明地，但是對(duì)紅外線和紫外線卻都有強(qiáng)烈地吸收，是不透明 地.地球表面上地大氣，盡管它對(duì)可見光和波長(zhǎng)在 300 nm以上地紫外線是透明地，

8、但對(duì)紅外線只在某些狹窄地波段內(nèi)是透明地，它們稱為大氣窗口，在1 - 15m之間有7個(gè)大氣窗口 .此外,大氣中地臭氧會(huì)強(qiáng)烈地吸收波長(zhǎng)短于 300 nm地紫外線.-般吸收：物質(zhì)對(duì)給定波段內(nèi)各種波長(zhǎng)光地吸收程度幾乎相同 , 可見光束通過物質(zhì)后只改 變光強(qiáng), 而不改變顏色 .選擇吸收： 物質(zhì)對(duì)某些波長(zhǎng)地 光地吸收特別強(qiáng) . 選擇吸收地物質(zhì) 會(huì)使通過它地白光變?yōu)椴噬?. 絕大部分物體之所以呈 現(xiàn)顏色 ,都是其表面或體內(nèi)對(duì)可見光進(jìn)行選擇吸收地結(jié)果 . 鈉 黃光照射下地紅花綠葉之所以均呈黑色 , 是因?yàn)樗鼈儗?duì)黃光 有強(qiáng)烈地吸收 .吸收光譜： 具有連續(xù)譜地光通過待研究 地具有選擇吸收地物質(zhì) , 可以觀測(cè)到在

9、連續(xù) 光譜地背景上呈現(xiàn)有一條條暗線或暗帶 , 這 就是 吸收光譜 , 說明某些波長(zhǎng)或波段地光被 吸收了.同一物質(zhì)地發(fā)射譜和吸收光譜之間有嚴(yán)格地對(duì)應(yīng)關(guān)系 , 即物質(zhì)自身發(fā)射哪些波長(zhǎng) 地光, 它就強(qiáng)烈吸收這些波長(zhǎng)地光 .線狀譜 、 帶狀譜 和 連續(xù)譜 ( 物質(zhì)地發(fā) 射譜和吸收光譜 >: 原子氣體地光譜是線狀 譜 , 分子氣體、液體和固體地光譜是帶狀譜 .原子吸收光譜地應(yīng)用： 如何探測(cè)太陽(yáng)地元素構(gòu)成？ 太陽(yáng)光譜 是典型地暗線吸收光譜 , 在其連續(xù)光譜地背 景上呈現(xiàn)有一條條地暗線 , 稱為 夫瑯禾費(fèi)譜 線. 這些譜線是處于較低溫度地太陽(yáng)大氣中 地原子 , 對(duì)更加熾熱地內(nèi)核發(fā)射地連續(xù)光譜 進(jìn)行選擇

10、吸收地結(jié)果 . 將這些吸收譜線地波 長(zhǎng) , 與地球上已知物質(zhì)地原子發(fā)射光譜進(jìn)行 比較 , 發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)表面層中主要包含有 氫、氦, 還有 鈉、氧、鐵和鈣 等 60 多種元素 . 氦元 素首先就是在太陽(yáng)光譜中發(fā)現(xiàn)地 , 其英文名 稱 helium, 源于希臘文 helios, 是太陽(yáng)地意思.原子吸收光譜地靈敏度很高 , 混合物或 化合物中原子含量極少地變化 , 都會(huì)在光譜 中反映出吸收系數(shù)很大地改變 . 歷史上 , 曾 靠這種方法發(fā)現(xiàn)了銫、銣、鉈、銦和鎵等 多種元素 .原子吸收光譜在化學(xué)地定量分析中有 廣泛地應(yīng)用 .帶狀吸收光譜用來定性鑒定或定量測(cè) 定有機(jī)化合物 , 研究分子力和分子結(jié)構(gòu) .分子氣

11、體、液體和固體一般在紅外波段有選擇吸收 , 吸收譜線密集地組成帶狀 ,形成帶狀吸收 光譜. 不同地分子有其顯著不同地紅外吸收光譜 ,即使是分子量相同且其他物理化學(xué)性 質(zhì)也基本相同地同質(zhì)異構(gòu)體 , 它們地紅外吸收光譜也明顯不同 .§3 - 3 光地散射光地散射： 當(dāng)光束通過不均勻地介質(zhì) 時(shí), 會(huì)散開 . 這是光在傳播時(shí)因與物質(zhì)中地分子作用而改變其光強(qiáng)地空間分布、偏振 狀態(tài)或頻率地過程.在光地散射過程中,光 與分子地作用幾乎是瞬時(shí)地一瑞利散射研究線度比光地波長(zhǎng)小地微粒地散射問題：地頻率散射光地頻率=入射光散射光強(qiáng)(3. 3>稱為瑞利散射定律.若散射微粒地尺度比光地波長(zhǎng)小，作用在散射

12、微粒上地電場(chǎng)可視為交變地均勻場(chǎng)于是散射微粒在極化時(shí)只感生電偶極矩.按照經(jīng)典地電磁理論，偶極振子地輻射功率正 比于頻率地四次方.因?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)破壞了散射微粒之間地位置關(guān)聯(lián)，各偶極振子輻射地子 波不再是相干地，計(jì)算散射光強(qiáng)時(shí)應(yīng)將子波地強(qiáng)度而不是振幅疊加起來 .因此,散射光利用瑞利散射定律解釋：白晝天空之亮：大氣散射把陽(yáng)光從各 個(gè)方向射向觀察者，否則,只看到在漆黑地 背景中有一輪光輝奪目地太陽(yáng)Blue sky:按照瑞利散射定律，白光中波 長(zhǎng)較短地藍(lán)、紫色光所受到地散射，要比波 長(zhǎng)較長(zhǎng)地紅、黃色光強(qiáng)烈得多.散射光將因 短波地富集呈蔚藍(lán)色.雨后天更藍(lán)：大氣散射 主要）密度漲 落引起地分子散射+其次）懸浮塵埃

13、地散 射,前者地尺度比后者小得多，瑞利°反比 律地作用更加明顯.所以,每當(dāng)雨過天晴地 時(shí)候,天空總是藍(lán)得格外美麗,而透射光將呈紅色.這就是天空呈蔚 藍(lán)色,旭日和夕陽(yáng)呈紅色地原因大氣地散射主要是密度漲落引起地分 子散射，其次才是懸浮塵埃地散射，前者地 尺度比后者小得多，瑞利4反比律地作用更 加明顯.所以，每當(dāng)雨過天晴地時(shí)候，天空總 是藍(lán)得格外美麗早晚陽(yáng)光以很大地傾角穿 過大氣層，經(jīng)歷大氣層地厚度要比中午大得 多,從而大氣地散射效應(yīng)也要強(qiáng)烈得多，這就是旭日初升時(shí)顏色顯得特別殷紅地原因.拉曼散射1 .在光地散射過程中，如果分子地狀 態(tài)也發(fā)生改變，則入射光與分子交換能量地 結(jié)果可以導(dǎo)致散射光

14、地頻率發(fā)生改變?cè)谏?射光譜中除了與入射光原有角頻率0相同地瑞利散射線外，譜線兩側(cè)還有角頻率為 ®0±®1, ®0±®2,等地散射線.拉曼散射地強(qiáng) 度極小,約為瑞利散射地千分之一.2,實(shí)驗(yàn)規(guī)律：1 在每條角頻率為0地入射光譜線地兩旁,都伴有角頻率為0- j (j = 1,2,3,)地 散射譜線.在長(zhǎng)波一側(cè)地角頻率為® 0-3 j地 譜線,稱為紅伴線或斯托克斯線；在短波一 側(cè)地角頻率為j地譜線，稱為紫伴線或 反斯托克斯線.2 角頻率差j地?cái)?shù)值與入射光角頻 率 ' 0無(wú)關(guān).3 >每種散射物質(zhì)都有各自地一套角 頻率差 j,其中有些與物質(zhì)地紅外吸收角頻 率相等,表征散射物質(zhì)地分子振動(dòng)頻率3.應(yīng)用：“光學(xué)”最低限度基本要求光波地復(fù)振幅描述光