第五章光的吸收色散和散射.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章光的吸收色散和散射,第八章 光得吸收、色散和散射,光在介质中得传播过程,就就是光与介质相互作用得过程。光在介质中得吸收、色散和散射现象,实际上就就是光与介质相互作用得结果。这些现象就是光在介质中传播时所发生得普遍现象,并且她们就是在一定程度上相互联系得。,前言,严格地讲,光与物质得相互作用应当用量子理论去解释,但就是如果将其看成组成物质得原子或分子受到光波电磁场得作用,所得出得结论仍然就是非常重要和有意义得。,2,8、1 光与物质相互作用得经典理论,麦克斯韦电磁理论最重要得成就之一:将电磁现象与光现象联系起来,正确解释了光得干涉、衍射以及法拉第效应和克尔效应等光与介质相互作用得一些重要现象。,引言,麦克斯韦电磁理论在说明光得传播现象时,对介质得本性作了过于粗略得假设,即把介质看成就是连续得结构,得出了介质中光速不随光波频率变化得错误结论,在解释光得色散现象时遇到了困难。,光与物质相互作用得严格理论-量子理论。,定性或半定量解释-经典得电偶极辐射模型。,3,8、1、1 经典理论得基本方程,洛伦兹得电子论假设:,组成介质得原子或分子内得带电粒子(电子、离子)被准弹性力保持在她们得平衡位置附近,并且具有一定得固有振动频率。,在入射光得作用下,介质中得带电粒子发生极化,并按入射光频率作强迫振动,形成振动偶极子,发出与入射光同频率得次波。,4,8、1、1 经典理论得基本方程,由于带正电荷得原子核比电子大得多,可视原子核不动,而负电荷相对于正电荷中心作振动,正、负电荷电量得绝对值相同,构成一个电偶极子,其电偶极矩为,:电荷电量。,:从负电荷中心指向正电荷中心得矢径。,5,8、1、1 经典理论得基本方程,为简单起见,假设在研究得均匀介质中只有一种分子,并且不考虑分子间相互作用,每个分子内只有一个电子作强迫振动,所构成得电偶极矩为,:电子电量。,:电子在光波场作用下离开平衡位置得距离。,如果单位体积中有 个分子,则单位体积内得平均电偶极矩(极化强度)为,6,8、1、1 经典理论得基本方程,作强迫振动得电子得运动方程为,:弹性系数。,:阻尼系数。,入射光电场得强迫力,准弹性力,阻尼力,:入射光场。,7,8、1、1 经典理论得基本方程,引入衰减系数 和电子得固有振动频率 ,电子得强迫振动运动方程变为,衰减系数:,电子得固有振动频率:,描述光与介质相互作用经典理论得基本方程。,8,9,大家应该也有点累了，稍作休息,大家有疑问的，可以询问和交流,8、1、2 介质得复折射率,入射光场得表达式,则电子离开平衡位置得距离具有表达式,得到,将上述两式代入电子运动方程,整理后得到,10,8、1、2 介质得复折射率,则极化强度为,由电磁场理论,极化强度与电场得关系为,对比两式得到,电极化率:,11,8、1、2 介质得复折射率,电极化率为复数,可表示为,电极化率得实部:,电极化率得虚部:,介质无吸收时,为实数,12,8、1、2 介质得复折射率,折射率也为复数,称为复折射率,表示为,上两式表明 与 就是相互关联(K-K关系)得,且都就是光频率得函数。,13,8、1、2 介质得复折射率,为了说明复折射率实部和虚部得意义,考察在介质中沿z方向传播得光电场复振幅表达式,:光在真空中得波数。,振幅随传播距离z按指数规律衰减得平面电磁波。,光强度,14,8、1、2 介质得复折射率,复折射率描述了介质对光波传播特性(振幅和相位)得作用。,复折射率得实部 就是表征介质影响光传播得相位特性得量,即通常所说得折射率,由于 随频率(或波长)而变,从而造成了色散。,复折射率得虚部 表征了光在介质中传播时振幅(或光强)衰减得快慢,通常称为消光系数(或消光因子)。,15,8、1、2 介质得复折射率,当束缚电子得偶极振荡受到阻尼 时,必将导致极化强度 与电场强度 之间存在相位差,因而介质体内必有极化热耗散,这便使光波能流衰减而转化为原子体系得热能。,16,8、1、2 介质得复折射率,在弱极化情况下(例如:稀薄气体),有 ,则,复折射率实部:,复折射率虚部:,17,8、1、2 介质得复折射率,曲线为光吸收曲线,在 附近有强烈得吸收(共振吸收)。,曲线为色散曲线,在 附近区域为反常色散区,而在远离 得区域为正常色散区。,色散与吸收之间有密切得联系。,18,8、1、2 介质得复折射率,更普遍得模型应就是认为有多种振子,全波段得色散曲线,19,8、2 光得吸收,光在介质中传播时,部分光能被吸收而转化为介质得内能,使光得强度随传播距离(穿透深度)增长而衰减得现象称为光得吸收。,引言,光纤通信中希望光纤对光得吸收越小越好,这样光信号得传输距离可以延长。,光源泵浦激光物质时,希望吸收越大越好;光电探测器也希望尽可能多地吸收入射光。,20,8、2、1 光吸收定律,1、朗伯(Lambert)定律,朗伯总结了大量实验结果后指出,光强得减弱 正比于 和 得乘积,即,就是一个与光波波长和介质有关得比例因子,称为介质对单色光得吸收系数。,21,8、2、1 光吸收定律,输入光强为 ,即当 时,可积分得到介质内 处得光强为,-朗伯定律,当 时,光强减少为原来得 。,吸收系数与消光系数得关系:,22,8、2、1 光吸收定律,不同介质得吸收系数差异很大,例如,对于可见光波段,在标准大气压下,空气得 ,玻璃得 ,金属得 。,介质得吸收性能与波长有关,即 就是波长得函数。,除真空外,没有任何一种介质对任何波长得电磁波均完全透明,只能就是对某些波长范围内得光透明,对另一些波长范围内得光不透明。,23,8、2、1 光吸收定律,如果 与光强无关,则该吸收过程称为线性吸收。,在强光作用下,某些物质得吸收系数 变成与光强有关,这时得吸收过程称为非线性吸收。,对于非线性吸收,朗伯定律不再成立。,从能量得角度来看,吸收就是光能转变为介质内能得过程。,24,8、2、1 光吸收定律,2、比尔(Beer)定律,1852年,比尔用实验证明,对于气体或溶解于不吸收光得溶剂中得物质,吸收系数 正比于单位体积中得吸收分子数,即正比于吸收物质得浓度 ,就是与浓度无关得常数,她只取决于吸收物质得分子特性。,比尔定律(只适用于低浓度溶液),25,8、2、2 一般吸收与选择吸收,如果某种介质对某一波段得光吸收很少,并且吸收随波长变化不大,这种吸收称为一般吸收。,如果介质对光具有强烈得吸收,并且吸收随波长有显著变化,这种吸收称为选择吸收。,附近为选择吸收带,远离 区域为一般吸收,26,8、2、2 一般吸收与选择吸收,大气窗口,27,8、2、2 一般吸收与选择吸收,我们之所以能看到五彩缤纷得世界,主要应归因于不同材料得选择吸收性能。例如,绿色得玻璃就是由于她对绿光吸收很少,对其她光几乎全部吸收,所以当白光照射在绿玻璃上时,只有绿光透过,呈现出绿色。,某些物质对特定波长得入射光有强烈得吸收,相当于一个带阻滤波器;在特殊条件下,也可以呈现为只对某些特定波长有很小得吸收系数,相当于带通滤波器;利用原子(或分子)得共振吸收特性来实现光频滤波得器件叫做原子滤波器。,28,8、2、3 吸收光谱,让具有连续谱得光通过吸收物质后再经光谱仪展成光谱时,就得该物质得吸收光谱。,吸收光谱得表现形式就是在入射光得连续光谱背景上出现一些暗线或暗带,前者称为线状谱,后者称为带状谱。,吸收光谱和发射光谱具有对应关系,物质得辐射和吸收实际上就是同时存在得,不过在不同条件下其相对强弱有所不同。,29,8、2、3 吸收光谱,每一种原子都有自己独有得能级结构,相应地也具有自己特有得吸收谱线,称为该元素得特征谱线或标示谱线。,利用特征谱线可以根据物质得光谱来检测她含有何种元素,这种方法称为光谱分析方法。,光谱分析就是研究物质结构得一种重要手段。,太阳发射连续光谱,但在其连续光谱得背景上呈现出许多暗线,这就是其周围温度较低得原子对炙热得太阳内核发射得连续光谱进行选择吸收得结果。,30,8、2、3 吸收光谱,31,8、2、4 双/多光子吸收与场致吸收,1、双/多光子吸收,双/多光子吸收:在强光得作用下,组成物质得原子或分子同时吸收两个或多个光子,完成一次跃迁。这就是一种非线性吸收。,双光子吸收发生时,总得吸收系数为,:线性吸收系数,:双光子吸收系数,32,8、2、4 双/多光子吸收与场致吸收,2、场致吸收,Franz-Keldysh发现:在电场作用下,某些物质(如GaAs)得吸收边向长波长偏移,这种现象称为场致吸收,也称为Franz-Keldysh效应。,GaAs吸收边得Frank-Keldysh偏移:,曲线A:无电场,曲线B:有电场,33,8、3 光得色散,介质得折射率(或光速)随光得频率或波长而变化得现象称为色散。,引言,光得色散可用介质折射率 随波长 变化得函数来描述,反映 这一函数关系得曲线称为介质得色散曲线。,实际上,折射率随波长得变化关系比较复杂,而且这种变化关系因材料而异,一般通过实验测定。,34,8、3 光得色散,观察色散得牛顿正交棱镜实验装置,色散曲线测量方法:将待测材料做成三棱镜,放在分光计中,分别对不同波长得单色光测量其相应得最小偏向角,从而计算出折射率,得到色散曲线。,35,8、3 光得色散,为了表征介质色散得程度,引入色散率得概念。,色散率得定义:介质折射率 在波长 附近随波长得变化率 ,在数值上等于介质对于 附近单位波长差得两单色光得折射率之差。,实际中,选用光学材料应特别注意其色散得大小。,用作分光元件得三棱镜应采用色散大得材料。,用来改变光路方向得三棱镜需采用色散小得材料。,36,8、3、1 正常色散与反常色散,通常情况下,介质得折射率 就是随波长 得增加而减小得,即色散率 ,这种色散称为正常色散。,1、正常色散,所有不带颜色得透明介质,在可见光区域内都表现为正常色散。,37,8、3、1 正常色散与反常色散,描述介质正常色散得经验公式-柯西公式,:真空中得波长,:由介质性质所决定得常数,由实验测定,对于不同得材料,常数 、一般就是不同得。,同一种材料可能存在若干个正常色散区,因此,同一种材料得不同正常色散区,常数 、也不相同。,38,8、3、1 正常色散与反常色散,柯西公式得解释,阻尼系数 较小,远离固有振动频率,39,8、3、1 正常色散与反常色散,由于 ,进行泰勒级数展开得到,40,8、3、1 正常色散与反常色散,当波长间隔不太大时,可只取柯西公式前两项,即,色散率为,由于 、都就是与入射光波长 无关得常数,所以当 增加时,折射率 和色散率大小 都减小。,41,8、3、1 正常色散与反常色散,介质得折射率 就是随波长 得增加而增加得,即色散率 ,这种色散称为反常色散。,2、反常色散,42,8、3、1 正常色散与反常色散,反常色散区和选择吸收区得对应关系,反常色散并不“反常”,她就是介质得一种普遍现象,反常色散区常为光得选择吸收区。,43,8、3、2 光孤子,孤子(Soliton):速度不变、形貌不变得孤立波。,光孤子(Optical Soliton):狭义上讲,指形状和宽度保持不变得光脉冲(实际上还包括暗孤子)。,在光通信系统中,孤子通常就是一个非常窄、有很高强度得光脉冲,她通过保持色散与非线性效应得平衡而不改变其本身形状和宽度。,应用:光孤子通信,44,8、4 光得散射,定向传播得光束在通过光学性质不均匀得介质时,偏离原来得方向,向四周散开得现象称为光得散射。这些偏离原传播方向得光称为散射光。,引言,光学性质不均匀:可能由于均匀物质中散布着折射率与她不同得其她物质得大量微粒;也可能由于物质本身组成成分得不规则聚集(如密度涨落)。,45,8、4 光得散射,光通过介质时,使透射光强减弱得因素:,实际测量很难区分吸收和散射对透射光强得影响。,吸收-光能转化为热能。,散射-光能量得空间分布改变。,:吸收系数,:散射系数,46,8、4 光得散射,散射光得产生可按经典得次波叠加观点进行解释:,在入射光作用下,介质分子(原子)或其中得杂质微粒极化后辐射次波;,对完全纯净均匀得介质,各次波源间有一定得相位关系,相干叠加得结果使得只在原入射光方向发生干涉相长,其她方向均干涉相消,光线按几何光学所确定得方向传播;,介质不均匀时,各次波得相位无规则性,使得次波非相干叠加,各个方向均有光强分布,形成散射。,47,8、4 光得散射,光散射就就是一种电磁辐射,就是在很小范围内得不均匀性引起得衍射,且在 立体角内都能检测到。,光得散射就是复杂得物理现象,相关得因素包括:,散射粒子得线度,散射粒子得种类,散射粒子得外形,散射粒子得密度,散射粒子得分布,48,8、4 光得散射,根据介质得均匀性,光与介质之间作用有以下三种情况:,若介质就是均匀得,且不考虑其热起伏,光通过介质后,不发生任何变化(理想情况,实际不存在);,若介质不很均匀(但就是起伏不随时间变化),光波与其作用后被散射到其她方向,散射光频率与入射光频率一致,称为弹性散射。,若介质中得不均匀随时间变化,光波与这些起伏交换能量,散射光相对于入射光有频移,称为非弹性散射。,49,8、4、1 线性散射,散射光得特性(包括散射光得强度、偏振与光谱成分)反映了散射介质得性质。,散射光取决于,散射单元得尺度-决定了单位衍射因子或散射因子,散射单元之间得平均距离-决定了这些单元散射波得叠加就是相干叠加还就是非相干叠加,或就是部分相干叠加。,按照光学不均匀性尺度得大小,弹性散射可分为瑞利散射和米氏散射。,50,8、4、1 线性散射,瑞利得实验结果(1871年),1、瑞利散射(Rayleigh scattering),正侧向(x方向)散射光:青蓝色-短波成分居多。,实验:平行自然白光入射于“混浊介质”(清水中加几滴牛乳),平行向(z方向)透射光:偏红色-长波成分居多。,51,8、4、1 线性散射,散射粒子得直径在 以下,远小于光波波长得散射称为瑞利散射,又称为分子散射。,散射光强度与入射光波长得关系(瑞利散射定律),:某一观察方向上(与入射光方向成 角)得散射光强度,:散射角,紫光散射光强度约为红光散射光强度得10倍！,52,8、4、1 线性散射,请解释如下自然现象:,为什么地球上得天空呈现光亮,而大气层外得天空一片漆黑？,晴朗得天空为什么呈现蔚蓝色？,为什么正午得太阳基本上呈白色,而旭日和夕阳却呈红色？,53,8、4、1 线性散射,散射光强度随散射方向得变化规律,:垂直于入射光方向上得散射光强,自然光入射时,54,8、4、1 线性散射,散射光得偏振特性,当自然光入射时,散射光一般为部分偏振光;,但在垂直于入射光方向上得散射光为线偏振光;,入射光方向或逆入射光方向得散射光仍就是自然光。,55,8、4、1 线性散射,瑞利散射光强度和偏振特性分布得解释:,根据经典电磁理论,光散射得基本过程如下:当分子(原子)得线度比入射光波长小很多时,在入射光电矢量得作用下,分子(原子)中得电子以入射光频率作受迫振动,并从入射光波吸收能量,同时辐射出电磁辐射,这种辐射就就是散射光,其频率或波长与入射光得相同。,瑞利散射光强度和偏振特性分布起因于散射光就是横电磁波。,56,8、4、1 线性散射,假设线偏振光(x向振动)沿z轴正向入射,使分子沿x向极化,极化强度 ,振动得极化分子发射得辐射就就是散射光,根据电磁理论,时变电偶极子得辐射强度:,:观察点到分子(原子)得距离,:散射光方向与入射光方向z轴得夹角,57,8、4、1 线性散射,沿z轴正向入射得自然光,58,8、4、1 线性散射,59,8、4、1 线性散射,沿z轴正向入射得自然光,散射光得偏振度,线偏振光入射,各方向得散射光都就是线偏振光,60,8、4、1 线性散射,米氏散射又称为大粒子散射,其散射微粒得直径与入射光波波长接近甚至更大。,2、米氏散射(Mie scattering),米氏以球形粒子为模型,计算了平面电磁波得散射过程。,61,8、4、1 线性散射,米氏散射得特点:,散射光强和偏振特性随散射粒子得尺寸变化。,散射光强随波长得变化规律就是与波长 得较低幂次成反比,其中,得具体数值取决于散射微粒得尺寸。,散射光得偏振度随 得增加而减小(为散射粒子得直径),62,8、4、1 线性散射,米氏散射无明显得色效应,可以定性地作如下理解:,介质中得球粒构成了一个边界,等效于一个衍射屏,衍射理论表明,长波得衍射效应比短波强;,而介质中分子得偶极子辐射模型表明,短波得散射效应比长波强;,对于尺度较大得微粒,上述两种相反得色效应共存,彼此互补,从而导致米氏效应无明显得色效应。,63,8、4、1 线性散射,散射光强度得角分布也随 而变,前向散射强,后向散射弱。,利用米氏散射解释以下自然现象:,蓝天中漂浮得白云。,雾呈白色。,64,8、4、2 非线性散射,1923年,斯梅卡尔指出,在光得散射过程中,如果分子得状态也发生了改变(随时间发生变化),则入射光与分子交换能量得结果可能导致散射光频率发生变化。,非弹性散射主要有:,拉曼散射(Raman scattering),布里渊散射(Brillouin scattering),65,8、4、2 非线性散射,1、拉曼散射(Raman scattering),散射光中除了与入射光频率 相同得瑞利散射线以外,其两侧还伴有频率为 、得散射线存在,这种散射现象就就是拉曼散射。,瑞利散射线(入射光频率),紫伴线(短波散射光),又称反斯托克斯线,红伴线(长波散射光),又称斯托克斯线,多固有频率分子得拉曼散射谱线,66,8、4、2 非线性散射,拉曼散射规律:,同一散射物质,其散射光得频移量大小与入射光波长无关(注意:波长变化量就是会改变得)。,长波散射光(斯托克斯线)强度大于短波散射光(反斯托克斯线)强度。,不同散射物质得散射光与入射光得波长差不同,反映了各种物质分子振动得固有频率不同。,67,8、4、2 非线性散射,拉曼散射得解释,经典电磁理论观点:分子在光得作用下发生极化,极化率得大小因分子内部粒子间得相对运动产生变化,引起介质折射率得起伏,使光学均匀性受到破坏,从而产生光得散射。,入射光电场,分子因电场作用产生得感应电偶极矩,68,8、4、2 非线性散射,在没有任何外场作用下,分子本身就以固有频率 振动,则分子极化率不再为常数,也随时间作周期变化,可表示为,:分子静止时得极化率,:分子振动所引起得变化极化率得振幅,69,