散射与光的吸收,复折射率

1、复折射率与色散、吸收复折射率与色散、吸收 引言：引言：由麦克斯韦电磁场理论可知，介质的折由麦克斯韦电磁场理论可知，介质的折射率及光波在介质中的相速度均取决于介质射率及光波在介质中的相速度均取决于介质 的的介电常数介电常数。一般来说，。一般来说， 介质中，介质中，并非是一并非是一个常数，而是入射光波频率的函数。个常数，而是入射光波频率的函数。 f从现象来看，介质的色散表现为介质对不同频率的入射光从现象来看，介质的色散表现为介质对不同频率的入射光波具有不同的传播相速度，因而具有不同的折射率。我们波具有不同的传播相速度，因而具有不同的折射率。我们在大学物理中已经学习过布格定律，即大多数介质表现为在大

2、学物理中已经学习过布格定律，即大多数介质表现为一般性吸收（指数变化），但是在介质的谐振频率附近，一般性吸收（指数变化），但是在介质的谐振频率附近，吸收和色散均有很大的变化。吸收和色散均有很大的变化。描述正常色散描述正常色散、一般性吸收现象一般性吸收现象同一光学介质，对不同波长同一光学介质，对不同波长光的折射率是不同的，也就光的折射率是不同的，也就是说，对于一枚镜头而言，是说，对于一枚镜头而言，不同色光的焦点位置实际上不同色光的焦点位置实际上是不一样的。是不一样的。介质的折射率随入射光频率介质的折射率随入射光频率的变化而变化的性质，称为的变化而变化的性质，称为“色散色散”。而发生在物质透。而发生

3、在物质透明区，随着频率的减小而减明区，随着频率的减小而减小的色散即为正常小的色散即为正常色散。色散。例如例如：当白光通过三棱镜时，当白光通过三棱镜时，我们会看到七色光谱，这种我们会看到七色光谱，这种复色光被分解为单色光的现复色光被分解为单色光的现象，即为象，即为“色散色散”。一般吸收现象一般吸收现象一切物质都具有一般吸收一切物质都具有一般吸收和选择吸收两种特性，某和选择吸收两种特性，某种媒质对于通过它的各种种媒质对于通过它的各种波长的光波都作等量吸收，波长的光波都作等量吸收，且吸收量很小，则称这种且吸收量很小，则称这种媒质具有一般吸收性媒质具有一般吸收性。折射率、吸收、色散是光折射率、吸收、色

4、散是光与介质相互作用的结果。与介质相互作用的结果。只有深入研究与介质的相只有深入研究与介质的相互作用，才能正确认识光互作用，才能正确认识光的吸收、色散等现象的吸收、色散等现象。设计实验设计实验，验证玻璃中的色散效应和介质中验证玻璃中的色散效应和介质中的吸收系数的吸收系数正交棱镜法正交棱镜法f去掉棱镜去掉棱镜P2P2时，观察平面上得到沿水平方向展开的连续光时，观察平面上得到沿水平方向展开的连续光谱谱ABAB。去掉棱镜。去掉棱镜P1P1时，光谱只沿竖直方向展开。时，光谱只沿竖直方向展开。P1P1和和P2P2同时存在时，光谱将同时沿水平和竖直两个方向展开。同时存在时，光谱将同时沿水平和竖直两个方向展

5、开。 P1P1和和P2P2材料性质相同时，最终展开的光谱带呈直线状，只材料性质相同时，最终展开的光谱带呈直线状，只是展开方向与水平面有一定夹角。是展开方向与水平面有一定夹角。P1P1和和P2P2材料性质不同时，材料性质不同时，两个棱镜对于任意给定波长的谱线所产生的偏向不同，从两个棱镜对于任意给定波长的谱线所产生的偏向不同，从而使整个光谱带发生弯曲。而使整个光谱带发生弯曲。f当入射角及棱镜折射角当入射角及棱镜折射角a a 较小时，则最小偏向角近似为较小时，则最小偏向角近似为介质中的吸收系数（以钕玻璃为例）介质中的吸收系数（以钕玻璃为例）fa a实验装置实验装置f f f f f（三）色散现象的应

6、用（三）色散现象的应用f f色散最常见也最简单的应用就是三棱镜色散最常见也最简单的应用就是三棱镜, ,分出单色光，如白光经分出单色光，如白光经色散散开后单色光从上到下依次为色散散开后单色光从上到下依次为“红、橙、黄、绿、蓝、靛、红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。紫七种颜色。f光纤通信中也有对色散的应用光纤通信中也有对色散的应用: :色散分为正常色散和反常色散色散分为正常色散和反常色散. .正常色散是波长越长正常色散是波长越长, ,光在介质中速度越快光在介质中速度越快. .反常色散是波长越反常色散是波长越短短, ,速度越快速度越快. .所以当一束光在光纤中传播了一段距离后所以当一束光在光纤中传

7、播了一段距离后, ,其中发其中发生了正常色散生了正常色散. .为了消除正常色散对通信的干扰为了消除正常色散对通信的干扰, ,就要在此光纤就要在此光纤后再接上一段色散反常的光纤后再接上一段色散反常的光纤, ,使光在经历了正常色散后再经历使光在经历了正常色散后再经历一次反常色散一次反常色散, ,从而使光信号减小失真从而使光信号减小失真. .这叫做色散补偿这叫做色散补偿. .f f(2)(2)光谱分析仪的设计光谱分析仪的设计f（a a）实验原理）实验原理f根据三棱镜能使复色光发生色散现象，并明显地分离出不同波长单色根据三棱镜能使复色光发生色散现象，并明显地分离出不同波长单色光的原理，来计算不同光谱光

8、的原理，来计算不同光谱对应三棱镜输出光对应三棱镜输出光，从而得到输入光，从而得到输入光谱谱1 1 与玻璃三棱镜输出光的与玻璃三棱镜输出光的1 1之间的关系之间的关系（b）实验器件）实验器件三棱镜（三棱镜（BK7型号玻璃）型号玻璃）复色光发光体（光源）复色光发光体（光源）狭缝（分离出单束光）狭缝（分离出单束光）接收器接收器f在外界能量激发下，物体中的原子成为一个振荡电偶极子在外界能量激发下，物体中的原子成为一个振荡电偶极子，从而在周围空间从产生交变的电磁场，以一定速度传播，从而在周围空间从产生交变的电磁场，以一定速度传播，伴随着能量的传递。，伴随着能量的传递。f当光入射到介质中时，时谐外电场和磁

9、场的方向随时间做当光入射到介质中时，时谐外电场和磁场的方向随时间做变化，场中物质分子或原子的电偶极矩和磁偶极矩的方向变化，场中物质分子或原子的电偶极矩和磁偶极矩的方向也随时间作周期性变化。偶极矩的变化并不总和外场的变也随时间作周期性变化。偶极矩的变化并不总和外场的变化一致，而要受到外场频率、偶极矩自身固有频率和阻尼化一致，而要受到外场频率、偶极矩自身固有频率和阻尼等因素的影响。当外场的频率较低时，偶极矩的变化与外等因素的影响。当外场的频率较低时，偶极矩的变化与外场的变化基本同步，当外场的频率很高时，物质分子和原场的变化基本同步，当外场的频率很高时，物质分子和原子了运动阻尼力似的偶极矩的变化滞后

10、于外场的变化。当子了运动阻尼力似的偶极矩的变化滞后于外场的变化。当外场的频率远离偶极矩固有频率时，偶极矩振动幅度与外外场的频率远离偶极矩固有频率时，偶极矩振动幅度与外场振动幅度有简单的比例关系，当外场频率接近偶极矩固场振动幅度有简单的比例关系，当外场频率接近偶极矩固有频率时，偶极矩振动幅度会大大增加。这些因素使得物有频率时，偶极矩振动幅度会大大增加。这些因素使得物质的介电常数和磁导率变位复数，因而物质的折射率也会质的介电常数和磁导率变位复数，因而物质的折射率也会变成复数。变成复数。f用用matlabmatlab绘制出复折射率实部和虚部与频率的关系曲线如绘制出复折射率实部和虚部与频率的关系曲线如下：下：吸收特性与光频率的关系吸收特性与光频率的关系（五）量子模型与经典模型（五）量子模型与经典模型f量子模型与经典模型的异同点量子模型与经典模型的异同点 相同点相同点fa a都采用了偶极近似都采用了偶极近似fb b都只考虑光场强度不太大的时候都只考虑光场强度不太大的时候fc c结论相同结论相同f2 2）不同点）不同点fa a电子运动情况与光频率的关系不同电子运动情况与光频率的关系不同fb b经典模型不能计算电子的固有频率，量子模型可以经典模型不能计算电子的固有频率，量子模型可以f不淘汰经典模型不淘汰经典模型f经典