物理光学资料

1、第八章光的吸收、色散和散射，第一、第八章光的吸收、色散和散射，光在介质上传播的过程是光和介质相互作用的过程。 光的吸收、散射、色散是光和物质相互作用的表现。 本章利用经典电磁理论对光的吸收、散射和色散进行了初步说明，并介绍这些现象的实验规律及其应用。 第八章光的吸收、色散和散射、第二章光的吸收、色散和散射、光与介质的相互作用(各向同性)单色光的均匀性、透明介质中的传播单色无色散(、常数)均匀无散射(、与空间坐标无关)、透明无吸收(=0、实数)、第八章光的吸收、色散和散射、第三章光的吸收、色散和散射其传播状况发生变化：根据光在物质中传播的距离，一部分光能被物质吸收，变换成物质的内部能量被物质散射

2、，偏离原来的传播方向(也有可能伴随偏振状态、光谱成分的变化)，光的物质中的光速小于真空中的速度，根据频率的变化而变化光在各向异性物质中偏振状态发生变化，第8章光的吸收、色散和散射、第4、第8章光的吸收、色散和散射、光的吸收、色散和散射三者有差异，与光和物质的相互作用有关。 可以提供物质的结构信息。 光与物质的相互作用是微观过程量子理论描述(严格，复杂)经典的电子论描述(定性或半定量，简单直观说明的主要现象)，第八章光的吸收、色散和散射，第五章光的吸收、色散和散射，洛伦兹(Lorentz )电子论把光与物质的相互作用看作光和电偶极子的相互作用利用这种偏振辐射模型可以解释光的吸收、色散和散射，虽然

3、比较浅，但可以简单直观地说明问题。 第8章光的吸收、色散和散射，第6章光的吸收、色散和散射，8.1光和物质相互作用的古典理论8.2光的吸收8.3光的色散8.4光的散射，第8章光的吸收、色散和散射，7，8.1光和物质相互作用的古典理论，8.1.1古典理论的基本方程式8.1.2介质的复折射率第8 色散和散射，8，8，8.1.1经典理论的基本方程，洛伦兹电偶极子模型把原子或分子体系看作电偶极子，电子受到准弹性力(束缚力)的作用维持在平衡位置附近，受到与电子速度成比例的衰减力，电子在入射光场的周期性驱动力(强制力)的作用下进行强制振动(极化) 第八章光的吸收、色散和散射，9，9，8.1.1古典理论的基

4、本方程式，光和物质相互作用的古典理论的基本方程式基于牛顿第二定律，电子的运动方程式其中，右端三项分别是电子受到的强制力，准弹性力和衰减力r是电子从平衡位置的位移，f是弹性系数，g是、第8章光的吸收、色散和散射、10、8.1.1古典理论的基本方程式、导入阻尼系数固有振动频率电子的运动方程式，通过通过解该方程式得到入射光引起的电子的位移r，可以求出极化强度p，可以求出介质的极化率c。第8章光的吸收、色散和散射、11、8.1.1古典理论的基本方程式、单位体积内的平均偶极矩(极化强度)中，e为电子电荷，n为单位体积内的分子数。 r是电子因光波场而离开平衡位置的距离。求出的电极化率c，第8章光的吸收，色

5、散和散射，12，8.1.2介质的复折射率，通过入射光的作用，将电子运动方程式代入稳态解得到：第8章光的吸收，色散和散射，13，8.1.2介质的复折射率，通过上式得到的电子的光场作用下的稳态位移r 、8章光的吸收、色散和散射、14、8.1.2介质的双折射率在上式中能够得到极化强度的式(* )的同时，极化强度和电场有以下关系(*，22222222222222200000000000000、第8章光的吸收、色散、第8章光吸收、色散和散射、17、8.1.2介质的双折射率、沿z方向传播的光波可以表现为对应的光强度、第8章光的吸收、色散和散射、18、8.1.2介质的双折射率、双折射率的物理意义双折射率对介

6、质的光传播特性(振幅和相位)的作用其中，实部n是介质影响光传播的相位特性的量，是通常意义的折射率，n根据频率(或波长)变化，光在介质中传播。 虚部表示光在介质中传播时振幅(或光强度)衰减的程度，一般被称为消光系数，描述光在介质中传播的吸收特性。 第八章光的吸收、色散和散射、19、8.1.2介质的双折射率，以上结果表明，束缚电子的振动受到阻尼g作用时，由于极化强度P(t )和电场强度E(t )之间存在相位差，介质内存在极化损失。 第8章光的吸收、色散和散射、20，8.1.2介质的双折射率、弱极化的情况下，例如对于稀薄气体，、第8章光的吸收、色散和散射、21，8.1.2介质的双折射率，h-曲线是光

7、吸收曲线，固有频率0附近介质对光强的吸收可知色散和吸收之间有密切的关系。第8章光的吸收、色散和散射、22、8.1.2介质的双折射率、物质有多个电偶极子的情况下，有多个固有频率，双折射率的公式由上式表示，对于一般介质，在整个频带中都有多个吸收带。 第八章光的吸收、色散和散射、23、8.1.2介质的复折射率、介质全波段的色散特性曲线、第八章光的吸收、色散和散射、24、8.1.2介质的复折射率、色散和吸收的古典理论是半唯一的定性理论，复折射率的公式形式上是正确的，光的量子理论也一样第八章光的吸收、色散和散射、25、8.2光的吸收、光在均匀介质中传播时，一部分光能被吸收并转化为介质中，光的强度随着传播

8、距离(透射深度)的增加而衰减的现象被称为光的吸收。 研究光吸收意义的光纤通信中，光吸收越小越好。 在光泵的激光、光检测等中利用光吸收。第八章光的吸收、色散和散射、26、8.2光的吸收、8.2.1光吸收规律8.2.2一般吸收和选择吸收8.2.3吸收光谱8.2.4多光子吸收(了解)，第八章光的吸收、色散和散射、27、8.2.1光吸收规律朗伯(LAN b 在x方向照射均匀的介质而传播，如图所示，通过厚度为l的介质后，出射面的光强度与光强度无关，被称为介质对单色光的吸收系数。第8章光的吸收、色散和散射、28、8.2.1光吸收定律、兰伯特定律和洛伦兹电子论的结果进行比较，得到了吸收系数和消光系数的关系，

9、因此，吸收系数也是波长的函数。 朗伯定律是第八章光的吸收、色散和散射、29、8.2.1光吸收规律，除了真空以外，对任何波长的电磁波都完全透明，只对某一波长范围的光透明，对其他范围的光不透明，吸收是物质的普遍性质。 从能量的角度来看，吸收是光能向介质内变化的过程。 第八章光的吸收、色散和散射、30、8.2.1光吸收规律、直线吸收和非线性吸收与光强度无关，称为直线吸收。 兰伯特定律只能在线性媒体上成立。 如果强光作用物质的吸收系数a与光强度有关，则吸收成为非线性吸收，朗伯定律不成立，出现了光与物质的非线性相互作用过程。 第八章光的吸收、色散和散射、31、8.2.1光吸收规律、比尔(Beer )规律

10、相对于溶解于气体和不吸收溶剂中的物质，吸收系数a与物质的浓度c成比例，朗伯定律可以表现为比尔定律与分子的吸收和分子间的相互作用无关地成立。 仅适用于稀薄气体和低浓度溶液。 在大楼法则成立的范围内，可以根据该法则分析溶液的浓度。 第8章光的吸收、色散和散射、32、8.2.2一般吸收和选择吸收、吸收系数和波长的关系介质对某个波长带的光很少吸收，很少因波长而变化的吸收称为一般吸收，例如，不含杂质的玻璃对可见光的各波长成分具有大致相同的吸收。 介质耐光，根据波长的变化显着地被称为选择性吸收。 例如，空气中的臭氧分子被波长小于300nm的紫外光强烈吸收。 通过各种物质的选择吸收，人们可以看到五彩缤纷的世

11、界。 第八章光的吸收、色散和散射、33、8.2.2一般吸收和选择性吸收在电偶极子固有频率0附近是选择性吸收带，在远离0的区域是一般的吸收。 整个电磁波频谱中存在一般的吸收和选择吸收。 通过选择连续光谱(白色光)的吸收介质，可以用分光器观察吸收不同波长的光的光谱(吸收光谱)。 吸收光谱反映了成分的特征，用于成分分析。 第8章光的吸收、色散和散射、34、8.2.2一般的吸收和选择吸收，各原子有自己的能级结构，相应地有自己的吸收光谱，可以称为该元素的特征光谱和标识光谱，像人的指纹一样不同。 利用这些特征光谱，从物质光谱中检测含有什么样的元素的方法是光谱分析。 光谱分析是分析物质成分和含量的重要手段。

12、 第八章光的吸收、色散和散射、35、8.2.2一般的吸收和选择性吸收，同一物质的发射光谱和吸收光谱有严格的对应关系。 某物质在低温下吸收光谱暗线，对应于在高温下发射光谱亮线的位置，表示如果在低温下吸收某波长的光，即使在高温下也发射相同波长的光。 第八章光的吸收、色散和散射、36、8.2.2一般的吸收和选择吸收，一些光学材料的透光波段在制造光学设备时，必须考虑光学材料的吸收特性，选择对研究的波长范围透明的光学材料来制作元件。第八章光的吸收、色散和散射、37、8.2.2一般吸收和选择性吸收、大气l15m红外光透射率随波长变化的曲线。 利用“大气窗口”进行遥感、遥测地球资源及红外线遥感、红外线跟踪、

13、红外线引导、红外线导航等。 第八章光的吸收、色散和散射、38、8.2.3吸收光谱、激光工作物质钇石榴石(YAG )的吸收光谱如图所示。 为了提高激光的能量转换效率，必须选择激发光源的发光光谱和激光工作物质的吸收光谱一致。 第八章光的吸收、色散和散射、39、8.2.4多光子吸收、光吸收直线吸收(单光子吸收)非线性吸收(多光子吸收)由于强光的作用，金属、半导体、有机物存在多光子吸收。 用于光电对抗的光切片、激光放大介质的粒子数反转、半导体的带结构信息取得、激光脉冲宽度测定等。 第8章光的吸收、色散和散射、40、8.2光的吸收、例题P367 8-1作业P368 8-2、第8章光的吸收、色散和散射、4

14、1、8.3光的色散、介质的折射率(或光速)根据光的频率和波长而变化的现象称为色散。 光的色散可以用介质的折射率n随波长变化的函数记述。 反映n ()这个函数关系的曲线被称为介质的分散曲线。 第八章光的吸收、色散和散射，42、8.3光的色散对色散的研究具有理论、实用、概念上重要的意义。 几乎所有的光传输设备，例如透镜、棱镜、光纤，都必须考虑其色散特性及其影响。 在光通信中，优选的是，色散使信号分散和失真，并且信号越小越好。 在分光器中，最好越大越好。 第八章光的吸收、色散和散射，43，8.3光的色散，8.3.1正常色散和异常色散8.3.2光孤子(了解)，第八章光的吸收、色散和散射，44，8.3光的色散，牛顿用正交棱镜法观察到了色散现象，第八章光的吸收、色散和散射，45，8.3光色散率定义为介质折射率n的波长附近的波长的变化率dn/d，在数值上，与介质的波长附近的单位波长差的2单色光相等的dn/d 0是异常色散。 第八章光的吸收、色散和散射，46，8.3.1正常