光学光的吸收色散散射实用教案

1、2021-11-29廷德尔散射(snsh)第1页/共30页第一页，共31页。2021-11-296.1 光的吸收(xshu)6.1.1 吸收(xshu)定律与复折射率一、吸收(xshu)定律光的吸收光通过介质后出现的出射光强小于入射光强的现象。 设光通过厚度为dx 的介质层时，光强由I 减少为I+dI，dI0，光强的相对减少量与吸收层的厚度成正比。1.布格-朗伯定律第2页/共30页第二页，共31页。2021-11-29dd ,IxI 为吸收系数。设x = 0时,I=I0。对上式积分(jfn)得0( ).xI xI e光强按指数规律衰减，该式就是(jish)布格-朗伯定律的数学描述。定义(dng

2、y)：I0IIdIdxxx+dxlx00dd ,IxIIxI 0ln,IxI （1729年布格发现, 1760年朗伯描述）第3页/共30页第三页，共31页。2021-11-292.比尔定律(dngl) 实验表明：在浓度(nngd)较低的溶液中，吸收系数与溶液浓度(nngd)C成正比， =AC。A为与溶液浓度(nngd)C无关的常数，表征物质的分子特性。于是(ysh)朗伯定律可书为0( ).ACxI xI e（比尔定律）二、吸收与介质折射率的关系复折射率在不考虑介质对光的吸收时,光学介质的折射率为,cnv此时平面波在介质中的行波方程（波函数）为第4页/共30页第四页，共31页。2021-11-2

3、9 当考虑介质的吸收时，波在介质中传播振幅(zhnf)要衰减。折射率应视为复数：(1),nni0exp()exp().n xnxEitcc 吸收系数为24.nnc ).(exp)(exp),(00cnxtiEvxtiEtxE振幅衰减系数。0( , )exp()nxE x tEitc行波方程(fngchng)则书为2x0( ).xI xI e非吸收部分(b fen)表示相速和色散对比表示介质吸收第5页/共30页第五页，共31页。2021-11-296.1.2 吸收(xshu)与波长的关系一、一般吸收(xshu)与选择吸收(xshu)一般吸收： 值很小且不随波长发生明显变化，即呈现所谓(suwi)

4、“透明”状态。选择吸收： 值很大且随波长发生急剧变化，即呈现“不透明”状态。 除了真空以外，吸收普遍存在于一切介质中，任何介质都可发生两种类型的吸收，关键取决于波长。 选择吸收是电磁波与物质相互作用的普遍规律，而一般吸收只具有相对意义。第6页/共30页第六页，共31页。2021-11-29二、吸收光谱(x shu un p)吸收光谱产生连续光谱的光源所发的光，在通过介质后产生吸收所形成(xngchng)的光谱。线状光谱在吸收光谱(x shu un p)中出现了吸收线。带状光谱在吸收光谱中出现了吸收带。水的吸收光谱第7页/共30页第七页，共31页。2021-11-29 原子(yunz)气体吸收一

5、般为线状光谱，且吸收线的位置恰好是该气体发射光谱的谱线位置！固体(gt)、液体、分子气体吸收一般为带状光谱。 同一物质发射光谱(f sh un p)和吸收光谱之间存在相当严格的一一对应关系。即：某种物质自身发射哪些波长的光，它就强烈地吸收那些波长的光。第8页/共30页第八页，共31页。2021-11-29几种物质较强的夫琅和费吸收谱线第9页/共30页第九页，共31页。2021-11-296.2 光的色散(ssn)6.2.1 色散概念(ginin)及其规律一、色散(ssn)的概念色散光通过介质时，传播速度随光的频率而变化，而不同波长的光具有不同的折射率的现象。色散曲线折射率随波长变化的曲线。d

6、/dn色散率（折射率随波长的变化率）。二、正常色散 折射率 n 与波长的关系是很复杂的，所以色散曲线一般由实验测得。第10页/共30页第十页，共31页。2021-11-29几种常见(chn jin)光学材料的色散曲线第11页/共30页第十一页，共31页。2021-11-29正常(zhngchng)色散时折射率随波长的增加而单调下降正常(zhngchng)色散的经验公式 （柯西公式经验公式）24.BCnA一般(ybn)取前两项，近似为2.BnA微分上式得介质的色散率为32.dnBd 一切无色透明介质在可见光区域均表现为正常色散。（使用中取前两项已足够精确）（波长越长色散率越小）第12页/共30页

7、第十二页，共31页。2021-11-29三、反常(fnchng)色散 反常色散某些波长(bchng)段折射率出现随波长(bchng)增大而增大的现象。 反常色散同样是物质的普遍性质(xngzh)（反常色散不反常）。反常色散与选择吸收密切相关，即发生于物质的选择吸收波段附近。描述反常色散下n与的经验公式为塞耳迈耶尔方程222201.An A常数；0介质分子固有振动的波长。第13页/共30页第十三页，共31页。2021-11-29石英晶体在红外区域中的反常色散特性(txng)曲线第14页/共30页第十四页，共31页。2021-11-29某种物质的全部色散(ssn)曲线第15页/共30页第十五页，共

8、31页。2021-11-296.2.2 光的相速与群速相速与群速的概念(ginin)理想平面(pngmin)单色波的行波方程为cos().rEAtv式中v为波速，称之为相速度，等相面（相位相同的点构成(guchng)的面）的速度，等相位点往前推进的速度。相速度是单色波所特有的一种速度。实际光波是多个单色波的叠加，故绝对单色波不存在。 实际光波在真空中（无色散的介质中）传播时，各单色光以相同的速度传播，都等于相速度。光在真空传播时，各单色波的合成波波形保持不变第16页/共30页第十六页，共31页。2021-11-29 实际光波在有色散的介质中传播，各单色光不会(b hu)以相同的速度传播。合成波

9、（波群）的波形在传播(chunb)过程中发生形变其现象(xinxing)和前面讨论过的光学拍现象(xinxing)相似。E1tE2tEt第17页/共30页第十七页，共31页。2021-11-29 群速度等幅面（包络(bo lu)面上相同点构成的面）的传播速度。仍以光学拍现象讨论（结果(ji gu)可推广）0002cos()cos(),2222kEEztkzt0222kzt常数,等幅面：等相面：02kzt常数.d,dgzvtkd.dpzvtk两式两边(lingbin)微分得群速度相速度在真空中群速度等于相速度群速度可以超光速第18页/共30页第十八页，共31页。2021-11-296.3 光的散

10、射(snsh) 光的散射光通过某些介质（光学性质不均匀）时，在偏离正常传播(chunb)方向上有光出射的现象。光学性质不均匀：介质(jizh)中的杂质微粒或介质(jizh)本身的不均匀结构或分子的涨落。产生散射的原因可用次波叠加原理解释。散射可改变入射光的光强空间分布、偏振态或频率频率不改变的散射有：瑞利散射、米氏散射、廷德尔散射。频率改变的散射有：拉曼散射、布里渊散射。第19页/共30页第十九页，共31页。2021-11-296.3.1瑞利散射(snsh)、米氏散射(snsh)及廷德尔（大粒子）散射(snsh)一、瑞利散射 瑞利散射发生于混浊介质(jizh)中。原因是在均匀介质(jizh)中

11、包含许多线度比波长更小的、折射率不同的其他物质的微粒。散射可使光强减小，光强衰减(shui jin)由下式决定()0( ).lI lI e 为散射系数；+为衰减系数。为吸收系数；第20页/共30页第二十页，共31页。2021-11-29瑞利散射有以下(yxi)特点：1.散射光的波长与入射光的波长相同(xin tn)（光频不变的散射）。2.散射光的强度(qingd)与波长的四次方成反比。41,I瑞利散射定律3.散射光的光强（自然光入射）2/2( )(1 cos).II（方向的光强）指的是观察方向与入射方向的夹角。I/2表示与入射光垂直方向的光强。散射的光强是角度的函数xz散射光方向第21页/共3

12、0页第二十一页，共31页。2021-11-29蔚蓝色的天空是空气分子(fnz)涨落引起的瑞利散射第22页/共30页第二十二页，共31页。2021-11-29 4.自然光入射时，各方向的散射光一般(ybn)为部分偏振光，在垂直入射光方向上的散射光为线偏振光，沿入射光方向或其逆方向的散射光仍为自然光。实验 zx第23页/共30页第二十三页，共31页。2021-11-29炎炎夏日，很多人外出都戴上太阳镜。有一种(y zhn)太阳镜叫偏光镜，利用了什么原理？有没有鉴别偏光太阳镜的简便方法？第24页/共30页第二十四页，共31页。2021-11-29二、米氏散射(snsh)及廷德尔（大粒子）散射(sns

13、h) 当粒子的限度接近(jijn)或大于光波波长时，瑞利散射规律不再成立。 当粒子的线度 a 与波长(bchng) 差不多时，这样的散射称为米氏散射. （a /在0.1-10m之间）散射光的光强随波长的减小而逐渐减弱第25页/共30页第二十五页，共31页。2021-11-29米氏散射与天空(tinkng)的景象 米氏散射理论在大气光学(gungxu)中占重要地位，它是人工降雨的理论基础。第26页/共30页第二十六页，共31页。2021-11-29 也就是说，当a/增大到一定程度以后散射光强强度(qingd)随该比值的增大出现起伏，交替的出现极大和极小值，起伏的幅度随比值的增大而逐渐减小。 当粒

14、子足够大时，散射光的光强与 基本无关(wgun)，这种散射称为廷德尔散射大粒子散射。6.3.2 拉曼散射(snsh) 当光通过介质时，散射光中除有原入射光频率之外，又出现在入射光频率两侧对称分布的新的频率的现象，称为拉曼散射或联合散射。第27页/共30页第二十七页，共31页。2021-11-29拉曼散射的主要(zhyo)特征： 1.在频率(pnl)为v0 的原始入射谱线 (称为瑞利谱线) 两侧还有频率(pnl)为v0 v1 ， v0 v2 等散射谱线 (拉曼谱线), v1 、 v2 等称为拉曼频率(pnl)。在长波(chngb)一侧的称为红伴线 (v0 - v1) 或斯托克斯线。在短波一侧的称为紫伴线 ( v0 +v1) 或反斯托克斯线。 2.瑞利谱线和拉曼谱线总是同时出现，相应的散射光强，前者比后者大约高三个数量级。 3.拉曼频率与入射光频率无关，它等于分子的固有振动频率。一般在红外波段。第28页/共30页第二十八页，共31页。2021-11-29济南大学物理学院(xuyun)第29页/共30页第二十九页，共31页。2021-11-29谢谢您的观看(gunkn)！第30页/共30页第三