《電磁衍射與散射》課件

電磁衍射與散射導(dǎo)言電磁波電磁波是一種橫波，可以傳播能量，但不需要介質(zhì)。電磁波包含了我們熟悉的可見光，還有很多我們看不見的光，如紅外線、紫外線和無線電波等。衍射衍射是指電磁波在遇到障礙物或孔隙時(shí)偏離直線傳播路徑的現(xiàn)象。在衍射現(xiàn)象中，波會(huì)繞過障礙物，產(chǎn)生波紋，導(dǎo)致波的能量分布發(fā)生改變。散射散射是指電磁波遇到粒子時(shí)發(fā)生方向改變的現(xiàn)象。散射現(xiàn)象可以根據(jù)粒子大小、電磁波波長(zhǎng)和介電常數(shù)等因素進(jìn)行分類。電磁波的基本性質(zhì)1橫波電磁波是橫波，電場(chǎng)和磁場(chǎng)振動(dòng)方向垂直于波傳播方向。2速度在真空中，電磁波以光速傳播，約為每秒30萬公里。3頻率電磁波的頻率決定了它的能量和類型，例如無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。電磁波的傳播1橫波電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相垂直，并垂直于傳播方向2速度在真空中傳播速度為光速3頻率決定電磁波的類型，如無線電波、可見光等電磁波的反射與折射1反射當(dāng)電磁波遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，部分能量會(huì)返回到原介質(zhì)中，這就是反射現(xiàn)象。2折射當(dāng)電磁波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向會(huì)發(fā)生改變，這就是折射現(xiàn)象。電磁波的干涉波的疊加當(dāng)兩列或多列電磁波相遇時(shí)，波會(huì)疊加，形成新的波形。相干性干涉現(xiàn)象需要兩列或多列電磁波具有相干性，即頻率和相位相同或具有穩(wěn)定的相位差。干涉條紋當(dāng)兩列相干電磁波疊加時(shí)，會(huì)在某些區(qū)域產(chǎn)生加強(qiáng)，在另一些區(qū)域產(chǎn)生減弱，形成明暗相間的干涉條紋。單縫衍射1衍射現(xiàn)象當(dāng)光波通過狹縫時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象2衍射圖樣在屏幕上觀察到明暗相間的衍射圖樣3惠更斯原理解釋衍射現(xiàn)象的物理原理雙縫干涉實(shí)驗(yàn)設(shè)置用單色光照射兩條平行且距離很近的狹縫。干涉現(xiàn)象在屏幕上觀察到明暗相間的條紋，這是光的波性干涉現(xiàn)象。解釋通過兩條狹縫的光波相互干涉，形成明暗條紋。多縫衍射1明紋位置取決于縫間距和入射光波長(zhǎng)2明紋強(qiáng)度隨縫數(shù)增加而增強(qiáng)3衍射圖樣呈現(xiàn)更窄更銳利的明紋光柵衍射1定義由大量等間距平行狹縫構(gòu)成的光學(xué)元件2原理狹縫衍射和干涉疊加3應(yīng)用光譜分析、光學(xué)測(cè)量非圓孔的衍射1矩形孔矩形孔衍射會(huì)產(chǎn)生矩形衍射圖樣。2三角形孔三角形孔衍射會(huì)產(chǎn)生三角形衍射圖樣。3其他形狀其他形狀的孔也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的衍射圖樣。菲涅耳衍射1近場(chǎng)衍射2惠更斯原理每個(gè)點(diǎn)都是次波源3菲涅耳帶衍射圖案受波前形狀影響圓孔衍射光波的波動(dòng)性圓孔衍射現(xiàn)象是光波波動(dòng)性的典型表現(xiàn)，當(dāng)光波通過圓孔時(shí)，會(huì)在孔后形成衍射圖樣，而不是簡(jiǎn)單的幾何陰影。衍射圖樣圓孔衍射的衍射圖樣通常是中央亮斑和一系列環(huán)狀明暗相間的條紋。艾里斑中央亮斑被稱為艾里斑，其大小與孔徑大小和波長(zhǎng)有關(guān)。應(yīng)用圓孔衍射在光學(xué)成像、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。球面波衍射1點(diǎn)光源球面波來自點(diǎn)光源2球面波光波在傳播過程中3衍射現(xiàn)象當(dāng)遇到障礙物時(shí)電磁波散射的基本理論散射是指電磁波遇到障礙物時(shí)偏離其原來傳播方向的現(xiàn)象。散射過程涉及電磁波與物質(zhì)相互作用，導(dǎo)致能量和動(dòng)量傳遞。散射的類型取決于入射波長(zhǎng)、散射體大小和性質(zhì)。Rayleigh散射散射條件當(dāng)散射粒子的尺寸遠(yuǎn)小于入射波長(zhǎng)時(shí)，發(fā)生Rayleigh散射。散射方向散射光在各個(gè)方向上均勻分布，但與入射光方向垂直的方向上最強(qiáng)。典型例子天空的藍(lán)色就是Rayleigh散射的結(jié)果，空氣中的分子散射藍(lán)光比紅光更強(qiáng)。Mie散射水滴散射當(dāng)光線遇到大小與光波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)牧Ｗ訒r(shí)，就會(huì)發(fā)生Mie散射。霧散射霧、云、塵埃等，它們散射的光線比Rayleigh散射更復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)彩虹等現(xiàn)象。功率散射截面定義描述散射體散射功率大小的物理量，表示散射體對(duì)入射電磁波散射能力的強(qiáng)弱。公式σ=4πR^2*(P_s/P_i)應(yīng)用用于雷達(dá)探測(cè)、遙感、粒子物理等領(lǐng)域。散射的應(yīng)用領(lǐng)域雷達(dá)探測(cè)利用電磁波散射，雷達(dá)可以探測(cè)到目標(biāo)的距離、速度、方位等信息。天氣預(yù)報(bào)利用電磁波散射，可以測(cè)量大氣中的降水、溫度、風(fēng)速等參數(shù)。天文觀測(cè)利用電磁波散射，可以研究宇宙中的星云、星系等天體。生物光學(xué)成像利用電磁波散射，可以觀察生物組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。雷達(dá)探測(cè)軍事應(yīng)用雷達(dá)在軍事領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，例如目標(biāo)識(shí)別、導(dǎo)彈制導(dǎo)和空中預(yù)警。氣象預(yù)報(bào)雷達(dá)可用于探測(cè)云層、降水和其他氣象現(xiàn)象，為天氣預(yù)報(bào)提供關(guān)鍵信息?？罩薪煌ü苤评走_(dá)在空中交通管制系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，確保飛機(jī)安全飛行。天氣預(yù)報(bào)雷達(dá)數(shù)據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)提供降雨、降雪等天氣現(xiàn)象的實(shí)時(shí)信息，幫助預(yù)測(cè)未來降水情況。衛(wèi)星圖像衛(wèi)星圖像提供云層分布、氣溫等信息，幫助分析天氣系統(tǒng)演變。氣象模型氣象模型模擬大氣運(yùn)動(dòng)，預(yù)測(cè)未來天氣狀況，為預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。天文觀測(cè)星系研究電磁波散射可以幫助天文學(xué)家研究星系的結(jié)構(gòu)和演化。行星觀測(cè)通過觀測(cè)行星的電磁輻射，可以了解行星的大氣成分和表面特征。恒星演化散射現(xiàn)象可以幫助天文學(xué)家研究恒星的質(zhì)量、溫度和演化階段。生物光學(xué)成像活體組織成像提供無創(chuàng)、實(shí)時(shí)觀測(cè)生物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的信息。疾病診斷和治療可用于早期疾病診斷、監(jiān)控治療效果、指導(dǎo)手術(shù)操作。藥物開發(fā)和研究幫助研究人員了解藥物在生物體內(nèi)的作用機(jī)制和效果。粒子分析尺寸和形狀分析粒子尺寸和形狀有助于了解材料的性能和應(yīng)用。尺寸分布確定粒子尺寸分布對(duì)于控制材料性能至關(guān)重要。成分分析識(shí)別粒子的化學(xué)成分有助于了解其特性和來源。材料表征材料結(jié)構(gòu)利用衍射和散射技術(shù)，我們可以研究材料的原子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，了解其組成和排列方式。表面性質(zhì)通過光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等技術(shù)，我們可以觀察材料表面形貌、顆粒尺寸和表面缺陷等信息?；瘜W(xué)成分利用光譜分析技術(shù)，如紅外光譜、拉曼光譜和X射線光電子能譜等，我們可以確定材料的化學(xué)組成和元素含量。環(huán)境監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量利用電磁波散射技術(shù)監(jiān)測(cè)空氣中的顆粒物、氣體濃度等指標(biāo)，有助于評(píng)估空氣質(zhì)量和污染程度。水質(zhì)監(jiān)測(cè)電磁波散射可用于分析水體中懸浮顆粒物、溶解物質(zhì)的含量，監(jiān)測(cè)水質(zhì)污染情況。土壤監(jiān)測(cè)電磁波散射技術(shù)可應(yīng)用于土壤成分分析，監(jiān)測(cè)土壤污染和重金屬含量，評(píng)估土壤健康狀況?？偨Y(jié)與