光的吸收色散和散射 (2)优秀课件
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物理光学课件：1_4光的吸收色散和散射
正常色散：dn/d<0，出现于介质的一般吸收光谱区域 反常色散：dn/d>0，出现于介质的选择吸收光谱区域
(2) 准确测定法
利用最小偏向角原理，分别测量出棱镜物质对不同波长单色光的折射
率，从而精确地得到n 曲线。
实验色散曲线
n
重火石玻璃
1.70
1.60
1.50 1.40
0
可见光
轻火石玻璃
水晶 冕玻璃
固有频率0附近的折射率与吸收（经典电子理论）
M
N
在反常色散区ＭＮ内出现 折射率c 2
2
n2
反常色散曲线
特点：折射率随波长的增大而增大，即色散率
dn 0
d
一种物质的全部色散曲线：各波段的正常色散曲线与反常色散 曲线之总和
特点：
图11-29 一种介质的全波段色散曲线
特点： 在选择吸收区，折射率随波长出现突变。在选择吸收区两侧， 折射率随波长迅速变化，并且在长波一侧的折射率远大于短波一侧。 远离吸收区处，折射率随波长的变化表现为正常色散特征。
结论：反常色散并不反常。它反映了介质在选择吸收区及其附近的 色散特征。如果介质在某一光谱区出现反常色散，则一定表 明介质在该波段具有强烈的选择吸收特性。而在正常色散的 光谱区，介质则表现为均匀吸收特性。
(一) 物质对光吸收的一般规律 1 朗伯定律：
设光通过厚度为dx的介质层时， 光强由I减少为（I－dI），则有：
dI = Idx
成立，
积分可得通过厚度为L的介质后的光强 I ，
I0
I dI
l
dx
I I0
0
I I0el
—— 吸收系数, 单位长度上的光强吸收率
这就是布格尔定律或朗伯定律。
(2) 准确测定法
利用最小偏向角原理，分别测量出棱镜物质对不同波长单色光的折射
率，从而精确地得到n 曲线。
实验色散曲线
n
重火石玻璃
1.70
1.60
1.50 1.40
0
可见光
轻火石玻璃
水晶 冕玻璃
固有频率0附近的折射率与吸收（经典电子理论）
M
N
在反常色散区ＭＮ内出现 折射率c 2
2
n2
反常色散曲线
特点：折射率随波长的增大而增大，即色散率
dn 0
d
一种物质的全部色散曲线：各波段的正常色散曲线与反常色散 曲线之总和
特点：
图11-29 一种介质的全波段色散曲线
特点： 在选择吸收区，折射率随波长出现突变。在选择吸收区两侧， 折射率随波长迅速变化，并且在长波一侧的折射率远大于短波一侧。 远离吸收区处，折射率随波长的变化表现为正常色散特征。
结论：反常色散并不反常。它反映了介质在选择吸收区及其附近的 色散特征。如果介质在某一光谱区出现反常色散，则一定表 明介质在该波段具有强烈的选择吸收特性。而在正常色散的 光谱区，介质则表现为均匀吸收特性。
(一) 物质对光吸收的一般规律 1 朗伯定律：
设光通过厚度为dx的介质层时， 光强由I减少为（I－dI），则有：
dI = Idx
成立，
积分可得通过厚度为L的介质后的光强 I ，
I0
I dI
l
dx
I I0
0
I I0el
—— 吸收系数, 单位长度上的光强吸收率
这就是布格尔定律或朗伯定律。
光学双稳态优秀课件
在图中旳S形曲线旳中间部分，对于输入信号旳一 种值，输出有两个稳定值。究竟输出光信号在哪个 状态上，与输入信号旳变化过程旳方向有关。
12/29/2023
17
哈肯为阐明双稳态旳特征而绘制旳一副图。
当你从左向右依次看各个图画时，你会感到，中间旳图象 很像是老翁旳头像。反之，当你从右向左看时，又感到中 间旳图象很像是少女像。
（2）突变性：两状态间旳迅速开关转换，这种两状 态间旳迅速转换特征，起源于正反馈作用。
负反馈指输出起到与输入相反旳作用，使系统输出与系
统目旳旳误差减小，系统趋于稳定；
正反馈指输出起到与输入相同旳作用，使系统偏差不断
增大，造成系统振荡，从而放大控制作用。
12/29/2023
22
为阐明光学双稳态旳原理，假定一种干涉仪内充斥非线性
12/29/2023
18
请注意一下，从左向右看时，你旳感觉在哪副图象上 发生突变（很象少女）。再注意从右向左看时，在哪 副图象上发生突变（象老翁了）。
12/29/2023
19
从左到右和从右到左看上述图画时，你感觉旳两个突变 点显然不同，这正是双稳态旳特征。老翁代表一种稳定 态，少女代表一种稳定态，中间旳态是不稳定旳。
光学双稳态
12/29/2023
1
主要内容
一、非线性光学
二、光学双稳态
（一）光学双稳态旳基本原理 （二）吸收和色散型光学双稳态 （三）光学双稳态器件
12/29/2023
2
一、非线性光学
当光照射物质时，光波电磁场将对物质中旳电子产生作 用，在外电场旳作用下，介质原子成为电偶极子。电偶 极子将随光波旳电磁场旳变化产生振荡。
饱和吸收： E 2
光克尔效应与自聚焦： n n0 n E 2
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哈肯为阐明双稳态旳特征而绘制旳一副图。
当你从左向右依次看各个图画时，你会感到，中间旳图象 很像是老翁旳头像。反之，当你从右向左看时，又感到中 间旳图象很像是少女像。
（2）突变性：两状态间旳迅速开关转换，这种两状 态间旳迅速转换特征，起源于正反馈作用。
负反馈指输出起到与输入相反旳作用，使系统输出与系
统目旳旳误差减小，系统趋于稳定；
正反馈指输出起到与输入相同旳作用，使系统偏差不断
增大，造成系统振荡，从而放大控制作用。
12/29/2023
22
为阐明光学双稳态旳原理，假定一种干涉仪内充斥非线性
12/29/2023
18
请注意一下，从左向右看时，你旳感觉在哪副图象上 发生突变（很象少女）。再注意从右向左看时，在哪 副图象上发生突变（象老翁了）。
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从左到右和从右到左看上述图画时，你感觉旳两个突变 点显然不同，这正是双稳态旳特征。老翁代表一种稳定 态，少女代表一种稳定态，中间旳态是不稳定旳。
光学双稳态
12/29/2023
1
主要内容
一、非线性光学
二、光学双稳态
（一）光学双稳态旳基本原理 （二）吸收和色散型光学双稳态 （三）光学双稳态器件
12/29/2023
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一、非线性光学
当光照射物质时，光波电磁场将对物质中旳电子产生作 用，在外电场旳作用下，介质原子成为电偶极子。电偶 极子将随光波旳电磁场旳变化产生振荡。
饱和吸收： E 2
光克尔效应与自聚焦： n n0 n E 2
光的吸收、色散和散射_图文
一连续光谱的光通过有选择性吸收的介质，然后通过分光仪得到的光谱 就是吸收光谱 与 K(ω)-ω 线一致
§6.2 光的色散
光的色散（分光）现象
由折射定律可知：折射率n是随波长分布的：n（λ） 色散率：单位波长差所产生折射率差，是介质色散程度的度量
（6-21）
或
（6-22）
一、正常色散 折射率随波长增加而减小的色散 ---正常色散
电子离开平衡位置的距离 若单位体积内有N个原子，则单位体积内的平均电偶极矩
（6-2）
2、第二牛顿定律F=ma：受迫振动的电子的运动方程为
受迫力
阻尼力 准弹性力
光波电场强度
将电子振动的运动方程改写为
（6-5）
解方程得
---光与介质相互作用经典理论的基本方程
代入（6-2）式得
由 电极化率 是复数，可写为 并将（6-6）与（6-7）式对照可得
吸收带内为反常色散区 吸收带之间均为正常色散区
钠蒸气由底部向顶部扩散 管内蒸气密度由顶部向底部逐渐增加 这相当于一蒸气棱镜其厚度由上向下增加
分两部分：1）S1，L1，L2，S2 准直聚焦， S1在S2上成像 2）S2，L3，P，L4 分光系统
当管子未加热时，气体均匀 S1的白光成像于S2后， 在分光仪焦面上得一窄的水平光谱带
1、按电磁理论：每个次波的振幅与它频率的平方成正比，光强与振幅成正比 所以散射光强度与频率的四次方成正比
∝∝
∴短波长的光比长波长的光散射更多
解释大气现象： ①为什么天空呈光亮
③中午太阳呈白色
②天空为什么呈蓝色 ④旭日和夕阳呈红色
2、散射光强分布
∝
3、散射光是偏振光
二、米散射 理论尚不成熟，仅适用于导电粒子
§6.2 光的色散
光的色散（分光）现象
由折射定律可知：折射率n是随波长分布的：n（λ） 色散率：单位波长差所产生折射率差，是介质色散程度的度量
（6-21）
或
（6-22）
一、正常色散 折射率随波长增加而减小的色散 ---正常色散
电子离开平衡位置的距离 若单位体积内有N个原子，则单位体积内的平均电偶极矩
（6-2）
2、第二牛顿定律F=ma：受迫振动的电子的运动方程为
受迫力
阻尼力 准弹性力
光波电场强度
将电子振动的运动方程改写为
（6-5）
解方程得
---光与介质相互作用经典理论的基本方程
代入（6-2）式得
由 电极化率 是复数，可写为 并将（6-6）与（6-7）式对照可得
吸收带内为反常色散区 吸收带之间均为正常色散区
钠蒸气由底部向顶部扩散 管内蒸气密度由顶部向底部逐渐增加 这相当于一蒸气棱镜其厚度由上向下增加
分两部分：1）S1，L1，L2，S2 准直聚焦， S1在S2上成像 2）S2，L3，P，L4 分光系统
当管子未加热时，气体均匀 S1的白光成像于S2后， 在分光仪焦面上得一窄的水平光谱带
1、按电磁理论：每个次波的振幅与它频率的平方成正比，光强与振幅成正比 所以散射光强度与频率的四次方成正比
∝∝
∴短波长的光比长波长的光散射更多
解释大气现象： ①为什么天空呈光亮
③中午太阳呈白色
②天空为什么呈蓝色 ④旭日和夕阳呈红色
2、散射光强分布
∝
3、散射光是偏振光
二、米散射 理论尚不成熟，仅适用于导电粒子
第三章(2)光的吸收、色散、散射全解
性质以及周围介质等关系比较复杂。这种散射称 为米氏散射。 例1、白云由大气中的水汽组成，颗粒较大，它产 生的散射与波长关系不大，所以呈白色，属于米 氏散射。 例2、吸烟时，从点燃的烟头冒出的烟是蓝色的， 而从嘴里吐出的烟是白色的。这是由于烟头冒出 的烟颗粒很小，遵守瑞利散射定律，对蓝光散射 厉害。而从嘴里吐出的烟中，含有颗粒较大的蒸 汽团，属于米氏散射，散射光呈白色。
瑞利群速公式
Vg V p λ
dVp dλ
在真空中 V p ( λ ) c
Vg V p c
dV p c dn 2 d n d
dV p c dn 2 >0 d n d
c 在介质中 V p n
dn 在正常色散区 0 dλ
由瑞利群 速公式
Vg V p
dn 2B 3 将上式对求导得： D dλ λ
2、反常色散
在发生强烈吸收的波段，折射率n 随波长的增 加而增大，即dn /d0 。这种现象称为反常色散。
n
P
Q R
S
T
可见光
吸收带
石英的色散曲线
上图反映了物质在吸收区普遍遵从的色散规律。 在吸收区以外仍是正常色散，只是A、B、C等常量 的具体数值并不一定相同。
I
式中负号表示随吸收 层厚度增加光能量减小
O
x x dx x
若x = 0时光强为I0，x = L时光强为I
由积分
II0L 源自I 0 dx II 得： ln I αL 0
αL
朗伯定律
I I 0e
2、比尔定律 实验表明，当光通过透明溶液时，溶液对光 的吸收与溶液的性质及浓度有关，若不考虑溶剂 对光的吸收，稀溶液的吸收系数与溶质在溶液中 的浓度 (书上称质量分数C)成正比。
11-4 光的吸收、色散和散射 物理光学 教学课件
瑞利散射的特点：
1、瑞利散射定律：散射光强与入射波长（频率）的四次方成反比
（正比），即
I 4 1
4
适用于微粒线度在 0.1 以下的情
况
它表明散射光中短波长的光占优势。如天空呈蔚蓝色。
2、散射 cos2
I 是与入射光方向成
上的散射光强。
（二）吸收的波长选择性
1、大多数物质在可见光区的吸收具有波长选择性。
如红玻璃对绿光、蓝光和紫光几乎全部吸收，对红光、橙光 吸收很少，所以白光照射红玻璃时，只有红光能通过，玻璃 呈现红色。
2、物质吸收的波长选择性可用它的吸收系数和波长的关系 曲线表示。
3、物质的吸收线或吸收带的位置即波长值与该物质的发射 光谱线或光谱带的位置一致。
前面的瑞利散射和米氏散射是散射光与入射光频率相同的。而 在纯净液体和晶体内的散射，其散射光中出现与入射光频率不 同的成分，这种散射是喇曼散射，其主要特征是：
1、在与入射光频率 0相同的散射谱线两侧对称分布着频率为 0 1, 0 2 , 强度较弱的散射谱线。 2、频率差 1,2 ,与散射物质的分子的固有振动频率一致， 与入射光频率 0 无关。
布里渊散射：发生在晶体中，光通过由热波产生声波的介质，散 射光频谱中除了包含原来的入射光频率外（瑞利散射），其两侧 还有布里渊双重线。
【例题1】 一根长为35cm的玻璃管，由于管内细微烟粒的散射 作用，使透过光强为入射光强的65%，待烟粒沉淀后，透过光 强增大为入射光强的88%，求该管对光的散射系数和吸收系数 （假设烟粒对光只有散射而无吸收)
角方向上的散射光强，I0是
2
方向
3、散射光具有偏振性，并与 角有关。
自然光入射各向同性媒质中，在垂直于入射方向上的散射光是线偏 振光；在原入射方向及其逆方向上散射光仍是自然光，而在其它方
lec2_光的散射、吸收和色散
24
2.反常色散
光频率（波长 ）折射率 勒鲁（Le Roux)于1860年首先在碘蒸气棱镜内 观察到了紫光的折射率比红光的折射率小，由于这 个现象与当时观察到的正常色散现象相反，勒鲁称 它为反常色散. 特点： 不满足正常色散经验公式.色散曲线的形状与 正常色散曲线大不相同，产生严重的扭曲或割断 现象.
14
原子吸收光谱线并 不是严格地几何意 义上的线
15
地球大气层对可见光和波长300nm以上的紫外线 是透明的，波长短于300nm的紫外线将被空气中的臭 氧层强烈吸收。 对于红外辐射，大气层在某些狭窄的波段内是透 明的，透明的波段称为“大气窗口”.波段从1μm到 15μm有七个窗口.
16
Ocean Optics公司生产的 NIR256型光谱分析仪
n 2 n1 n 2 1
dn 或 d
色散率的数值越大，表明介质的折射率随波长变化越快。
22
一块三棱镜，用作分光元件，则采取色散大的材料(火石玻璃); 用来改变光路的方向，如光学仪器中的转像，则采用色散小的材料（冕玻璃）
23
2.2
正常色散和反常色散
1.正常色散
2 2 2 2 2
tg ( ) 2 2 0
33
（1）振幅与阻尼系数、频率的关系 阻尼系数越小，振子的振幅 大小分布图越尖锐. 当入射光波频率处于振子的 固有频率附近时，振幅有极大 值. 振子的最大振幅所对应的角频：
02
2
2
34
（2）相位与阻尼系数、频率的关系 当入射光波频率等于振子的谐 振频率时，振子振荡相位与入射 光波相位相差 π / 2. 对于弱阻尼情形，入射光波频 率小于振子的谐振频率，振子相 位与入射光波相位相同；入射光 波频率大于振子的谐振频率时， 振子相位与入射光波相位相差π 。 对于强阻尼情形，相位随频率的 变化较缓慢而已.
2.反常色散
光频率（波长 ）折射率 勒鲁（Le Roux)于1860年首先在碘蒸气棱镜内 观察到了紫光的折射率比红光的折射率小，由于这 个现象与当时观察到的正常色散现象相反，勒鲁称 它为反常色散. 特点： 不满足正常色散经验公式.色散曲线的形状与 正常色散曲线大不相同，产生严重的扭曲或割断 现象.
14
原子吸收光谱线并 不是严格地几何意 义上的线
15
地球大气层对可见光和波长300nm以上的紫外线 是透明的，波长短于300nm的紫外线将被空气中的臭 氧层强烈吸收。 对于红外辐射，大气层在某些狭窄的波段内是透 明的，透明的波段称为“大气窗口”.波段从1μm到 15μm有七个窗口.
16
Ocean Optics公司生产的 NIR256型光谱分析仪
n 2 n1 n 2 1
dn 或 d
色散率的数值越大，表明介质的折射率随波长变化越快。
22
一块三棱镜，用作分光元件，则采取色散大的材料(火石玻璃); 用来改变光路的方向，如光学仪器中的转像，则采用色散小的材料（冕玻璃）
23
2.2
正常色散和反常色散
1.正常色散
2 2 2 2 2
tg ( ) 2 2 0
33
（1）振幅与阻尼系数、频率的关系 阻尼系数越小，振子的振幅 大小分布图越尖锐. 当入射光波频率处于振子的 固有频率附近时，振幅有极大 值. 振子的最大振幅所对应的角频：
02
2
2
34
（2）相位与阻尼系数、频率的关系 当入射光波频率等于振子的谐 振频率时，振子振荡相位与入射 光波相位相差 π / 2. 对于弱阻尼情形，入射光波频 率小于振子的谐振频率，振子相 位与入射光波相位相同；入射光 波频率大于振子的谐振频率时， 振子相位与入射光波相位相差π 。 对于强阻尼情形，相位随频率的 变化较缓慢而已.
光的吸收、色散和散射-PPT精品文档
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
2019/3/10
0
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
研究的主要问题： 光经过介质时吸收规律的描述； 光波色散及相速和群速问题； 光的瑞利散射和米氏散射。 要点： 1. 从经典电磁理论角度讨论光的色散和散射； 2. 对波的群速和相速及其色散参数间的联系； 3. 不同散射的特点；
2019/3/10 14
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
反常色散： 石英在红外区域中的反常色散曲线
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光学教程专题 光的吸收、色散和散射
反常色散： 一种媒质的全部色散曲线
共同特性：在相邻两个吸收线(带)间n单调下降，每经过 一个吸收线 (带)n急剧加大，曲线随波长的增加而抬高， 即正常色散区域所满足的 Cauchy 公式常量 A 加大；对于 极短波，n略小于1。
2019/3/10
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光学教程专题 光的吸收、色散和散射
正常色散： 在可见光范围内无 色透明的物质，色散曲线 很相似： 1. n 随 的增加 而单调下降；2. 下降率在 短波一端更大。这样的色 散称为正常色散。 1836年，Cauchy给出经验公式(柯西公式)：
B B C )A 2 n f( ) A 2 4 n f (
吸收光谱： 同一物质的发射光谱和吸收光谱有相当严 格的对应关系；若其自身发射某些波长的光， 则其也强烈地吸收哪些波长的光。 氢发射光谱与吸收光谱
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光学教程专题 光的吸收、色散和散射
吸收光谱： 太阳光谱是典型的暗线吸收光谱；其暗线 称为Fraunhofer 谱线。这些光谱是处于温度较 低的太阳大气中的原子对更加炽热的内核发射 的连续光谱进行选择吸收的结果。 太阳光谱与Fraunhofer谱线
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共同特性：在相邻两个吸收线(带)间n单调下降，每经过 一个吸收线 (带)n急剧加大，曲线随波长的增加而抬高， 即正常色散区域所满足的 Cauchy 公式常量 A 加大；对于 极短波，n略小于1。
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B B C )A 2 n f( ) A 2 4 n f (
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光的吸收色散和散射 (2)优秀课 件
1
第八章 光的吸收、色散和散射
课程的引入:
一、前面各章主要讲授光的传播，从几 何光学和波动光学探讨了物的成像和光的干 涉、衍射；除了研究了在各向同性均匀媒质 中光的传播，还研究了光在各向异性媒质中 的传播，主要是光在单轴晶体内的传播，如 双折射现象，光学偏振器，波晶片等；其有 一个共同的特点，即光在媒质内传播的过程 中，不存在能量的损失。
α= 2nkω/c =4πnk/λ （ ω= 2π/T= 2π λ/c) 由此可见，媒质的吸收可以归并到一个复数折
射率的概念中去：
n的虚部反映了因媒质的吸收而产生的电磁波 衰减,而其实部，则反映传播速度和色散情况的。
9
三、光的吸收与波长的关系
1、普遍吸收：若物质对各种波长λ的吸收程度 几乎相等，即吸收系数α与λ无关。
11
地球大气层对可见光和波长3000Ao 以 上的紫外线是透明的，波长短于3000Ao的 紫外线将被空气中的臭氧层强烈吸收。
对于红外辐射，大气层在某些狭窄的 波段内是透明的，透明的波段称为“大气 窗口”。
12
四、吸收光谱
1、实验装置（见图1－2）
13
2、实验得到的规律
（1）、物质发射光的光谱有多种－线光谱、 带光谱、连续光谱等。一般而言，原子气体 的光谱是线光谱，而分子气体、液体和固体 的光谱多是带光谱。
3
三、光的吸收、色散和散射是光在 媒质中传播所发生的普遍现象，它们之 间是相互联系的，研究这类现象，一方 面可以了解光与物质的相互作用，有助 于对光的本性的进一步了解，也可以得 到许多有关物质结构的重要知识，促进 应用光学的进一步发展。
4
新授： §1 光的吸收
一、吸收的线性规律
1、光的强度随穿进媒质的深度而减小， 这种现象称为媒质对光的吸收。
在可见光范围内，意味着光束通过媒质后 只改变强度，不改变颜色。如：空气、纯水、 无色玻璃等媒质。 2、选择吸收：若物质对某些波长的光吸收特 别强烈。
由于可见光进行选择吸收，会使白光变为 彩色光。绝大部分物体呈现颜色，都是其表面 或体内对可见光进行选择吸收的结果。
10
3、普遍情形:
从广阔的电磁波谱来考虑，普遍吸收是不存在 的（选择吸收是光和物质相互作用的普遍规律）， 由于选择吸收，任何光学材料在紫外和红外端都有 一定的透光极限，这一点对于制作分光仪器中的棱 镜，透镜材料选取显得非常重要。
（2）、同一物质发射光的光谱和吸收光谱之
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。
14
（3）、铁的发射光谱和吸收光谱
(a) :发射光谱 (b):吸收光谱 (a)图中发射光谱的亮线与(b)图中吸收光谱的
暗线一一对应。
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3、应用
（1）探求物质的化学组成成份 太阳光谱是典型的暗线吸收光谱，
由于原子吸收光谱的灵敏度很高，混合物或化合 物中极少量原子含量的变化，会在光谱中反映出吸收 系数很大的改变。历史上就曾靠这种方法发现了铯、 铷、铊、铟、镓等多种新元素。由此也可以用这种方 法来测定物质中某一种元素的含量。
（3）光的吸收与色散有密切的关系
此留在色散一节中探讨。
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§2 色散
一、正常色散
2、仔细研究表明，媒质对光的吸收还应 区分为真吸收和散射两种情况，前者是光能 真被媒质吸收后转化为热能，后者则是光被 媒质的不均匀性散射到四面八方，本节讲授 前一种情况，即真吸收。
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3、吸收的线性规律—布格尔定律 或朗伯定律
单色平行光束沿
X方向通过均匀媒质， 光的强度在经过厚
度为dx的一层媒质时：
I → I－dI
。o
x
(见图1－1)
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实验表明：在相当广阔的光强范围内 －dI ∝Idx
令： －dI = αIdx α与I无关，称为吸收系数
则: dI/I= －αdx → lnI－lnI0= －α l I=I0e－αl
此称为布格尔定律或朗伯定律。 Note: 激光出现以后，光强大得多， α与
场强或光强有关——非线光学领域。
2
二、除了真空，没有一种媒质在严 格意义上对光波是绝对透明的，光通过 媒质时，部分光被媒质吸收，另一部分 光被散射，余下来的部分按原来的传播 方向继续前进；另一方面，不同波长的 光在媒质中有不同的传播速度，即媒质 对不同波长的光有不同的折射率；一束 白光或多色光只要入射角不为零，不同 波长的光就会按不同折射角而散开，这 就是色散（如以前所讲过的三棱镜的色 散）。
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二、复数折射率
1、透明媒质折射率：n=c/v n为实数 沿X轴方向平面电磁波: E～==～EE～00eexxpp[[－－iiωω((tt－－xn/xv/)c])]
电磁波不随距离衰减。2、光媒质中传播存在吸收即衰减,应该 在波函数和有关描述媒质性能的物理量 中反映出来，为此引入复数折射率。
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复光强数：折E～===射I～E～E～E∝率00e0eexE～x：－p﹡p～[n{n－k～－Eω==xiωi/nc∣ω((e[t1xE－t+－p0i～n∣k[n－x)(/21cie+)ω－]i(kn2t)n－、xkω/nckx]/x都c}/c是)]实数 其表示光强I随距离x衰减，故k称为衰减系数 与： I=I0e－αl 即 I=I0e－αx 比较可知:
在其连续光谱的背景上呈现有一条条的 暗线－夫琅和费谱线A、B、C、D、… 其是太阳大气进行选择吸收的结果。由 此可知太阳表面包含哪些元素。其表面： 氢（体积占80%）、氦（18%）、还有 钠、氧、铁、钙等60种元素。
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（2）新元素的发现
氦、铯、铷、铊、铟等元素的发现
1868年法国人严森在太阳光谱中发现一些不知来 源的暗线；英国天文学家洛克厄把这一现象解释为存 在一种未知的元素，并将它取名为 helium（氦）。
光在媒质中传播的速度v或折射 率n随波长而异的现象，称为色散。
当n随的增加波长λ增大而单调 下降，且下降率在短波一端更大， 这种色散称为正常色散。
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牛顿用三棱镜把白光分解为彩色光带的实验
法线
i1
i2
白光
单棱镜的色散
红 青 紫
20
牛顿用交叉棱镜观测物质色散特性的实验
没有p2加时
白光 如果P1与P2的材料的色散特性不一样彩带将会弯曲21
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第八章 光的吸收、色散和散射
课程的引入:
一、前面各章主要讲授光的传播，从几 何光学和波动光学探讨了物的成像和光的干 涉、衍射；除了研究了在各向同性均匀媒质 中光的传播，还研究了光在各向异性媒质中 的传播，主要是光在单轴晶体内的传播，如 双折射现象，光学偏振器，波晶片等；其有 一个共同的特点，即光在媒质内传播的过程 中，不存在能量的损失。
α= 2nkω/c =4πnk/λ （ ω= 2π/T= 2π λ/c) 由此可见，媒质的吸收可以归并到一个复数折
射率的概念中去：
n的虚部反映了因媒质的吸收而产生的电磁波 衰减,而其实部，则反映传播速度和色散情况的。
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三、光的吸收与波长的关系
1、普遍吸收：若物质对各种波长λ的吸收程度 几乎相等，即吸收系数α与λ无关。
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地球大气层对可见光和波长3000Ao 以 上的紫外线是透明的，波长短于3000Ao的 紫外线将被空气中的臭氧层强烈吸收。
对于红外辐射，大气层在某些狭窄的 波段内是透明的，透明的波段称为“大气 窗口”。
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四、吸收光谱
1、实验装置（见图1－2）
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2、实验得到的规律
（1）、物质发射光的光谱有多种－线光谱、 带光谱、连续光谱等。一般而言，原子气体 的光谱是线光谱，而分子气体、液体和固体 的光谱多是带光谱。
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三、光的吸收、色散和散射是光在 媒质中传播所发生的普遍现象，它们之 间是相互联系的，研究这类现象，一方 面可以了解光与物质的相互作用，有助 于对光的本性的进一步了解，也可以得 到许多有关物质结构的重要知识，促进 应用光学的进一步发展。
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新授： §1 光的吸收
一、吸收的线性规律
1、光的强度随穿进媒质的深度而减小， 这种现象称为媒质对光的吸收。
在可见光范围内，意味着光束通过媒质后 只改变强度，不改变颜色。如：空气、纯水、 无色玻璃等媒质。 2、选择吸收：若物质对某些波长的光吸收特 别强烈。
由于可见光进行选择吸收，会使白光变为 彩色光。绝大部分物体呈现颜色，都是其表面 或体内对可见光进行选择吸收的结果。
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3、普遍情形:
从广阔的电磁波谱来考虑，普遍吸收是不存在 的（选择吸收是光和物质相互作用的普遍规律）， 由于选择吸收，任何光学材料在紫外和红外端都有 一定的透光极限，这一点对于制作分光仪器中的棱 镜，透镜材料选取显得非常重要。
（2）、同一物质发射光的光谱和吸收光谱之
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。
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（3）、铁的发射光谱和吸收光谱
(a) :发射光谱 (b):吸收光谱 (a)图中发射光谱的亮线与(b)图中吸收光谱的
暗线一一对应。
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3、应用
（1）探求物质的化学组成成份 太阳光谱是典型的暗线吸收光谱，
由于原子吸收光谱的灵敏度很高，混合物或化合 物中极少量原子含量的变化，会在光谱中反映出吸收 系数很大的改变。历史上就曾靠这种方法发现了铯、 铷、铊、铟、镓等多种新元素。由此也可以用这种方 法来测定物质中某一种元素的含量。
（3）光的吸收与色散有密切的关系
此留在色散一节中探讨。
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§2 色散
一、正常色散
2、仔细研究表明，媒质对光的吸收还应 区分为真吸收和散射两种情况，前者是光能 真被媒质吸收后转化为热能，后者则是光被 媒质的不均匀性散射到四面八方，本节讲授 前一种情况，即真吸收。
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3、吸收的线性规律—布格尔定律 或朗伯定律
单色平行光束沿
X方向通过均匀媒质， 光的强度在经过厚
度为dx的一层媒质时：
I → I－dI
。o
x
(见图1－1)
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实验表明：在相当广阔的光强范围内 －dI ∝Idx
令： －dI = αIdx α与I无关，称为吸收系数
则: dI/I= －αdx → lnI－lnI0= －α l I=I0e－αl
此称为布格尔定律或朗伯定律。 Note: 激光出现以后，光强大得多， α与
场强或光强有关——非线光学领域。
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二、除了真空，没有一种媒质在严 格意义上对光波是绝对透明的，光通过 媒质时，部分光被媒质吸收，另一部分 光被散射，余下来的部分按原来的传播 方向继续前进；另一方面，不同波长的 光在媒质中有不同的传播速度，即媒质 对不同波长的光有不同的折射率；一束 白光或多色光只要入射角不为零，不同 波长的光就会按不同折射角而散开，这 就是色散（如以前所讲过的三棱镜的色 散）。
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二、复数折射率
1、透明媒质折射率：n=c/v n为实数 沿X轴方向平面电磁波: E～==～EE～00eexxpp[[－－iiωω((tt－－xn/xv/)c])]
电磁波不随距离衰减。2、光媒质中传播存在吸收即衰减,应该 在波函数和有关描述媒质性能的物理量 中反映出来，为此引入复数折射率。
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复光强数：折E～===射I～E～E～E∝率00e0eexE～x：－p﹡p～[n{n－k～－Eω==xiωi/nc∣ω((e[t1xE－t+－p0i～n∣k[n－x)(/21cie+)ω－]i(kn2t)n－、xkω/nckx]/x都c}/c是)]实数 其表示光强I随距离x衰减，故k称为衰减系数 与： I=I0e－αl 即 I=I0e－αx 比较可知:
在其连续光谱的背景上呈现有一条条的 暗线－夫琅和费谱线A、B、C、D、… 其是太阳大气进行选择吸收的结果。由 此可知太阳表面包含哪些元素。其表面： 氢（体积占80%）、氦（18%）、还有 钠、氧、铁、钙等60种元素。
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（2）新元素的发现
氦、铯、铷、铊、铟等元素的发现
1868年法国人严森在太阳光谱中发现一些不知来 源的暗线；英国天文学家洛克厄把这一现象解释为存 在一种未知的元素，并将它取名为 helium（氦）。
光在媒质中传播的速度v或折射 率n随波长而异的现象，称为色散。
当n随的增加波长λ增大而单调 下降，且下降率在短波一端更大， 这种色散称为正常色散。
19
牛顿用三棱镜把白光分解为彩色光带的实验
法线
i1
i2
白光
单棱镜的色散
红 青 紫
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牛顿用交叉棱镜观测物质色散特性的实验
没有p2加时
白光 如果P1与P2的材料的色散特性不一样彩带将会弯曲21