光学教程(姚启钧)第6章光的吸收散射和色散.ppt

1 6 1电偶极辐射对反射和折射现象的解释 6 2光的吸收 6 3光的散射 6 4光的色散 6 5色散的经典理论 第六章光的吸收 散射和色散 2 吸收 散射 色散 光的 三种现象都是光与物质的相互作用引起的 是不同物质光学性质的主要表现 实质上是由光和原子中电子相互作用引起的 对这些现象的讨论 有助于给我们提供原子和分子结构的信息 光的吸收和散射都造成光能量的衰减 在光纤通讯中减小介质的衰减乃是成功的关键技术之一 三种现象既与生活中的许多现象有关 又与现代光学技术的前沿课题紧密相关 例 物体的颜色是因为不同的物质对不同波长的光波有选择的吸收的缘故 蔚蓝色的天空 旭日与夕阳的红色 都是光散射的结果 本章从经典理论出发介绍一些光的吸收 散射与色散方面的知识 3 6 1电偶极辐射对反射和折射现象的解释 1 分子电偶极子模型 经典模型 用一组简谐振子代替实际物质中的分子 电偶极子 由两个电量相等 符号相反的带电粒子所组成 偶极子的正 负电荷原有自己的平衡位置 但在外电场的作用下他们离开了平衡位置 理想模型 假定偶极子之间的相互作用 准弹性力 简谐振动 4 分子电偶极矩 设其在平衡位置附近作简谐振动 并设正电荷静止在坐标原点 电子电量 电子离开原子核的距离 电子振动的圆频率 用球坐标表示电偶极子向周围辐射的电磁波 偶极子的电偶极矩P沿Z轴 波的电矢量E沿经线 磁矢量沿纬线 各处的波都是线偏振的 5 可以证明 其辐射的电磁波 坡印延矢量 能流密度矢量 绝对值 辐射强度 坡印延矢量的平均值 R为观察者离偶极子的距离 6 光在半径为R的球面上各点的位相都相等 且较原点处落后R c 但振幅则随 角而变 这引起波的强度在同一波面上的不均匀分布 I和 之间的关系 赤道面上 两极 振幅 7 2 电偶极子辐射对反射和折射现象的解释 入射光波作用于介质分子 原子 波长入 10 5cm 远大于原子间距 10 8cm 分子是有序排列的 各分子将依次按入射光波到达该分子时的相位作受迫振动并依次发出电磁波 各分子辐射的次波有一定位相关系 根据惠尔斯 菲涅耳原理 次波相干叠加的结果 在符合反射定律和折射定律的方向上 干涉相长 其他方向干涉相消 即合成反射光和折射光波 亦可用分子光学的观点说明布儒斯特定律 略 8 6 2光的吸收 在一个波长范围内 若某种媒质对于通过它的各种波长的光波都作等量 指能量 吸收 且吸收量很小 光通过具有吸收作用的介质后 光的强度会逐渐衰减 一方面的原因是介质对光的吸收 另一方面原因是介质对光的散射引起的 光通过呈现一般吸收性的媒质时 光波几乎都能从媒质透射 因此又可说媒质对这一波长范围的光是透明的 通常所说的透明体 如玻璃 水晶 是指对白光呈现一般吸收性 除真空外 对全部波长范围内的光都透明的物体是不存在的 一般吸收 普通吸收 性 1 一般吸收和选择吸收 9 例如 lcm厚的玻璃板对可见光范围内的各种波长的光波都等量吸收1 即透射光的功率密度为入射光的99 然而玻璃对于波长大于2500nm的光波 或波长在3 5 5 0nm的光波几乎都能完全吸收 因而对于红外线或紫外线来说 玻璃就成为非透明体了 10 虽然橡皮对于可见光来说是一种非透明体 但它对于红外线却是良透明体 选择吸收性 媒质吸收某种波长的光能比较显著 如果不把光局限于可见光范围以内 可以说一切物质都具有一般吸收和选择吸收两种特性 选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因 例如 绿色玻璃是把入射的黄色光和蓝色光吸收掉 只剩下绿色光能够透过去 11 一般吸收 吸收比较弱 基本不随波长而变化 选择吸收 吸收比较强 随波长发生急剧变化 自然界的物质都具有选择吸收 理想的一般吸收不存在 只能在一小段范围内 I 一般吸收区域 选择吸收区域 12 2朗伯定律 光通过物质时 物质中的带电粒子作受迫振动 光波的一部分能量用来供给粒子作受迫振动所需的能量 若物质粒子与其它分子或原子发生碰撞 振动能量就可能转变为分子运动的平动动能 在这种情况下这部分光能量转化为热能 光能量消失 1729年 科学家根据实验建立一个吸收定律 后来 朗伯 J H Lambern 在1760又作了理论上的证明 在介质中传播距离 朗伯定律 光能减少值 吸收系数 13 用单色光照射时 a可以认为是不变的 右边的负号表示x增加 dx 0 时 I减弱 dI 0 将上式积分 即可求出在通过厚度为d的吸收层后的光强 朗伯定律的数学表达式 14 例如在一个大气压强下 空气对可见光的 玻璃对可见光的 即光通过 的空气 光强为 光通过102cm 1m的玻璃 光强即降到入射光强的36 此规律在光的强度变化非常大的范围内 约1020倍 都是正确的 15 适用范围 线性光学领域 光强不能太强 实验证明 当光被透明溶剂中溶解的物质所吸收时 吸收系数与溶液的浓度C成正比 A为一个与浓度无关的比例常数 表征吸收物质的分子特性 比尔定律 代入朗伯定律得 如果光强太强 如用激光 则光与物质的非线性相互作用过程显示出来了 在非线性光学领域内 吸收系数将和其它许多系数 如折射率 一样 依赖于电 磁场或光的强度 朗伯定律不再成立 适用范围 溶液浓度不能太高 这时每个分子的吸收本领不受周围分子影响时比尔定律才能成立 应用 可根据 a测定溶液的浓度 这就是吸收光谱分析的原理 16 3吸收光谱 一般地讲 固体和液体选择吸收的波长范围较宽 称之为吸收带 而稀薄气体选择吸收的波长范围很窄 表现为吸收线 钠的吸收光谱 朗伯定律是吸收光谱的基本原理 入射的有连续波长分布的光 透过物质后 在选择吸收区域 在有些波长范围被强烈吸收 形成吸收光谱 反映原子 分子结构特征 原子光谱 红外光谱 大气窗口 空间遥感探测 气象等研究 17 问 天空为什么是蓝的 旭日和夕阳为什么是红的 而中午的太阳看起来又是白的 云为什么是白的 如果没有空气 天空又会是什么样的呢 6 3光的散射 1光的散射现象 当光束通过均匀的透明介质时 从侧面是难以看到光的 但当光束通过不均匀的透明介质时 则从各个方向都可以看到光 这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果 这种现象称为光的散射 例如 当一束太阳光从窗外射进室外内时 我们从侧面可以看到光线的径迹 就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故 18 光的吸收和散射都使原来传播方向上的光减弱 也遵从下列负指数规律 a为散射系数 s为吸收系数 a s称为衰减系数 散射的分类 按入射光的频率是否发生改变分类 19 按物质不均匀的性质分类 2 分子散射 纯净物质由于分子热运动造成密度统计性涨落 而产生光的散射现象 1 悬浮物质散射 烟雾 尘埃 悬浮液 乳浊液 质点的线度 入 质点的无序排列 破坏次波相位关系 形成散射光 按散射光强与入射光波长的关系来分类 2 米氏 G Mie 或丁达尔 J Tyndall 散射 物质点线度 入 不遵从瑞利的入4反比律 1 瑞利散射条件 分子散射或悬浮物质点线度 入 例如在胶体 乳浊液以及含有烟 雾或灰尘的大气中的散射 20 2 散射和反射 漫射和衍射现象的区别 反射 理想界面 物体线度远大于波长 漫射 非理想界面 可看成许多无规小镜面 向各方向反射 衍射 个别不均匀区域造成的 线度可与光的波长相比拟 散射 大量 无规则排列 不均匀小区域集合造成的 线度可比光的波长小 且小区域间发生不相干叠加 21 把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射 称为瑞利散射 Rayleighscattering 瑞利散射不改变原入射光的频率 3瑞利散射 瑞利散射时 由于蓝光波长较短 其散射强度就比波长较长的红光强 因此散射光中蓝光的成份较多 22 注意画面上的香火形成的烟雾呈现出一种浅蓝色这是由于组成烟雾的炭粒子线度非常小 由这些烟雾产生的散射光符合瑞利散射的条件 因此散射光中的蓝光成份比红光成份强得多 我们平时所说的 袅袅青烟 说是就是这种瑞利散射所产生的现象 天空为什么是蓝的 旭日和夕阳为什么是红的 而中午的太阳看起来又几乎是白的 云为什么是白的 23 而在早晨或者黄昏 由于阳光照射时要穿过比中午时更长距离的大气层 更多的蓝光被散射因此太阳看上去就会是偏红色的 24 较大颗粒对光的散射不遵从瑞利的 的四次方反比律 此时为Mie散射 散射光强与波长关系不大 Mie散射或丁达尔散射和瑞利散射的规律不同 是否看到蓝天白云的根本原因 25 黄山风景山中的雾气实际上是悬浮在空气中的小液滴 是一种很理想的散射源 由于液滴的尺寸比光波波长大得多 主要是Mie 丁达尔 散射 散射光呈白色 26 在空气条件好即空气比较洁净 悬浮尘埃较少时 主要是瑞利散射 散射光中蓝色成份较多 这就是我们看到的蓝天白云 而在一些城市里 特别是大气污染较严重的大城市里 由于空气中充满了线度较大的悬浮尘埃粒子 此时的散射光有很大一部分是丁达尔散射产生的呈白色 因此天空就是白茫茫的 白云是大气中的水滴组成的 这些水滴的半径与可见光的波长相比已不算太小了 瑞利定律不再适用 按米散射理论 这样大小的物质产生的散射与波长的关系不大 这就是云雾呈白色的缘故 27 一幢大楼晚上楼顶上的几束强光刺破夜空 能看到这几道光束 就是散射的作用 如果城市上空的空气不干净 悬浮尘埃越多 散射就越强 光束就会显得很亮 反之 光束就会显得很淡 如果晚上基本上看不到这几道光束了 也许白天城市就会有蓝色的天空了 如果没有空气 天空又会是什么样的呢 28 4散射光的偏振性 如图示 自然光沿z方向入射 P处发出的不同方向的偶极辐射有不同的偏振情况 例如沿PB方向观察到的只是部分偏振光 其偏振度随 角而变 天空大气散射的日光就是部分偏振光 自然光入射 透射光 自然光 正侧散射光 线偏振光 其它方向 部分偏振光 蜜蜂眼睛可以感知光的偏振性 它们正是利用大气对阳光的散射光的偏振特性 自身的生物钟准确回巢的 退偏振 上述偏振是对于各项同性的物体对光的散射 但自然光经过各项异性的物体要复杂的多 例如 线偏振光的经各项异性物体散射后从侧向观察散射光是部分偏振性的 这种现象称为退偏振 29 设自然光的强度为I0 沿x轴正向传播 可看作沿y轴方向和z轴方向两个振幅相等无固定位相关系的振动分量的不相干叠加 5散射光的强度 从OC 在xoz内 方向观察 散射角为 有 分子沿y轴方向振动时 分子沿z轴方向振动时 30 6 4光的色散 1672年牛顿首先利用三棱镜的色散效应把日光分解为彩色光带 他还曾利用正交叉棱镜法把色散曲线非常直观的显示出来 色散 光在媒质中的传播速度v 或n 随波长 而异的现象 称为色散 31 棱镜P1和P2的棱边相互垂直 从S发出的白光经透镜L1变为平行光束 通过P1后沿水平方向偏折 如果在光路中不放置棱镜P2 光束由P1经透镜L2后将在幕上形成水平的彩色光带ab 插入棱镜P2时 各色光束还要向下偏折 但偏折程度随波长而异 于是幕上显现倾斜的光带a b 如果制做棱镜P1和P2材料的色散规律 即n与 的依赖关系 不同 倾斜光带将是弯曲的 它形象直观地反映了两种材料色散性能的差异 32 色散曲线 折射率n与波长 之间的依赖关系曲线 凡在可见光范围内无色透明的物质 它们的色散曲线形式上很相似 其间有许多的特点 如n随 的增加而单调下降 且下降率在短波一端更大等等 这种色散称为正常色散 1836年柯希 A L Cauchy 给出一个正常色散的经验公式 柯希方程 正常色散的色散曲线 33 上述规律表明 正常色散时n随 的增加而趋于某一极限 色散率dn d 0 其绝对值随 的增加而减小 正常色散的色散曲线 对上式求导 可得到材料的色散率为 式中a b c是与物质有关的常数 其数值由实验数据确定 其中 是真空中的波长 当 变化范围不大时 柯希公式可只取前两项 即 34 正常色散曲线的特点 波长越短 折射率越大 波长越短 dn d 越大 色散率也越大 在波长一定时 不同物质的折射率越大 dn d 也越大 不同物质的色散曲线没有简单的相似关系 正常色散的色散曲线 35 反常色散 在吸收波段附近和吸收波段内物质所表现出的与科希公式推断的结果不同的色散 称为反常色散 孔脱定律 反常色散总是与光的吸收有密切联系 36 反常色散 的名称是历史沿用下来的 其实反常色散是任何物质在吸收线 或吸收带 附近所共有的现象 本来无所谓 正常 和 反常 1871年 W 塞耳迈耶尔用弹性以太理论导出了新的色散公式 它比柯西公式更普遍 不仅解释了吸收带附近的色散现象 而且在远离吸收带时就简化成柯西公式 H A 洛伦兹根据由他创立的电子论也导出了塞耳迈耶尔色散公式 色散的严格理论解释需用量子力学 利用介质的色散性质可制成色散器件 把复色光分解成光谱 但另一方面 色散是成像元件产生色像差的原因