第8章光的吸收色散和散射ppt课件.ppt

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1、第8章光的吸收、色散和散射§8.1光与物质相互作用的经典理论一、经典理论的基本方程1、思路：r（位移矢量）→p（电偶极矩）→P（极化强度）→χ（电极化率）→ε→n2、光与物质相互作用经典理论的基本方程（作强迫振动的电子的运动方程）为：f是弹性系数，g是阻尼系数，E是入射光场若入射光场为：引入衰减系数γ=g/m，固有频率ω0后，方程变为：二、介质的复折射率1、介质复折射率的推导略2、电极化率的推导式：其实部和虚部为：3、复折射率将折射率表示成实部和虚部形式，则有：若介质为稀薄气体，有：全波段曲线§8.1光的吸收一、光吸收定律1、光的吸收：光通过介质后，

2、光能转变为其它形式的能量而使光强度减弱的现象，称为光的吸收。2、朗伯（Lanbert）定律：光强的减弱dI正比于I和dx的乘积,即：3、吸收系数和消光系数的关系不同介质的吸收系数值差异很大，介质的吸收性能与波长有关。除真空外，没有任何一种介质对任何波长的电磁波均完全透明。4、比尔（Beer）定律对于气体和融解于不吸收光的溶剂中的物质，吸收系数正比于单位体积中的吸收分子数，即正比于吸收物质的浓度。注意：朗伯定律对线性介质适用；比尔定律适用于低浓度溶液。二、一般吸收与选择吸收1、吸收的分类：一般吸收和选择吸收。2、一般吸收：介质对光的吸收很弱，且随波长变

3、化不大。如稠密介质吸收区ω远离的吸收ω0的吸收。3、选择吸收：介质对光的吸收强烈，且随波长剧烈变化。如稀薄气体吸收区ω在→ω0的吸收。4、吸收理论应用:激光稳频，空间光学和红外空间应用中应用波段的选择….。5、从整个电磁波谱的角度考察，一般吸收的介质是不存在的。大气窗口图：三、吸收光谱吸收光谱的获得：具有连续谱的光通过吸收物质后再经过光谱仪展成光谱时，就得该物质的吸收光谱。吸收光谱的解释；例子，激光物质的吸收光谱。§8.3光的色散一、色散的基础知识1、色散：介质的折射率（或光速）随光波长变化的现象。2、观察色散的牛顿正交棱镜法3、色散率定义:介质折射

4、率n在波长λ附近随波长的变化率dn/dλ，在数值上等于介质对于λ附近单位波长差的两单色光的折射率之差。4、色散的应用：用作分光元件的三棱镜，应采用色散大的材料，用来改变光路方向的三棱镜，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：介质的折射率随波长的增加而减小的色散。即：dn/dλ<0，且变化缓慢。2、正常色散的特点：波长越短折射率愈大；波长愈短折射率随波长变化愈大；折射率大的材料色散率也愈大。3、正常色散的经验公式——柯西公式表达式：对可见光波段无色透明的材料，柯西公式有相当高的准确度。只适用正常色散。由柯西公式得到的色散率：4、反常

5、色散：折射率n随波长增大（或光频率的减少）而单调增加，即色散率dn/dλ>0，且在附近区域变化剧烈。1862年勒鲁在观察蒸气的色散现象时发现的，孔脱系统的研究勒反常色散；反常色散不反常，它是介质的一种普遍现象；“反常”色散区常为“选择”吸收区。解释：二、光孤子1834年，罗素（Russel）发现孤波(solitorywave)孤子(so1iton)：色散+非线性效应。色散介质中，波包前沿快中心慢，脉冲展宽;非线性波动方程行波解。波包心振幅大速度快，波包前沿振幅小速度慢，波包压缩；调整二者稳定平衡，可使尖锐波包挺进而不变形——opticalso1ito

6、n§8.4光的散射一、基本知识1、散射：光通过不均匀介质时，偏离原来的方向，向四周传播的现象，称为散射。2、散射的特点：光能到光能，光能不转变为其它形式的能。3、散射的形成：光场E——偶极子振动——辐射电磁波——散射光4、散射现象的解释：问：图中所示人们见到的光是激光吗?如果是,为什么?如果不是，为什么与激光一样具很好的单色性?5、光与介质间的三种情况若介质是均匀的，且不考虑热起伏，光与介质不发生任何作用；若介质不很均匀，热起伏与时间无关，散射光的频率就不会发生变化，只是波矢量方向受到偏折，是弹性散射；若介质不均匀且随时间变化，光波与这些起伏交换能量

7、，光频发生变化，就产生非弹性散射。6、散射的分类：二、线性散射1、瑞利散射（RayleighScattering）：散射粒子的直径在λ/5～λ/10以下，远小于光波波长的散射。2、瑞利散射的特点：（1）强度与波长的关系：θ称为散射角。光波长越短，散射光强愈大。解释朝/夕阳为什么显红色?（2）散射光强随散射方向变化的关系散射光强的角分布为：（3）散射光的偏振当自然光入射时，散射光一般为部分偏振光，但在垂直入射光方向上的散射光是线偏振光；当线偏振光入射时，各方向的散射光都是线偏振光瑞利散射的例子及应用光子在光纤中传播的瑞利散射下图为光时域反射仪（OTDR

8、）3、米氏散射定义：又称为大粒子散射，其散射微粒的直径与入射的光波波长接近甚至更大。特点：a、散射光强与偏振