物理光学资料

第8章光的吸收、色散和散射1第8章光的吸收、色散和散射光在介质中传播的过程是光与介质相互作用的过程。光的吸收、散射和色散是光与物质相互作用表现。本章利用经典电磁理论对光吸收、散射和色散的作出初步解释，并介绍这些现象的实验规律及其应用。第8章光的吸收、色散和散射2第8章光的吸收、色散和散射光与媒质的相互作用(各向同性)单色光在均匀、透明介质中的传播单色无色散(、、为常数）均匀无散射(、、与空间坐标无关)透明无吸收（=0,、为实数）DEBHJE第8章光的吸收、色散和散射3第8章光的吸收、色散和散射光通过物质时，其传播情况会发生变化：光强随光在物质中的传播距离而减弱部分光能被物质吸收转化成物质的内能部分光能被物质散射偏离原传播方向（还可能伴有偏振态、光谱成分的改变）光在物质中的光速小于真空中的速度，且随频率变化而变化，即光的色散。光在各向异性物质中偏振状态发生变化第8章光的吸收、色散和散射4第8章光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射三者间既有区别又有联系由光和物质相互作用引起的。能提供物质的结构信息。光与物质相互作用是一个微观过程量子理论描述（严格，复杂）经典电子论描述（定性或半定量，简单直观说明主要现象）第8章光的吸收、色散和散射5第8章光的吸收、色散和散射洛仑兹(Lorentz)电子论将光与物质相互作用视为光与电偶极子的相互作用，电偶极子在电场（光矢量）作用下作受迫阻尼振动，并产生次级辐射。利用这种极化辐射模型可解释光的吸收、色散和散射，比较粗浅，但能较为简单而直观地说明问题。第8章光的吸收、色散和散射6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8.2光的吸收8.3光的色散8.4光的散射第8章光的吸收、色散和散射78.1光与物质相互作用的经典理论8.1.1经典理论的基本方程8.1.2介质的复折射率第8章光的吸收、色散和散射88.1.1经典理论的基本方程洛仑兹电偶极子模型把原子或分子的体系视为电偶极子，电子受到一个准弹性力(束缚力)作用被维系在其平衡位置附近，还受到与电子的速度成正比的一个阻尼力，电子在入射光场的周期性驱动力（强迫力）的作用下作受迫振动（极化），从光波中吸收能量，并发出与入射光同频率的次波（辐射）。第8章光的吸收、色散和散射98.1.1经典理论的基本方程光与物质相互作用经典理论的基本方程根据牛顿第二定律，电子的运动方程为其中，右端的三项分别为电子受到的强迫力、准弹性力和阻尼力；r为电子离开平衡位置的位移，f是弹性系数，g是阻尼系数，E是入射光场，m为电子的质量,e是电子电荷。22ddddrrmeEfrgtt第8章光的吸收、色散和散射108.1.1经典理论的基本方程引入阻尼系数固有振动频率电子的运动方程可表示为求解这个方程得到电子在入射光作用下的位移r，由此求出极化强度Ｐ，从而求得介质的极化率c。gm0fm2202ddddrreErttm第8章光的吸收、色散和散射118.1.1经典理论的基本方程单位体积内的平均电偶极矩(极化强度)其中，e是电子电荷，N为单位体积内的分子数。r是电子在光波场作用下离开平衡位置的距离。由求得电极化率cPNpNer0PEc第8章光的吸收、色散和散射128.1.2介质的复折射率在入射光作用下，设电子运动方程设稳态解为代入上方程得：expEEzit2202ddddrreErttm0exprrit2exp()()exp()/oiriteEzitm20(-)第8章光的吸收、色散和散射138.1.2介质的复折射率由上式得到电子在光场作用下的稳态位移r为r(t)为一复数，表明电子的受迫振动与入射光振动有的相位差，这是存在损耗的结果。220expemrEziti第8章光的吸收、色散和散射148.1.2介质的复折射率由上式可得极化强度的表示式（＊）另一方面，极化强度与电场有以下关系（＊＊）2220expNemPEziti0PEc第8章光的吸收、色散和散射158.1.2介质的复折射率比较以上两式可以得到描述介质极化特性的电极化率c为令有当不考虑介质的阻尼（＝0）时，c＝0，即c为实数。22201Nemiciccc22202222200Nemc22222200Nemc第8章光的吸收、色散和散射168.1.2介质的复折射率复折射率，令有表明n与η是相互联系着的，且都是光频率的函数。222200111rNenmicnni22222022222001Nenm222222002Nenm第8章光的吸收、色散和散射178.1.2介质的复折射率沿z方向传播的光波可表示为相应的光强为00000expexpexpEzEiknzEkziknz200exp(2)IEzIkz第8章光的吸收、色散和散射188.1.2介质的复折射率复折射率的物理意义复折射率描述了介质对光传播特性(振幅和相位)的作用，其中实部n是表征介质影响光传播的相位特性的量，为通常意义的折射率，n随频率（或波长）而变，描述光在介质中传播的色散特性；虚部η表征了光在介质中传播时振幅（或光强）衰减的程度，通常称为消光系数,描述光在介质中传播的吸收特性。第8章光的吸收、色散和散射198.1.2介质的复折射率以上结果表明：当束缚电子的振荡受到阻尼作用时，必将导致极化强度P(t)与电场强度E(t)之间存在相位差，因而介质体内必有极化损散，这便使光波能流衰减而转化为原子体系的热能。第8章光的吸收、色散和散射208.1.2介质的复折射率在弱极化情况下，例如，对于稀薄气体，有,则1111+1222incccc1c2220222220011122Nenmc22222200122Nemc第8章光的吸收、色散和散射218.1.2介质的复折射率-ω曲线为光吸收曲线，在固有频率ω0附近，介质对光有强烈的吸收（共振吸收）；n-ω曲线为色散曲线，在ω0附近区域为反常色散区，而在远离ω0的区域为正常色散区。可见色散与吸收之间有密切的联系。第8章光的吸收、色散和散射228.1.2介质的复折射率当物质中有多种电偶极子时，有多个固有频率，复折射率的表达式为上式表明，对于一般介质，在全波段范围内有多个吸收带。22220011jjjjjjNenmi第8章光的吸收、色散和散射238.1.2介质的复折射率介质在整个波段内的色散特性曲线第8章光的吸收、色散和散射248.1.2介质的复折射率关于色散和吸收的经典理论是一个半唯象的定性理论，复折射率的表达式在形式上是正确的，光的量子理论也将给出同一形式的表达式，只是对ω0j、Nj、j等参量的理解与经典理论有所不同。22220011jjjjjjNenmi第8章光的吸收、色散和散射258.2光的吸收光在均匀介质中传播时，部分光能被吸收而转化为介质的内能，使光的强度随传播距离(穿透深度)增长而衰减的现象称为光的吸收。研究光吸收的意义在光纤通信中，总是希望对光的吸收越小越好。光泵浦的激光器、光电探测等中利用光吸收。第8章光的吸收、色散和散射268.2光的吸收8.2.1光吸收定律8.2.2一般吸收与选择吸收8.2.3吸收光谱8.2.4多光子吸收(了解)第8章光的吸收、色散和散射278.2.1光吸收定律朗伯（Lanbert）定律光强为I0的单色平行光束沿x方向照射均匀介质并在其内传播，如图所示,通过厚度为l的介质后,出射面的光强则为其中，a称为介质对单色光的吸收系数，与光强无关（线性吸收）。0expaIIlddaIIx第8章光的吸收、色散和散射288.2.1光吸收定律比较朗伯定律与洛仑兹电子论结果可得吸收系数与消光系数的关系由此可知，吸收系数也是波长的函数。朗伯定律可表示为200exp(2)IEzIkz0042ak004expIIl第8章光的吸收、色散和散射298.2.1光吸收定律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，只能是对某些波长范围内的光透明，对另一些范围的光不透明，故吸收是物质的普遍性质。从能量的角度来看，吸收是光能转变为介质内能的过程。第8章光的吸收、色散和散射308.2.1光吸收定律线性吸收与非线性吸收若a与光强无关，则称为线性吸收。朗伯定律只对线性介质成立。在强光作用下某些物质的吸收系数a变成与光强有关，这时吸收成为非线性吸收，朗伯定律不再成立，光与物质的非线性相互作用过程显现出来。第8章光的吸收、色散和散射318.2.1光吸收定律比尔（Beer）定律对于气体或溶解于不吸收的溶剂中的物质．吸收系数a正比吸收物质的浓度c，朗伯定律可表示为比尔定律只是在分子的吸收与分子间的相互作用无关时才成立。只适用于稀薄气体和低浓度溶液。在比尔定律成立的范围内可由该定律分析溶液的浓度。0expIIAcl第8章光的吸收、色散和散射328.2.2一般吸收与选择吸收吸收系数与波长的关系介质对某一波段的光吸收很少且具有随波长变化不大的吸收称为一般吸收，例如，不含杂质的玻璃，对可见光的各波长成分都有几乎相同的吸收。介质对光吸收强烈且随波长变化显著称为选择吸收，例如，空气中的臭氧分子对波长小于300nm紫外光有强烈吸收。也正是由于各种物质的选择吸收，人们才能看到五彩缤纷的世界。第8章光的吸收、色散和散射338.2.2一般吸收与选择吸收在电偶极子固有频率ω0附近是选择吸收带，在远离ω0区域为一般吸收。在整个电磁波谱内，都存在一般吸收和选择吸收。具有连续光谱（白光）通过选择吸收介质后，用光谱仪可观察不同波长的光被吸收的谱线（吸收光谱）。吸收光谱能反映成份特征，用作成份分析。第8章光的吸收、色散和散射348.2.2一般吸收与选择吸收每一种原子都有自己独有的能级结构，相应地也具有自己特有的吸收谱线，可以称为该元素的特征谱线或标识谱线，犹如人的指纹一样各不相同。利用这些特征谱线可以根据物质的光谱来检测它含有何种元素，这种方法为光谱分析。光谱分析是分析物质成份和含量的一种重要手段。第8章光的吸收、色散和散射358.2.2一般吸收与选择吸收同一物质的发射光谱与吸收光谱有严格的对应关系。一种物质在较低温度下吸收光谱中的暗线与它在较高温度下发射光谱中的亮线位置相对应，这说明如果物质在较低温度下吸收某一波长的光，则在较高温度下也辐射同一波长的光。第8章光的吸收、色散和散射368.2.2一般吸收与选择吸收几种光学材料的透光波段在制造光学仪器时，必须考虑光学材料的吸收特性，选用对所研究的波长范围是透明的光学材料制作元件。光学材料波长范围/nm光学材料波长范围/nm冕牌玻璃3502000萤石(GaF2)1259500火石玻璃3802500岩盐(NaCl)17514500石英玻璃1804000氯化钾(KCl)18023000第8章光的吸收、色散和散射378.2.2一般吸收与选择吸收大气层在l15m红外光的透过率随波长变化曲线。利用“大气窗口”进行遥感、遥测地球资源以及红外遥感、红外跟踪、红外制导、红外导航等。第8章光的吸收、色散和散射388.2.3吸收光谱激光工作物质钇铝石榴石(YAG)的吸收光谱如图所示。为了提高激光器的能量转换效率，应选择泵浦光源的发射谱与激光工作物质的吸收谱匹配。第8章光的吸收、色散和散射398.2.4多光子吸收光吸收线性吸收（单光子吸收）非线性吸收（多光子吸收）在强光作