第六章光的吸收、色散和散射...ppt

单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级 单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级 河海大学常州校区 2020 3 31c xiaogang 1 第六章光的吸收 色散和散射 第六章光的吸收 色散和散射 前面几章讨论了光在均匀介质中传播时 因光的波动性所产生的一系列现象和规律 实际上 由于光在传播过程中与介质的相互作用 还会使光的特性发生某些变化 例如 因介质对光波的吸收 会使光强减弱 不同波长的光在介质中传播速度不同 并按不同的折射角散开 会发生光的色散 光在介质中传播时会产生散射 光的吸收 色散和散射是光在介质中传播时发生的普遍现象 第一节光与介质相互作用的经典理论 光在介质中的传播过程 就是光与介质相互作用的过程 光在介质中的吸收 色散和散射现象 实际上就是光与介质相互作用的结果 要正确地认识光的吸收 色散和散射现象 就应深入地研究光与介质的相互作用 一 经典理论的基本方程 洛仑兹的电子论假定 组成介质的原子或分子内的带电粒子 电子 离子 被准弹性力保持在它们的平衡位置附近 并且具有一定的固有振动频率 在入射光的作用下 介质发生极化 带电粒子依入射光频率作强迫振动 由于带正电荷的原子核质量比电子大许多倍 可视正电荷中心不动 而负电荷相对于正电荷作振动 正负电荷电量的绝对值相同 构成一个电偶极子 其电偶极矩为 式中 q是电荷电量 是从负电荷中心指向正电荷中心的矢径 同时 这个电偶极子将辐射次波 利用这种极化和辐射过程 可以描述光的吸收 色散和散射 假设在所研究的均匀色散介质中 只有一种分子 每个分子内只有一个电子作强迫振动 所构成电偶极子的电偶极矩为p er式中 e是电子电荷 r是电子离开平衡位置的距离 如果单位体积中有分子 则单位体积中的平均电偶极矩 极化强度 为P Np Ner r 根据牛顿定律 作强迫振动的电子的运动方程为 式中 等号右边的三项分别为电子受到的入射光强强迫力 准弹性力和阻尼力 E是入射光场 引入衰减系数r g m 电子的固有振动频率 则有 描述光与介质相互作用经典理论的基本方程 求解这个方程 可以得到电子在入射光作用下的位移 从而求出极化强度 描述次波辐射及光的吸收 色散和散射特性 二 介质的光学特性 求解上述方程得电子在光场作用下的位移r为 则 而根据电磁场理论有 P 0 E式中 为电极化系数 一般为复数 i 比较以上两式可知 同时 折射率也为复数 用表示 表征振幅特性 表征相位特性 相应的光强度为 由 1 式和 2 式可知 复折射率描述了介质对光传播 振幅和相位 的作用 其中实部n是表征介质影响光传播相位特性的量 即折射率 虚部 是表征介质影响传播振幅特性的量 即消光系数 可描述光在介质中传播的吸收和色散特性 第二节光的吸收 所谓光的吸收 就是指光波通过介质后 光强度减弱的现象 光的吸收可以通过介质的消光系数 描述 光吸收是介质的普遍性质 除了真空 没有一种介质能对任何波长的光波都是完全透明的 只能对某些波长范围内的光透明 对另一些范围的光不透明 例如 石英介质 对可见光几乎是全透明 而对3 5um 5 0um的红外光却是不透明的 一 光吸收定律 平行光在宽度为l的均匀介质中传播后的光强为 式中 I0是l 0处的光强 K为吸收系数 若引入消光系数 描述光强的衰减 各种介质的吸收系数差别很大 对于可见光 金属的K 106cm 1 玻璃的K 10 2cm 1 而一个大气压下空气的K 10 5cm 1 吸收系数K是波长的函数 根据K随波长变化规律的不同 将吸收分为一般性吸收和选择性吸收 在一定波长范围内 若吸收系数K很小 并且近似为常数 这种吸收叫一般性吸收 反之 如果吸收较大 且随波长有显著变化 称为选择性吸收 应当指出 普通光学材料在可见光区都是相当透明的 但是在紫外和红外区 则表现出不同的选择性吸收 它们的透明区可能很不相同 见表6 1 在制造光学仪器时 必须考虑光学材料的吸收特性 选用对所研究的波长范围是透明的光学材料制作零件 表6 1几种光学材料的透光波段 另外 溶液的吸收系数与浓度有关 式中 C溶液的浓度 是与浓度无关的常数 二 吸收光谱 介质的吸收系数K随光波长的变化关系曲线称为该介质的吸收光谱 不同介质吸收光谱的特点不同 气体吸收光谱的主要特点 吸收光谱是清晰 狭窄的吸收线 吸收线的位置正好是该气体发射光谱线的位置 对于低压的单原子气体 这种狭窄吸收线的特点更加明显 例如氦 氖等惰性气体及钠等碱金属蒸气的吸收光谱就是这种情况 如图6 3所示 如果气体是由二原子或多原子分子组成的 这些吸收线就会变成吸收带 由于这种吸收带特征决定于组成气体的分子 反应了分子的特性 所以可由吸收光谱研究气体分子的结构 气体吸收的另一个主要特性是 吸收和气体的压力 温度 密度有关 气体密度愈大 吸收愈严重 固体和液体的吸收光谱的主要特点 具有很宽的吸收带 固体材料的吸收系数主要是随入射光波长变化 其它因素影响较小 图6 4是激光工作物质钇铅石榴石 YAG 的吸收光谱 对一种材料吸收光谱的测量 是了解该材料的重要手段 例如 地球大气对可见光 紫外光是透明的 但对红外光的某些波段有吸收 而对另外一些波段比较透明 透明的波段称为大气窗口 如图6 5所示 波段从1um到15um有七个 窗口 充分地研究大气的光学性质与 窗口 的关系 有助于红外导航 跟踪等工作的进行 第三节光的色散 介质中的光速 或折射率 随光波波长变化的现象叫光的色散现象 一 色散率 色散率 是用来表征介质色散程度 即量度介质折射率随波长变化快慢的物理量 在实际工作中 选用光学材料时 应特别注意色散大小 例如 同样一块三棱镜 若用作分光元件 应采用色散大的材料 若用来改变光路方向 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 折射率随波长增加 或光频率的减小 而减小的色散叫正常色散 图6 8给出了几种常用光学材料的正常色散曲线 这些色散曲线的特点 波长愈短 折射率愈大 波长愈短 折射率随波长的变化率愈大 即色散率愈大 波长一定时 折射率愈大的材料 其色散率也愈大 2 反常色散 1862年 勒鲁用充满碘蒸气的三棱镜观察到紫光的折射率比红光的折射率小 由于这个现象与当时已观察到的正常色散现象相反 勒鲁称为反常色散 即 正常色散频率 增加 折射率n上升 正常色散频率 增加 折射率n降低 第四节光的散射 一 光的散射现象 光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向 向四周散射的现象 就是光的散射 所谓不均匀介质 指的是气体中有随机运动的分子 原子或烟雾 尘埃 液体中混入小微粒 晶体中存在缺陷等 但在实际测量中 很难区分开它们对透射光强的影响 因此在实际工作上通常将这两个因素的影响考虑在一起 将透射光强表示为 式中 h为散射系数 K为吸收系数 为衰减系数 在实际测量中得到的都是 通常根据散射光的波矢和波长的变化与否 将散射分为两大类 散射光的波矢变化 但波长不变 有瑞利散射 米氏 Mie 散射和分子散射 散射光的波矢和波长均变化 有喇曼散射 布里渊散射 二 瑞利散射 主要特点 1 散射光强度与入射光波长的四次方成反比 即 式中 I 为相应于某一观察方向 与入射光方向成 角 的散射光强度 上式说明 光波长愈短 其散射光强度愈大 下面以天空的颜色为例说明瑞利散射 天空之所以呈现光亮 是由于大气对太阳光的散射 如果没有大气层 白昼的天空也将一片漆黑 如图6 11 2 散射光强度随观察方向变化 自然光入射时 散射光强I 与 1 cos2 成正比 散射光强的角分布如图6 12所示 3 散射光是偏振光 不论入射光是自然光还是偏振光都是这样 该偏振光的偏振度与观察方向有关 三 米氏散射 当散射粒子的尺寸接近或大于波长时 所产生的散射称为米氏散射 主要特点 1 散射光强与偏振特性随散射粒子的尺寸变化 2 散射光强随波长的变化规律是 其中n 1 2 3 n的具体取值取决决于微粒尺寸 3 散射光的偏振度随r 的增加而减小 这里r是散射粒子的线度 是入射光波长 4 当散射粒子的线度与光波长相近时 散射光强度对于光矢量振动平面的对称性被破坏 随着悬浮微粒线度的增大 沿入射光方向的散射强度将大于逆入射方向的散射光强 四 分子散射 如前所述 光在浑浊介质中传播时 由于介质光学性质的不均匀性 将产生散射 这就是悬浮微粒的散射 当悬浮微粒的线度小于1 10波长时 称为瑞利散射 当悬浮微粒的线度接近大于波长时 称为米氏散射 另外 在纯净介质中 或因分子热运动引起密度起伏 或因分子各向异性引起分子取向起伏 或因溶液中浓度起伏引起介质光学性质的非均匀所产生光的散射 称为分子散射 散射光强度与波长的关系仍为 然而 当入射光足够强时 就能够观察到很弱的附加分量旁带 即出现新频率分量的散射光 喇曼散射就是散射光的方向和波长相对入射光产生变化的一种散射 喇曼散射的特