[理学]第8章 光的吸收、色散和散射.ppt

第8章 光的吸收、色散和散射 §8.1 光与物质相互作用的经典理论 一、经典理论的基本方程 1、思路： r（位移矢量）→p（电偶极矩）→P（极化强度）→χ（电极化率）→ε→n 2、光与物质相互作用经典理论的基本方程 （作强迫振动的电子的运动方程 ）为： f 是弹性系数，g是阻尼系数，E是入射光场 若入射光场为： 引入衰减系数γ=g/m，固有频率ω0后，方程变为： 二、介质的复折射率 1、介质复折射率的推导 略 2、电极化率的推导式： 其实部和虚部为： 3、复折射率 将折射率表示成实部和虚部形式，则有： 若介质为稀薄气体，有： 全波段曲线 §8.1 光的吸收 一、光吸收定律 1、光的吸收：光通过介质后，光能转变为其它形式的能量而使光强度减弱的现象，称为光的吸收。 2、朗伯（Lanbert）定律：光强的减弱dI正比于I和dx的乘积,即： 3、吸收系数和消光系数的关系 不同介质的吸收系数值差异很大，介质的吸收性能与波长有关。除真空外，没有任何一种介质对任何波长的电磁波均完全透明。 4、比尔（Beer）定律 对于气体和融解于不吸收光的溶剂中的物质，吸收系数正比于单位体积中的吸收分子数，即正比于吸收物质的浓度。 注意：朗伯定律对线性介质适用； 比尔定律适用于低浓度溶液。 二、一般吸收与选择吸收 1、吸收的分类：一般吸收和选择吸收。 2、一般吸收：介质对光的吸收很弱，且随波长变化不大。 如稠密介质吸收区ω 远离的吸收ω0的吸收。 3、选择吸收：介质对光的吸收强烈，且随波长剧烈变化。如稀薄气体吸收区ω在→ ω0的吸收。 4、吸收理论应用: 激光稳频 ，空间光学 和红外空间应用中应用波段的选择….。 5、从整个电磁波谱的角度考察，一般吸收的介质是不存在的。 大气窗口图： 三、吸收光谱 吸收光谱的获得：具有连续谱的光通过吸收物质后再经过光谱仪展成光谱时，就得该物质的吸收光谱。 吸收光谱的解释； 例子，激光物质 的吸收光谱。 §8.3 光的色散 一、色散的基础知识 1、色散：介质的折射率（或光速）随光波长变化的现象。 2、观察色散的牛顿正交棱镜法 3、色散率定义:介质折射率n在波长λ附近随波长的变化率dn/dλ，在数值上等于介质对于λ附近单位波长差的两单色光的折射率之差。 4、色散的应用：用作分光元件的三棱镜，应采用色散大的材料，用来改变光路方向的三棱镜，则需采用色散小的材料。 二、正常色散与反常色散 1、正常色散：介质的折射率随波长的增加而减小的色散。即：dn/dλ0，且变化缓慢。 2、正常色散的特点： 波长越短折射率愈大； 波长愈短折射率随波 长变化愈大； 折射率大的材料色散 率也愈大。 3、正常色散的经验公式——柯西公式 表达式： 对可见光波段无色透明的材料，柯西公式有相当高的准确度。只适用正常色散。 由柯西公式得到的色散率： 4、反常色散：折射率n随波长增大（或光频率的减少）而单调增加，即色散率dn/dλ0，且在附近区域变化剧烈。 1862年勒鲁在观察蒸气的色散现象时发现的，孔脱系统的研究勒反常色散； 反常色散不反常，它是介质的一种普遍现象； “反常”色散区常为“选择”吸收区。解释： 二、光孤子 1834年，罗素（Russel）发现孤波(solitory wave)孤子(so1iton)：色散+非线性效应。 色散介质中，波包前沿快中心慢，脉冲展宽; 非线性波动方程行波解。波包心振幅大速 度快，波包前沿振幅小速度慢，波包压缩； 调整二者稳定平衡，可使尖锐波包挺进而 不变形—— optical so1iton §8.4 光的散射 一、基本知识 1、散射：光通过不均匀介质时，偏离原来的方向，向四周传播的现象，称为散射。 2、散射的特点：光能到光能 ，光能不转变为其 它形式的能。 3、散射的形成：光场 E ——偶极 子振动——辐射电磁波——散射光 4、散射现象的解释： 问：图中所示人们见到的光是激光吗? 如果是,为什么?如果不是，为什么与激光一样 具很好的单色性? 5、光与介质间的三种情况 若介质是均匀的，且不考虑热起伏，光与介质不发生任何作用； 若介质不很均匀，热起伏与时间无关，散射光的频率就不会发生变化，只是波矢量方向受到偏折，是弹性散射； 若介质不均匀且随时间变化，光波与这些起伏交换能量，光频发生变化，就产生非弹性散射。 6、散射的分类： 二、线性散射 1、瑞利散射（Rayleigh Scattering）：散射粒子的直径在λ/5～λ/10以下，远小于光波波长的散射。 2、瑞利散射的特点： （1）强度与波长的关系： θ称为散射角。光波长越短，散射光强愈大。 解释朝/夕阳为什么显红色? （2）散射光强随散射方向变化的关系 散射光强的角分布为： （3）散射光的偏振 当自然光入射时，散射光一般为部分偏振光