光学第九章-光的吸收、色散和散射-小结

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1、第九章光的吸收、色散和散射1、吸收2、色散3、散射第九章光的吸收、色散和散射介质对光的吸收、色散和散射，均系分子尺度上光与物质的相互作用。没有任何介质对光波或电磁波是绝对透明的，光的强度随传播距离而减少的现象，称为介质对光的吸收(absorption)。介质中光速与光频或光波长有关，这被称作光的色散(dispersion)。介质的不均匀性将导致光的散射(scattering)。几乎所有光传输器件，如透镜、棱镜或光纤，都必须认真考虑其吸收、色散和散射的影响。在线性光学介质里，与光强无关。但是在光强比较强时，光与物质相互作用的非线性光学效应明

2、显表现出来，此时的与光强有关。比如光限幅效应等。l朗伯（Lambert）定律浓度较低的液体:比尔（Beer）定律：C:浓度，k:单位浓度的吸收系数吸光度A(光密度或消光度):一、吸收线性吸收规律称为物质的吸收系数普遍吸收和选择吸收(nm)I(a.u.)不同波长的光具有相同程度的吸收。(Generalabsorption)普遍吸收(nm)I(a.u.)介质对于某些波长的光吸收比较强烈。(Selectiveabsorption)选择吸收分子具有电子能级、振动能级和转动能级。吸收谱光吸收系数随波长变化的关系曲线，即～曲线，叫做介

3、质的光吸收谱。相关的两个因子合并在一起变量z将空间衰减系数>0复折射率：正常色散：透明的介质的折射率n随波长λ的增加而减小二、色散Cauchy公式：当考察的波长范围不太大时，（是真空波长）可用于反常色散，从紫外到红外和实际数据都吻合的比较好。Sellmeier公式：设可分辨的最小波长间隔为m,对应的角间隔为m宽度受限于b的平行光束，其衍射发散角为/b根据瑞利判据，m=B应当是有照明光束所决定的棱镜底边的有效长度。121212nn0SSb棱镜的分辨本领：B设B=5cm,dn/d410-5nm-1

4、,则Rp=2000；若=550nm,则m0.28nm棱镜的分光本领OAPQRSTn吸收带柯西公式反常色散：在介质对光有强烈吸收的波段内(吸收带)，折射率随波长的增加而增加，色散率：电极化率()折射率n()电子位移r(t)电子偶极矩p极化强度矢量P电子偶极矩极化强度矢量:介质原子数密度为N(1/m3)，每个原子提供外层弱束缚电子数为Z；电极化率色散经典理论方法：将洛伦兹的经典电子论与麦克斯韦的电磁场理论结合单一本征频率情况电子在光作用下的受迫运动方程：与外来光场的频率(波长)有关与外来光场有相位差,引起吸收在弱阻尼、低损耗，即

5、1条件下，取近似：在光谱学中，习惯使用真空波长：于是：02n0单一本征频率的振子的色散和吸收nn0当远离共振波长时，为透明区，可以忽略阻尼项，于是当>>0和柯西公式吻合。当<<0背离了柯西公式，和Sellmeier公式还是吻合的。在弱阻尼、低损耗，即1条件下，取近似：KLMijkX射线远紫外近紫外可见光近红外远红外无线电波10n一种介质的全域色散曲线多个本征频率情况在远离吸收线的波段均系透明区域，忽略阻尼项j，●两种典型情形（1）入射光波段处于两条吸收线之间（2）在超高频极短波段，<<1束缚

6、电子在<<1极短波段，即当远大于所有本征频率时，——等离子体振荡角频率设原子数密度(固体)N~1029/m3,Z~3,则p~31016Hz,p~60nm对1-10-2nm的X光，固体n<1,X光从空气入射，也能发生全反射自由电子的色散不受弹性约束力，在弱阻尼、低损耗条件下，在极高频条件下，束缚电子与自由电子的色散特性不再有区别X●波拍的群速度PP单色平面光波①相速度波包的群速度和波包的展宽相速度②群速度a(k)kk1k212(波拍)群速度形成波拍。色散介质：●波包的群速度和宽度准单色光问题a(k)k2kk0只保留一阶：1、

7、波包的群速度：群速度：z2、波包的宽度：宽度：z-z+波包宽度和时间无关z●波包的展宽保留到二阶：讨论高斯型准单色光谱：1.当宽度(1/e)：波包宽度和时间无关2.当宽度(1/e)：波包随时间展宽，变矮，以至消失。波包的寿命：从t0=0时刻开始，到波包展宽到原来3倍所需要的时间。3.单粒子波包的经典描述被束缚在原子中的电子电子管中的电子瞬间扩展，不具有经典粒子的特征对于以宏观尺度运动的电子，类似为经典粒子电子波包电子云三、散射在高空没有多少尘粒，故以瑞利散射(分子散射)为主，散射光的光强与入射光的波长四次方成反比。短波长光波散射强烈，在高空

8、的散射光便以青、蓝、紫光等为主，使天空呈蔚蓝色。尘粒和水滴的尺度一般大于可见光波长，这里的散射以米(氏)散射为主，米散射和波长没有明显的关系，阳光被散射后基本上仍为白光，比如白云