光的吸收、色散,群速.ppt

第八章 光的吸收、色散和散射 课程的引入: 一、前面各章主要讲授光的传播，从几何光学和波动光学探讨了物的成像和光的干涉、衍射；除了研究了在各向同性均匀媒质中光的传播，还研究了光在各向异性媒质中的传播，主要是光在单轴晶体内的传播，如双折射现象，光学偏振器，波晶片等；其有一个共同的特点，即光在媒质内传播的过程中，不存在能量的损失。 二、除了真空，没有一种媒质在严格意义上对光波是绝对透明的，光通过媒质时，部分光被媒质吸收，另一部分光被散射，余下来的部分按原来的传播方向继续前进；另一方面，不同波长的光在媒质中有不同的传播速度，即媒质对不同波长的光有不同的折射率；一束白光或多色光只要入射角不为零，不同波长的光就会按不同折射角而散开，这就是色散（如以前所讲过的三棱镜的色散）。 三、光的吸收、色散和散射是光在媒质中传播所发生的普遍现象，它们之间是相互联系的，研究这类现象，一方面可以了解光与物质的相互作用，有助于对光的本性的进一步了解，也可以得到许多有关物质结构的重要知识，促进应用光学的进一步发展。 新授： §1 光的吸收 一、吸收的线性规律 1、光的强度随穿进媒质的深度而减小， 这种现象称为媒质对光的吸收。 2、仔细研究表明，媒质对光的吸收还应 区分为真吸收和散射两种情况，前者是光能 真被媒质吸收后转化为热能，后者则是光被 媒质的不均匀性散射到四面八方，本节讲授 前一种情况，即真吸收。 3、吸收的线性规律—布格尔定律或朗伯定律 单色平行光束沿 X方向通过均匀媒质， 光的强度在经过厚 度为dx的一层媒质时： I → I－dI (见图1－1) 实验表明：在相当广阔的光强范围内 －dI ∝Idx 令： －dI = αIdx 负号表示随着x增加，光强减弱 α与I无关，称为吸收系数 则: dI/I= －αdx → lnI－lnI0= －α l I=I0e－αl 此称为布格尔定律或朗伯定律。 Note: 激光出现以后，光强大得多， α与 场强或光强有关——非线光学领域。 二、复数折射率 1、透明媒质折射率：n=c/v n为实数 沿X轴方向平面电磁波: E=E0exp[－iω(t－x/v)] =E0exp[－iω(t－nx/c)] 电磁波不随距离衰减。 2、光在媒质中传播存在吸收即衰减,应该在波函数和有关描述媒质性能的物理量中反映出来，为此引入复数折射率。 复数折射率：n = n(1+ik) n、k都是实数 E=E0exp[－iω(t－nx/c)] =E0exp{－iω[t－n(1+ik)x/c]} = E0e－nkωx/c exp [－iω(t－nx/c )] 光强： I ∝E﹡E=∣E0 ∣2 e－2nkωx/c 其表示光强I随距离x衰减，故k称为衰减系数 与： I=I0e－αl 即 I=I0e－αx 比较可知: α= 2nkω/c =4πnk/λ （ω= 2π/T= 2π λ/c) 由此可见，媒质的吸收可以归并到一个复数折 射率的概念中去： n的虚部反映了因媒质的吸收而产生的电磁波 衰减,而其实部，则反映传播速度和色散情况的。 三、光的吸收与波长的关系 1、普遍吸收：若物质对各种波长λ的吸收程度几乎相等，即吸收系数α与λ无关。 在可见光范围内，意味着光束通过媒质后 只改变强度，不改变颜色。如：空气、纯水、 无色玻璃等媒质。 2、选择吸收：若物质对某些波长的光吸收特 别强烈。 由于可见光进行选择吸收，会使白光变为 彩色光。绝大部分物体呈现颜色，都是其表面 或体内对可见光进行选择吸收的结果。 3、普遍情形: 从广阔的电磁波谱来考虑，普遍吸收是不存在的（选择吸收是光和物质相互作用的普遍规律），由于选择吸收，任何光学材料在紫外和红外端都有一定的透光极限，这一点对于制作分光仪器中的棱镜，透镜材料选取显得非常重要。 四、吸收光谱 1、实验装置（见图1－2） 2、实验得到的规律 （1）、物质发射光的光谱有多种——线光谱、带光谱、连续光谱等。一般而言，原子气体的光谱是线光谱，而分子气体、液体和固体的光谱多是带光谱。 （2）、同一物质发射光的光谱和吸收光谱