散射理论PPT

这说明当电导率 0时为耗散介质。耗散介质对光
波的吸收可以归结为复数折射率 m n(1 i。)
当光波在介质中传播时，介质的电导率决定了介 质的耗散性质。根据介质的耗散性质，可将介质分
成耗散介质和非耗散介质二大类。电导率 0的介
质对光波存在吸收现象，称为耗散介质；电导率
0的介质对光波不吸收，称为非耗散介质。
对于电导率 0的耗散介质，折射率 m是一个复数 ，称为复折射率，可写成 m n ,i其 中复折射率的
实部 称为n散射系数，它反映了介质的散射特性；
虚部 称为 吸收系数，它反映了介质对光波的吸收
特性。当光波在耗散介质中传播时，光强由于吸收 而衰减。
一、
光散射现象
光散射是指光线通过不均匀的介质而偏离其原来的 传播方向并散开到所有方向的现象。
适。用米。氏粒 散子 射线 不度 同大于于瑞1利0 散的射较呈大对微称粒状散分射布称，为常米被氏用散于射
大气中滴粒分布的研究。 一、MiБайду номын сангаас 散射公式：
不考虑光波的偏振性，将光波作为标量波处理， 取散射颗粒处为坐标原点，入射光沿z 轴正方向传 播，在远离散射体处的散射光波为球面波，
其波源就是散射体。图中,r为散射光观察点与散射体 的距离，散射角为θ，观察点与Z轴组成的平面即为
有关散射的几个物理量
在研究光散射现象时，常常引入散射光强、散 射截面、吸收截面、消光截面以及相应的散射系 数、吸收系数和消光系数等描述散射现象的物理 量。这些物理量与散射颗粒的大小、折射率以及 入射光的波长等因素存在密切的关系
（1）散射截面
一个散射颗粒在单位时间内散射的全部光能量
入射光强 之I0比称为散射截面，记作
传播速度为 v 1/ ,光波在真空中的速为 c 1/ 0介0
质的折射率为 n ,在rr 介质中光波的速度为 考v虑 c / n
沿X轴传播的平面波，波动方程为
d 2E dx2
2E
0
其解为 E E0 exp[i(kxt)]
H H0 exp[i(kxt)]
d 2H 2H 0
dx2
这说明光波在的 0的介质中无衰减,这种介质为
光的散射
Maxwell 方程组
光波是电磁波，光波在介质中的传播与介质的特 性有关，并且服从 Maxwell 电磁场方程。因此， 光波在介质中的传播规律。
Maxwell方程组：
E H , • D
t
H J E ， • B 0
t
物质方程：
D E r0E, B H r0H J E
非耗散介质。波的能流为S =E×H，其传播方向即波
矢k 的方向。
当电导率
0时，
k2
2 (
i
), k
kR
ikI
为简单起见，考虑沿X轴方向传播的平面波。
波动方程为
d 2E dx2
2 (
i
)E
0
d 2H dx2
2 (
i
)H
0
其解为
E E0 exp(kI x) exp[i(kR x t)] H H0 exp(kI x) exp[i(kR x t)]
。
C sc a
E
与
sc a
得 Ccsa Esca / I0
（2）散射系数
散射截面与散射体迎着光传播方向的投影面积之比 。得 Ksca Csca / S p Esca / I0S p
（3）吸收截面 将颗粒在单位时间内吸收的光能量用单位时间内
投射到某一面积上的能量来描述，该面积 Cabs即为吸 收截面。
边界条件：
n (D1 D2 ) , n (E1 E2 ) 0 n (B1 B2 ) 0, n (H1 H2 )
得亥姆霍兹波动方程：
2E k2E 0 2H k2H 0
光波与介质相互作用
当电导率 0时, k 2 2,则波动方程为
2E 2E 0
2H 2H 0
如果在均匀介质中掺入一些大小为波长数量级且 杂乱分布的颗粒物质，它们的折射率与周围均匀介 质的折射率不同，如胶体溶液、悬乳液、乳状物等 ，原来均匀介质的光学均匀性遭到破坏，次波干涉 的均匀性也受到破坏。这种含有不均匀无规则分布 的颗粒物质的介质引起了光的散射。这时，散射光 的强度分布及偏振规律与散射颗粒的大小、颗粒相 对周围介质的折射率有关。
众所周知，在均匀介质中，光线将沿原有的方向 传播而不发生散射现象。当光线从一均匀介质进入 另一均匀介质时，根据麦克斯韦电磁场理论，它只 能沿着折射光线的方向传播，这是由于均匀介质中 偶极子发出的次波具有与人射光相同的频率，并且 偶极子发出的次波间有一定的位相关系，它们是相 干的，在非折射光的所有方向上相互抵消，所以只 发生折射而不发生散射。
（4）吸收系数 吸收截面与颗粒迎着光传播方向的投影面积之比
即为吸收系数。于是有
Cabs Eabs / I0 , Kabs Eabs / I0S p
（5）消光截面与消光系数
在单位时间内从原始的入射光中移去的总的光能
量
Ee
x
用单位时间内投射到某一面积
t
Ce上xt 的能量来描
述，该面积 即Cex消t 光截面。消光截面与颗粒迎着光
散射面, 称为方位角。
各向同性的球形颗粒在完全偏振光入射下，垂直散射
的分量 Er和平行散射面的分量 E为l
Er
i kr
S1 (
) Er 0
El
i kr
S2
(
)
El
0
相应的散射光强的表达式为
Ir
2
4 2r 2
S1( ) 2 Ir0
Il
2 4 2r 2
S2 ( ) 2 Il0
式中 是无因次函数,表征散射I 光Ir方向Il 特性,与颗 粒的形S状(,)大小,折射率及空间趋向等有关，称为颗
传播方向的投影面积 之S p比即为消光系数。
于是有
Cext Eext / I0 , Kabs Eabs / I0S p
一、
瑞利散射
瑞利散射是指散射粒子线度比波长小的多的粒子对 光的散射。
二、瑞利散射的主要特点：
（1）瑞利散射定律
I ()
4
1
4
其中为 I 光强，为光波频率，为波长
（2）散射光前的角分布
说明散I (射) 光 I强0 (1随观co察s2 方) 向而变
其中 I( )是与入射光方向成 角方向上的光强；I 0是 / 2方向上的 散射光强。
(3) 散射光具有偏振性，并与 有关。
米氏散射
瑞利散射规律适用于微粒线度在 /10以下极小微粒的
情况，当微粒线度与波长可以比拟时，瑞利定律不再