光的散射課件

7.4

光的散射(Scatteringoflight)光束通過不均勻介質(zhì)所產(chǎn)生的偏離原來傳播方向,向四周散射的現(xiàn)象，叫光的散射。散射和吸收：由于光的散射是將光能散射到其它方向上，而光的吸收則是將光能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量，所以從本質(zhì)上說二者不同。7.4.1

光的散射現(xiàn)象(Scatteringphenomenaoflight)但是在實(shí)際測量時，很難區(qū)分開它們對透射光強(qiáng)的影響。因此，在實(shí)際工作上通常都將這兩個因素的影響考慮在一起。h為散射系數(shù)，K為吸收系數(shù)，為衰減系數(shù)，并且,在實(shí)際測量中得到的都是。透射光強(qiáng)表示為:7.4.1

光的散射現(xiàn)象(Scatteringphenomenaoflight)7.4.2

瑞利散射(Rayleighscattering)有些光學(xué)不均勻性十分顯著的介質(zhì)能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射現(xiàn)象，這類介質(zhì)一般稱為“渾濁介質(zhì)”。亭達(dá)爾從實(shí)驗(yàn)上總結(jié)出了一些規(guī)律，因此，這一類現(xiàn)象叫亭達(dá)爾效應(yīng)。這些規(guī)律其后為瑞利在理論上說明，所以又叫瑞利散射。7.4.2

瑞利散射(Rayleighscattering)亭達(dá)爾等人最早對渾濁介質(zhì)的散射進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究,尤其是微粒線度比光波長小,即不大于(1/5～1/l0)

的渾濁介質(zhì)。瑞利散射的主要特點(diǎn)：①散射光強(qiáng)度與入射光波長的四次方成反比，即I()為相應(yīng)于某一觀察方向(與入射光方向成角)的散射光強(qiáng)度。該式說明，光波長愈短，其散射光強(qiáng)度愈大，由此可以說明許多自然現(xiàn)象。7.4.2

瑞利散射(Rayleighscattering)7.4.2

瑞利散射(Rayleighscattering)天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色呢?由瑞利散射定律可以看出在由大氣散射的太陽光中，短波長光占優(yōu)勢。紅光波長(＝720nm)為紫光波長(＝400nm)的1.8倍,因此紫光散射強(qiáng)度約為紅光的(1.8)4≈10倍。太陽散射光在大氣層內(nèi)層,藍(lán)色的成分比紅色多,使天空呈蔚藍(lán)色。7.4.2

瑞利散射(Rayleighscattering)為何正午的太陽基本上呈白色,而旭日和夕陽卻呈紅色?正午的太陽地球大氣層散射7.4.2

瑞利散射(Rayleighscattering)正午太陽直射,穿過大氣層厚度最小,陽光中被散射掉的短波成分不太多,因此基本上呈白色或略帶黃橙色。紅光透過散射物的穿透力比藍(lán)光強(qiáng)，所以在拍攝薄霧景色時，可在照相機(jī)物鏡前加上紅色濾光片以獲得更清晰的照片。7.4.2

瑞利散射(Rayleighscattering)紅外線穿透力比可見光強(qiáng)，常被用于遠(yuǎn)距離照相或遙感技術(shù)。7.4.2

瑞利散射(Rayleighscattering)②散射光強(qiáng)度隨觀察方向變化。自然光入射時，散射光強(qiáng)I()與(1+cos2)成正比。入射光方向觀察方向7.4.2

瑞利散射(Rayleighscattering)自然光沿x方向入射到介質(zhì)的帶電微粒e上，使其作受迫振動。xzyPe7.4.2

瑞利散射(Rayleighscattering)圖中的入射光可分解為沿y方向和z方向的兩個光振動，其振幅相等，Ay＝Az＝A0。xzyPe7.4.2

瑞利散射(Rayleighscattering)假設(shè)考察位于xey面內(nèi)的P點(diǎn)，散射光方向eP與入射光方向成角，則其兩個光振動分量的振幅分別為Az＝Az＝A0和Ay＝Aycos＝A0cos。xzyPexyPAyAy7.4.2

瑞利散射(Rayleighscattering)由于散射光兩個振動分量的大小與散射方向有關(guān),所以散射光的偏振態(tài)隨散射方向不同而異。7.4.2

瑞利散射(Rayleighscattering)沿著入射光方向或逆著入射光方向，散射光為自然光；在垂直入射光方向的y軸和z軸上，散射光為線偏振光；其余方向上的散射光，均為部分偏振光。xzyPe7.4.2

瑞利散射(Rayleighscattering)7.4.3米氏散射

(Miescattering)當(dāng)散射粒子的尺寸接近或大于波長時,其散射規(guī)律與瑞利散射不同。米氏提出了懸浮微粒線度可與入射光波長相比擬時的散射理論，稱為米氏散射。③散射光的偏振度隨r/的增加而減小,這里r是散射粒子的線度，是入射光波長。④隨著懸浮微粒線度的增大，沿入射光方向的散射光強(qiáng)將大于逆入射光方向的散射光強(qiáng)。7.4.3米氏散射

(Miescattering)當(dāng)微粒線度約為1/4波長時,散射光強(qiáng)角分布如圖所示,此時I()在=0

和=

處的差別尚不很明顯。z當(dāng)微粒線度繼續(xù)增加時,在＝0方向的散射光強(qiáng)明顯占優(yōu)勢，并產(chǎn)生一系列次極大值。z7.4.3米氏散射

(Miescattering)在臨界點(diǎn)時，氣體密度起伏很大，可以觀察到明顯的分子散射，這種現(xiàn)象稱為臨界乳光。由于分子熱運(yùn)動產(chǎn)生的密度起伏所引起折射率不均勻區(qū)域的線度比可見光波長小很多，所以分子散射中，散射光強(qiáng)與散射角的關(guān)系與瑞利散射相同。7.4.4

分子散射(Molecularscattering)n為氣體折射率,N0為單位體積氣體中的分子數(shù)目,r為散射點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離，Ii為入射光強(qiáng)度。理想氣體對自然光的分子散射光強(qiáng)為7.4.4

分子散射(Molecularscattering)7.4.5喇曼散射

(Ramanscattering)瑞利散射、米氏散射和分子散射中散射光的方向改變，而波長不改變，即散射光和入射光是同一頻率。喇曼散射和布里淵散射是散射光的方向和波長相對入射光均發(fā)生變化的一種散射。1928年,印度科學(xué)家喇曼發(fā)現(xiàn)了散射光中除有與入射光頻率v0相同的瑞利散射線外，在其兩側(cè)還伴有頻率為vl，v2，v3…，v1，v2，v3…的散射線存在。v0v1v2v3v1v2v37.4.5喇曼散射

(Ramanscattering)當(dāng)用單色性較高的準(zhǔn)單色光源照射某種氣體或液體，在入射光的垂直方向上用光譜儀攝取散射光,就會觀察到上述散射，這種散射現(xiàn)象就是喇曼散射。光譜儀散射物光源7.4.5喇曼散射

(Ramanscattering)喇曼散射的持點(diǎn)是：①在每一條原始的入射光譜線旁邊都伴有散射線,在原始光譜線的長波長方向的散射譜線稱為紅伴線

或斯托克斯線，在短波長方向上的散射線稱為紫

伴線或反斯托克斯線。v0v1v2v3v1v2v3紅伴線或斯托克斯線紫伴線或反斯托克斯線喇曼散射的持點(diǎn)是：②這些頻率差的數(shù)值與入射光波長無關(guān)，只與散射