《光学》光的吸收、色散、散射6-1√.ppt

济南大学物理学院,光学课件目录,1,Click to edit Master,subtitle style,济南大学 物理学院,光学,optics,光 学,济南大学物理学院,普物教研室,电,子,教,案,电,子,教,案,2,光学课件目录,济南大学理学院,yyyy-M-,第六章 光的吸收 色散和散射,6.1,光的吸收,6.1.1,吸收定律与复折射率,6.1.2,吸收与波长的关系,6.2,光的色散,6.2.1,色散概念及其规律,6.2.2,光的相速与群速,6.3,光的散射,6.2.2,瑞利散射 米氏散射,和,大粒子散射,6.2.2,拉曼散射,廷德尔散射,6.1,光的吸收,6.1.1,吸收定律与复折射率,一、吸收定律,光的吸收,光通过介质后出现的出射光强小于入射光强的现象。,设光通过厚度为,d,x,的介质层时，光强由,I,减少为,I,+,d,I,，,d,I,0,，光强的相对减少量与吸收层的厚度成正比。,1,.布格-朗伯定律,为吸收系数。,设,x,=0,时,I,=,I,0,。对上式积分得,光强按指数规律衰减，该式就是,布格-,朗伯定律,的数学描述。,定义：,I,0,I,I,d,I,d,x,x,x,+,d,x,l,x,（1729年布格发现,1760年朗伯描述）,2,.比尔定律,实验表明：,在浓度较低的溶液中，吸收系数,与溶液浓度,C,成正比，,=,A,C,。,A,为与溶液浓度,C,无关的常数，表征物质的分子特性。,于是朗伯定律可书为,（比尔定律）,二、吸收与介质折射率的关系,复折射率,在不考虑介质对光的吸收时,光学介质的折射率为,此时平面波在介质中的行波方程（波函数）为,当考虑介质的吸收时，波在介质中传播振幅要衰减。折射率应视为复数：,吸收系数为,振幅衰减系数。,行波方程则书为,非吸收部分表示相速和色散,对比,表示介质吸收,6.1.2,吸收与波长的关系,一、一般吸收与选择吸收,一般吸收：,值很小且不随波长发生明显变化，即呈现所谓,“,透明,”,状态。,选择吸收：,值很大且随波长发生急剧变化，即呈现,“,不透明,”,状态。,除了真空以外，吸收普遍存在于一切介质中，任何介质都可发生两种类型的吸收，关键取决于波长。,选择吸收是电磁波与物质相互作用的普遍规律，而一般吸收只具有相对意义。,二、吸收光谱,吸收光谱,产生连续光谱的光源所发的光，在通过介质后产生吸收所形成的光谱。,线状光谱,在吸收光谱中出现了,吸收线,。,带状光谱,在吸收光谱中出现了,吸收带,。,水的吸收光谱,原子气体,吸收一般为线状光谱，且吸收线的位置恰好是该气体发射光谱的谱线位置！,固体、液体、分子气体,吸收一般为带状光谱。,同一物质发射光谱和吸收光谱之间存在相当严格的一一对应关系。,即：某种物质自身发射哪些波长的光，它就强烈地吸收那些波长的光。,几种物质较强的夫琅和费吸收谱线,6.2,光的色散,6.2.1,色散概念及其规律,一、色散的概念,色散,光通过介质时，传播速度随光的频率而变化，而不同波长的光具有不同的折射率的现象。,色散曲线,折射率随波长变化的曲线。,色散率,（折射率随波长的变化率）。,二、正常色散,折射率,n,与波长,的关系是很复杂,的，所以色散曲线一般由实验测得。,几种常见光学材料的色散曲线,正常色散时折射率随波长的增加而单调下降,正常色散的经验公式,（柯西公式,经验公式）,一般取前两项，近似为,微分上式得介质的色散率为,一切无色透明介质在可见光区域均表现为正常色散。,（使用中取前两项已足够精确）,（波长越长色散率越小）,三、反常色散,反常色散,某些波长段折射率出现随波长增大而增大的现象。,反常色散同样是物质的普遍性质（,反常色散不反常,）。,反常色散与选择吸收密切相关,，即发生于物质的选择吸收波段附近。,描述反常色散下,n,与,的经验公式为,塞耳迈耶尔方程,A,常数；,0,介质分子固有振动的波长。,石英晶体在红外区域中的反常色散特性曲线,反常色散,某种物质的全部色散曲线,6.2.2,光的相速与群速,相速与群速的概念,理想平面单色波的行波方程为,式中,v,为波速，称之为相速度，等相面（相位相同的点构成的面）的速度，等相位点往前推进的速度。,相速度是单色波所特有的一种速度。,实际光波是多个单色波的叠加，故绝对单色波不存在。,实际光波在真空中（无色散的介质中）传播时，各单色光以相同的速度传播，都等于相速度。,光在真空传播时，各单色波的合成波波形保持不变,实际光波在有色散的介质中传播，各单色光不会以相同的速度传播。,合成波（波群）的波形在传播过程中发生形变,其现象和前面讨论过的光学拍现象相似。,E,1,t,E,2,t,E,t,群速度,等,幅面（包络面上相同点构成的面）的传播速度。,仍以光学拍现象讨论（结果可推广）,等幅面：,等相面：,两式两边微分得,群速度,相速度,在真空中群速度等于相速度,群速度可以超光速,6.3,光的散射,光的散射,光通过某些介质（光学性质不均匀）时，在偏离正常传播方向上有光出射的现象。,光学性质不均匀：,介质中的杂质微粒或介质本身的不均匀结构或分子的涨落。,产生散射的原因可用次波叠加原理解释。,散射可改变入射光的光强空间分布、偏振态或频率,频率不改变的散射有：,瑞利散射、米氏散射、廷德尔散射。,频率改变的散射有：,拉曼散射、布里渊散射。,6.3.1,瑞利散射、米氏散射及廷德尔（大粒子）散射,一、瑞利散射,瑞利散射发生于混浊介质中。原因是在均匀介质中包含许多线度比波长更小的、折射率不同的其他物质的微粒。,散射可使光强减小，光强衰减由下式决定,为,散射系数；,+,为衰减系数。,为吸收系数；,瑞利散射有以下特点：,1,.,散射光的波长与入射光的波长相同,（光频不变的散射）。,2,.,散射光的强度与波长的四次方成反比。,瑞利散射定律,3,.,散射光的光强（自然光入射）,（,方向的光强）,指的是观察方向与入射方向的夹角。,I,/2,表示与入射光垂直方向的光强。,散射的光强是角度,的函数,散射光方向,蔚蓝色的天空是空气分子涨落引起的瑞利散射,4,.,自然光入射时，各方向的散射光一般为部分偏振光，在垂直入射光方向上的散射光为线偏振光，沿入射光方向或其逆方向的散射光仍为自然光。,白光通过浑浊物质时，沿,x,方向，散射光呈青蓝色，沿,z,方向，散射光呈红色,(,缺少青蓝色,),。,实验,炎炎夏日，很多人外出都戴上太阳镜。有一种太阳镜叫偏光镜，利用了什么原理？有没有鉴别偏光太阳镜的简便方法？,二、米氏散射及廷德尔（大粒子）散射,当粒子的限度接近或大于光波波长时，瑞利散射规律不再成立。,当粒子的线度,a,与波长,差不多时，这样的散射称为米氏散射,.,（,a,/,在,0.1-10,m,之间）,散射光的光强随波长的减小而逐渐减弱,米氏散射与天空的景象,米氏散射理论在大气光学中占重要地位，,它是人工降雨的理论基础。,也就是说，当,a,/,增大到一定程度以后散射光强强度随该比值的增大出现起伏，交替的出现极大和极小值，起伏的幅度随比值的增大而逐渐减小。,当粒子足够大时，散射光的光强与,基本无关，这种散射称为廷德尔散射,大粒子散射。,6.3.2,拉曼散射,当光通过介质时，散射光中除有原入射光频率之外，又出现在入射光频率两侧对称分布的新的频率的现象，称为,拉曼散射,或,联合散射,。,拉曼散射的主要特征：,1,.,在频率为,v,0,的原始入射谱线,(,称为瑞利谱线,),两侧还有频率为,v,0,v,1,，,v,0,v,2,等散射谱线,(,拉曼谱线,),v,1,、,v,2,等称为拉曼频率。,在长波一侧的称为,红伴线,(,v,0,-,v,1,),或,斯托克斯线,。,在短波一侧的称为,紫伴线,(,v,0,+,v,1,),或,反斯托克斯线,。,2,.,瑞利谱线和拉曼谱线总是同时出现，相应的散射光强，前者比后者大约高三个数量级。,3,.,拉曼频率与入射光频率无关，它等于分子的固有振动频率。一般在红外波段。,Thank You!,济南大学物理学院,普物教研室,