崔宏滨《光学》9甲型光学第九章光的吸收、色散和散射

第9章光波与物质的相互作用光的吸收光的色散光的散射光在介质中的非线性效应9.1光的吸收•一、线性吸收规律•光强不是很大时，被吸收的能量、即被吸收的光强，与吸收体的厚度成正比。0II0dIIdIdxddIIxddIxIxeII0吸收系数Bougure定律(1729)或Lambert定律(1760)对于溶液ACC浓度Beer定律（1852年）二、吸收的数学表示•平面光波的表达式•由于吸收，光波的振幅随距离衰减2()00inxikxtitUAeAee20inxxitUAeee2()0inxitAee20inxitAee(1)nni2(1)0inixitUAee复折射率2()0inixitAee4422000nxnxxIUAeIeIe4n光强复折射率的虚部反映了由于介质对波的吸收而引起的衰减三、吸收系数与波长的关系•1、普遍吸收：吸收系数与波长无关，吸收后所有成分的光强改变。•这种情况实际上是不存在的，有一些物质仅仅对某一波段的光波均匀吸收•例如可以认为纯净的空气和玻璃对可见光普遍吸收，即白光经过后颜色不变。•2、选择吸收：介质对不同波长的光有不同的吸收系数，α＝α（λ）•白光经过一定厚度介质之后，吸收系数随波长变化暗线吸收光谱单色仪入射光（白光）吸收体（样品）透射光入射狭缝出射狭缝光电探测器记录仪器I吸收光谱ddIIx选择吸收反映了物质的能级结构•介质中的原子吸收入射光，发生跃迁•能级间隔与入射光子能量匹配，受激吸收带状谱线状谱吸收带I孤立原子固体中稀土离子分立能级凝聚态物质能带I吸收线大气窗口与温室气体•大气层对不同波段的电磁辐射选择吸收大气层对电磁辐射的吸收曲线红外窗口•在红外波段，大气层呈现明显的选择吸收•某些红外辐射可以穿透大气层，被称作红外窗口•红外窗口对地球保持适宜的温度至关重要•如果红外窗口变小，则由于红外辐射难以通过大气层，会导致地球温度上升。•这就是温室效应（Greenhouseeffect）温室效应大气和地面的太阳辐射谱PatternofabsorptionbandsgeneratedbyvariousgreenhousegasesandtheirimpactonbothsolarradiationandupgoingthermalradiationfromtheEarth'ssurface.Notethatagreaterquantityofupgoingradiationisabsorbed,whichcontributestothegreenhouseeffect.温室气体•大气层中吸收红外辐射的气体中要有：•水蒸汽（H2O）、二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氟氯化碳（CFCs）、全氟碳化物（PFCs）、氢氟碳化物（HFCs），含氯氟烃（HCFCs）及六氟化硫（SF6），等等•温室效应中，各种气体的作用各不相同，其中水气36~70%，二氧化碳9~26%，甲烷4~9%，臭氧3~7%地球变暖•工业化之后温室气体的增加气体工业化之前当前自1750年来增量辐射强度(W/m2)CO2280ppm387ppm104ppm1.46CH4700ppb1,745ppb1,045ppb0.48N2O270ppb314ppb44ppb0.15CFC-120533ppt533ppt0.172000年各地区人均温室气体排放量2000年各地区温室气体密度分布2000年各地区人均CO2排放量2000年各地区温室气体排放量物体的颜色•物体由于对光的吸收不同，而呈现出不同的颜色•发光体由于辐射波长范围的不同，也呈现出不同的颜色色坐标与色度学光与色色光加色混合法颜料減色混合法CRT三基色荧光粉发射光谱3+23AlO:Cr3+3+23AlO:Fe,Ti3+3+23AlO:Fe,NiAu23AlO刚玉红宝石蓝宝石黄色白宝石三基色相加混合红＋青＝白红＋绿＝黄蓝＋黄＝白绿＋蓝＝青绿＋品红＝白红＋蓝＝品红红＋绿＋蓝＝白彩色显示器显示单元XYZ色度图red(●)+green(●)=yellow(●)green(●)+blue(●)=cyan(●)blue(●)+red(●)=magenta(●)Light(RGB)Pigment(CMY)Cyan(●)+magenta(●)=blue(●)Magenta(●)+yellow(●)=red(●)yellow(●)+cyan(●)=green(●)Light(RYB)red(●)+yellow(●)=orange(●)yellow(●)+blue(●)=green(●)blue(●)+red(●)=violet(●)基色、二级色、三级色9.2光的色散•光在媒质中的传播速度或折射率随波长改变，称为色散。•不是由于衍射而引起。vv())(nnddn色散率色散规律牛顿正交棱镜实验n不同介质的色散曲线牛顿正交棱镜实验λn色散曲线•正常色散的科希公式（经验公式）42CBAn通常可以取前两项2BnAA，B，C是与材料有关的常数吸收带在吸收带中，光不能通过，无法测折射率光的色散在这一区域的表现被称为反常色散n反常色散吸收和色散的经典理论•当电荷的运动速度、方向改变时，将会产生交变电场、并向外辐射电磁波•原子、分子核外电子都被束缚在原子附近。在外场的作用下，正负电中心分离，介质被极化，形成电偶极子。•将电偶极子作为弹性振子处理，电偶极子在入射光电场的作用下，将会作受迫振动，并辐射出电磁波。这就是经典的受激原子发光的洛仑兹模型。电偶极子的极化•电偶极子在外场的作用下做受迫振动mgkexxxE20emExxx阻尼项02201e()itemiEx极化强度NZePx0PE极化率相对介电常量22200111()rZNemi折射率22220011()rZNenmi折射率2222202222222200001()()()()ZNeZNenimm复折射率2222(1)2nnin(1)nni实部虚部222220222200(1)1()()ZNenm222222002()()ZNenm222202222001()()ZNenm1在损耗很低的情况下介质的折射率可能大于1，也可能小于1，甚至可能是负值001nn随着ω增加而增加，正常色散区域0共振吸收22222001(1)1ZNenm01nn随着ω增加而减小，反常色散区域X射线在介质中的折射率小于19.3光的散射•光在不均匀媒质中产生散射。•介质中的带电粒子都对入射的光波进行散射•如果粒子均匀分布，则所有散射波叠加的结果，只剩下沿入射方向的光波。•所以，对于均匀分布的介质，不必计入散射。散射的分类•悬浮质点的散射分子散射•散射定律•瑞利散射：当散射体的尺寸小于波长时，散射光强∝(1/λ)4•米—德拜散射：散射体颗粒度远大于波长时，散射光强对波长的依赖性不强。ka4k瑞利区米氏区散射几率0.010.111010023.0a3.02kaaRayleighScatter3.0kaMie-DebyeScatter大气层的瑞利散射天空的颜色•直视太阳，进入眼睛的主要是被大气散射之后透射过来的光•巡视天空，进入眼睛的是阳光经大气散射之后的光日落处变红，远处天空蓝色，都是由于瑞利散射日落，透射光与散射光Coloradosky瑞利散射形成的蓝天摄于内蒙沙漠上空，地平线处白色是由于米·德拜散射散射的方向性•散射光的强度、偏振都与方向有光强光在介质中的非线性电极化效应•入射光强较大，介质中线形关系不再成立(1)(2)(3)(1)(2)(3)0[]PEEEEEEPPP•单色强光入射0cosEEt(1)(1)00cosPEt(2)2(2)(2)2(2)200[cos()](1cos2)2EPEEtt•线性电极化强度•二次非线性电极化强度基波二次谐波和频与差频•两列不同频率的强光入射(2)(2)2(2)2011022[coscos]PEEtEt(2)2222011010212022(cos2coscoscos)EtEEttEt22(2)010212[(1cos2)(1cos2)]22EEtt(2)01021212[cos()cos()]EEtt1011cosEEt2022cosEEt•二次非线性电极化强度二倍频成分和频成分差频成分倍频晶体与二次谐波装置相位匹配