第五章 光的吸收、色散与散射.ppt

第八章 光的吸收、色散和散射（6学时） 8.4.1 线性散射 散射光强度的角分布也随 而变，前向散射强，后向散射弱。 利用米氏散射解释以下自然现象： 蓝天中漂浮的白云。 雾呈白色。 8.4.2 非线性散射 1923年，斯梅卡尔指出，在光的散射过程中，如果分子的状态也发生了改变（随时间发生变化），则入射光与分子交换能量的结果可能导致散射光频率发生变化。 非弹性散射主要有： 拉曼散射（Raman scattering） 布里渊散射（Brillouin scattering） 8.4.2 非线性散射 1.拉曼散射（Raman scattering） 散射光中除了与入射光频率 相同的瑞利散射线以外，其两侧还伴有频率为 、 、 的散射线存在，这种散射现象就是拉曼散射。 瑞利散射线（入射光频率） 紫伴线（短波散射光），又称反斯托克斯线 红伴线（长波散射光），又称斯托克斯线 多固有频率分子的拉曼散射谱线 8.2.4 双/多光子吸收与场致吸收 1.双/多光子吸收 双/多光子吸收：在强光的作用下，组成物质的原子或分子同时吸收两个或多个光子，完成一次跃迁。这是一种非线性吸收。 双光子吸收发生时，总的吸收系数为 ：线性吸收系数 ：双光子吸收系数 8.2.4 双/多光子吸收与场致吸收 2.场致吸收 Franz-Keldysh发现：在电场作用下，某些物质（如GaAs）的吸收边向长波长偏移，这种现象称为场致吸收，也称为Franz-Keldysh效应。 GaAs吸收边的Frank-Keldysh偏移： 曲线A：无电场 曲线B：有电场 8.3 光的色散 介质的折射率（或光速）随光的频率或波长而变化的现象称为色散。 引言 光的色散可用介质折射率 随波长 变化的函数来描述，反映 这一函数关系的曲线称为介质的色散曲线。 实际上，折射率随波长的变化关系比较复杂，而且这种变化关系因材料而异，一般通过实验测定。 8.3 光的色散 观察色散的牛顿正交棱镜实验装置 色散曲线测量方法：将待测材料做成三棱镜，放在分光计中，分别对不同波长的单色光测量其相应的最小偏向角，从而计算出折射率，得到色散曲线。 8.3 光的色散 为了表征介质色散的程度，引入色散率的概念。 色散率的定义：介质折射率 在波长 附近随波长的变化率 ，在数值上等于介质对于 附近单位波长差的两单色光的折射率之差。 实际中，选用光学材料应特别注意其色散的大小。 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需采用色散小的材料。 8.3.1 正常色散与反常色散 通常情况下，介质的折射率 是随波长 的增加而减小的，即色散率 ，这种色散称为正常色散。 1.正常色散 所有不带颜色的透明介质，在可见光区域内都表现为正常色散。 8.3.1 正常色散与反常色散 描述介质正常色散的经验公式----柯西公式 ：真空中的波长 ：由介质性质所决定的常数，由实验测定 对于不同的材料，常数 、 、 一般是不同的。 同一种材料可能存在若干个正常色散区，因此，同一种材料的不同正常色散区，常数 、 、 也不相同。 8.3.1 正常色散与反常色散 柯西公式的解释 阻尼系数 较小 远离固有振动频率 8.3.1 正常色散与反常色散 由于 ，进行泰勒级数展开得到 8.3.1 正常色散与反常色散 当波长间隔不太大时，可只取柯西公式前两项，即 色散率为 由于 、 都是与入射光波长 无关的常数，所以当 增加时，折射率 和色散率大小 都减小。 8.3.1 正常色散与反常色散 介质的折射率 是随波长 的增加而增加的，即色散率 ，这种色散称为反常色散。 2.反常色散 8.3.1 正常色散与反常色散 反常色散区和选择吸收区的对应关系 反常色散并不“反常”，它是介质的一种普遍现象，反常色散区常为光的选择吸收区。 8.3.2 光孤子 孤子（Soliton）：速度不变、形貌不变的孤立波。 光孤子（Optical Soliton）：狭义上讲，指形状和宽度保持不变的光脉冲（实际上还包括暗孤子）。 在光通信系统中，孤子通常是一个非常窄、有很高强度的光脉冲，它通过保持色散与非线性效应的平衡而不改变其本身形状和宽度。 应用：光孤子通信 8.4 光的散射 定向传播的光束在通过光学性质不均匀的介质时，偏离原来的方向，向四周散开的现象称为光的散射。这些偏离原传播方向的光称为散射光。 引言 光学性质不均匀：可能由于均匀物质中散布着折射率