第8章-光的吸收色散和散射課件

第8章光的吸收、色散和散射第8章光的吸收、色散和散射1§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（極化強度）→χ（電極化率）→ε→n2、光與物質(zhì)相互作用經(jīng)典理論的基本方程（作強迫振動的電子的運動方程）為：f是彈性系數(shù)，g是阻尼系數(shù)，E是入射光場§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2若入射光場為：引入衰減系數(shù)γ=g/m，固有頻率ω0后，方程變?yōu)椋喝羧肷涔鈭鰹椋阂胨p系數(shù)γ=g/m，固有頻率ω0后，方程變3二、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：其實部和虛部為：二、介質(zhì)的復(fù)折射率1、介質(zhì)復(fù)折射率的推導(dǎo)43、復(fù)折射率將折射率表示成實部和虛部形式，則有：若介質(zhì)為稀薄氣體，有：3、復(fù)折射率將折射率表示成實部和虛部形式，則有：5全波段曲線全波段曲線6§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问降哪芰慷构鈴姸葴p弱的現(xiàn)象，稱為光的吸收。2、朗伯（Lanbert）定律：光強的減弱dI正比于I和dx的乘積,即：§8.1光的吸收一、光吸收定律73、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。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84、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。4、比爾（Beer）定律對于氣體和融解于不吸收光的溶劑中的物9二、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)ω遠離的吸收ω0的吸收。3、選擇吸收：介質(zhì)對光的吸收強烈，且隨波長劇烈變化。如稀薄氣體吸收區(qū)ω在→ω0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….。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。105、從整個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：5、從整個電磁波譜的角度考察，一般吸收的介質(zhì)是不存在的。大氣11三、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，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。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)12§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§8.3光的色散一、色散的基礎(chǔ)知識133、色散率定義:介質(zhì)折射率n在波長λ附近隨波長的變化率dn/dλ，在數(shù)值上等于介質(zhì)對于λ附近單位波長差的兩單色光的折射率之差。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。3、色散率定義:介質(zhì)折射率n在波長λ附近隨波長的變化率dn/14二、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/dλ<0，且變化緩慢。2、正常色散的特點：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。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153、正常色散的經(jīng)驗公式——柯西公式表達式：對可見光波段無色透明的材料，柯西公式有相當高的準確度。只適用正常色散。由柯西公式得到的色散率：3、正常色散的經(jīng)驗公式——柯西公式表達式：164、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/dλ>0，且在附近區(qū)域變化劇烈。1862年勒魯在觀察蒸氣的色散現(xiàn)象時發(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：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17二、光孤子1834年，羅素（Russel）發(fā)現(xiàn)孤波(solitorywave)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，可使尖銳波包挺進而不變形——opticalso1iton二、光孤子1834年，羅素（Russel）發(fā)現(xiàn)孤波(soli18§8.4光的散射一、基本知識1、散射：光通過不均勻介質(zhì)時，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：光能到光能，光能不轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪堋?、散射的形成：光場E——偶極子振動——輻射電磁波——散射光§8.4光的散射一、基本知識194、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?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205、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。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216、散射的分類：6、散射的分類：22二、線性散射1、瑞利散射（RayleighScattering）：散射粒子的直徑在λ/5～λ/10以下，遠小于光波波長的散射。2、瑞利散射的特點：（1）強度與波長的關(guān)系：

θ稱為散射角。光波長越短，散射光強愈大。二、線性散射1、瑞利散射（RayleighScatteri23解釋朝/夕陽為什么顯紅色?解釋朝/夕陽為什么顯紅色?24（2）散射光強隨散射方向變化的關(guān)系散射光強的角分布為：（2）散射光強隨散射方向變化的關(guān)系散射光強的角分布為：25（3）散射光的偏振

當自然光入射時，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；當線偏振光入射時，各方向的散射光都是線偏振光（3）散射光的偏振當自然光入射時，散射光一般為部分偏振光，26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域反射儀（OTDR）瑞利散射的例子及應(yīng)用光子在光纖中傳播273、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：a、散射光強與偏振特性隨散射粒子的尺寸變化；b、散射光強隨波長的變化規(guī)律與波長的較低冪次成反比；c、散射光的偏振度隨d/λ的增加而減??；d、散射光強度的角分布隨d/λ而變，前向強，后向弱。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28米氏散射光強的角分布圖米氏散射解釋自然現(xiàn)象：A、藍天白云B、霧是白色的米氏散射光強的角分布圖29三、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υ0，介質(zhì)粒子的固有振動頻率為υ1，υ2…，則散射光頻率為υ0±υ1，±υ2…因散射光頻率由υ0和υ1，υ2…聯(lián)合決定，故又稱“聯(lián)合散射”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303、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：3、拉曼散射理論解釋：設(shè)入射電場為：31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υ0和υ0±υ三種頻率成分，所以散射光的頻率也有三種。頻率為υ0的譜線稱為瑞利散射；頻率為υ0-υ的譜線稱為拉曼紅伴線，又稱為斯托克斯線；頻率為υ0+υ的譜線稱為拉曼紫伴線，又稱為反斯托克斯線。公式解釋：324、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）——變頻強相干輻射；拉曼光纖放大器。4、拉曼