光的吸收、色散和散射
合集下载
光的吸收、色散和散射
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 λ 的依赖关系）不同，倾斜光带 a ′b′ 将是弯曲的，它的形状直观地反 映了两种材料色散性能的差异。 色散曲线——折射率n与波长 λ 的之间依赖关系曲线，称色散曲线。 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 λ 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。 正常色散 1836年科希（A、L、Cauchy）给出一个正常色散的经验公式： n=A+B/ λ2 +C/ λ4 式中A、B、C是与物质无关的常数，其数值由实验数据确定。当 λ 变化范围不大
/software/net/wangke/jiaoan/chapter8.htm
5/10/2011
w
页码，2/14(W)
− dI =I dx
式中 α 是个与光强无关的比例系数，称为该物质的吸收系数。 为了求出光束穿过厚度为l的媒质后光强度的改变，将上式改写为
dI = −α dx I dI ∫ I =∫ I0 0 — α dx
∴ I= I 0
I l
两边取积分
e
−αl
式中 I 0 和I分别为X=0和X=L处的光强，L是媒质的厚度， α 的量纲是长度的倒 数。
α −1 的物理意义是光强因吸收而减到原来的 e − 1 ≈36%时所穿过媒质的厚度。
式I= I 0 e −αL 称为布格尔定律（P、Bouguer,1729年）此定律后来经朗伯作了详细 说明，故也称朗伯定律。 布格尔定律是光吸收的线性规律 适用范围：线性光学领域，光强I不能太强。 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 α 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，布格尔定律不再成立。 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 α 与溶液的浓度C成正比
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
第六章_光的吸收、散射与色散
I I0 (1 cos2 )
是散射光方向与入射光方向之间的夹角。
可见，散射光 强的分布是对 于光的传播方 向及垂直于光 的传播方向是 对称的。
散射光方向
入射光方向
虽然从光源发出的光是自然光，但从正侧方用检偏器检 查发现，散射光是线偏振的，沿着斜侧面观察发现是部 分偏振光，只有正对着入射方向观察时，透射光才是自 然光。
数，其数值由实验数据来确定，当波长变化范围不大
时，科希公式可只取前两项，即
n
A
B
2
则介质的色散率为：
dn
d
2B
3
A、B均为正值，上式表明，折射率和色散率的数值 都随波长的增加而减小，当发生正常色散时，介质的 色散率小于零。
二. 反常色散
对介质有强烈吸收的波段称为吸收带。实验表明，在强 烈吸收的波段，色散曲线的形状与正常色散曲线大不相 同。
当光通过介质时，不仅介质的吸收使透射光强减弱，由于 光的散射也使使射入介质的光强按指数形式衰减，因此， 穿过厚度为l 的介质透射光强为：
I I0e( )
为吸收系数，为散射系数，+就称为衰减系数。在 很多情况下，和中一个往往比另一个小很多，因而可 以忽略。
三. 散射光强的角分布和偏振态
实验表明，散射光的强度随光的方向而变化，自然 光入射时，散射光强满足下式：
假设入射光是线偏振的，传播方向沿着Z轴，如图。设
在各向同性的介质中有一粒子P。
当光与粒子相遇时，使P作
x
受迫振动，所形成的电矢量
也平行于X轴。由此产生的
次波为球面波。光波又是横
波，振动方向与传播方向垂
直。在各个方向的振幅应等 y
于最大振幅在相应方向的投
影。
是散射光方向与入射光方向之间的夹角。
可见，散射光 强的分布是对 于光的传播方 向及垂直于光 的传播方向是 对称的。
散射光方向
入射光方向
虽然从光源发出的光是自然光，但从正侧方用检偏器检 查发现，散射光是线偏振的，沿着斜侧面观察发现是部 分偏振光，只有正对着入射方向观察时，透射光才是自 然光。
数，其数值由实验数据来确定，当波长变化范围不大
时，科希公式可只取前两项，即
n
A
B
2
则介质的色散率为：
dn
d
2B
3
A、B均为正值，上式表明，折射率和色散率的数值 都随波长的增加而减小，当发生正常色散时，介质的 色散率小于零。
二. 反常色散
对介质有强烈吸收的波段称为吸收带。实验表明，在强 烈吸收的波段，色散曲线的形状与正常色散曲线大不相 同。
当光通过介质时，不仅介质的吸收使透射光强减弱，由于 光的散射也使使射入介质的光强按指数形式衰减，因此， 穿过厚度为l 的介质透射光强为：
I I0e( )
为吸收系数，为散射系数，+就称为衰减系数。在 很多情况下，和中一个往往比另一个小很多，因而可 以忽略。
三. 散射光强的角分布和偏振态
实验表明，散射光的强度随光的方向而变化，自然 光入射时，散射光强满足下式：
假设入射光是线偏振的，传播方向沿着Z轴，如图。设
在各向同性的介质中有一粒子P。
当光与粒子相遇时，使P作
x
受迫振动，所形成的电矢量
也平行于X轴。由此产生的
次波为球面波。光波又是横
波，振动方向与传播方向垂
直。在各个方向的振幅应等 y
于最大振幅在相应方向的投
影。
光的吸收、散射和色散
光的吸收和散射
光的吸收 光波通过介质时，有一部分光能被吸收，转化为 其他形式的能量。 透明物质：能量损失小。 一般吸收：吸收很小，且在某一给定波段内几乎 是不变的。 选择吸收：吸收很多，且随波长而剧烈地变化。 例如石英对可见光吸收甚微，但是对3.5~5.0m 的红外光却强烈吸收。
ห้องสมุดไป่ตู้ 光的散射
１.光散射的原因 光波在透明介质中传播时，有部分光波偏离原来的传播 方向而向四面八方传播的现象叫光的散射。 ２.衍射与散射的区别：
衍射是由于个别的不均匀区域（如孔、缝或障碍物等） 所形成的，这些不均匀区域范围的大小一般可与波长相比拟。
散射则是由于大量排列不规则的非均匀的小“区域”的 集合形成的，这些非均匀小区域的线度一般比波长小。
一、散射问题的描述 散射截面：散射到方向单位立体角中的电磁波能流
S s ds Ss R 2 d
0
s
8 2 4 r0 ( ) 3 0
s
2 2 r0 3 ( 0 ) 2 2 4
2
1 d ( ) r02 (1 cos 2 ) 2
2 2 s r0 0.665 10 28 m 2 3
光的散射分类
一类：散射光的波长不发生变化，如瑞利散射，米氏散射； 另一类：散射光波长发生了变化，如拉曼散射，布里渊散射， 康普顿散射。 ① 非纯净介质中的光散射 如空气中的尘埃、烟雾、小水滴，还有乳浊液、胶体等。 散射规律：a）不变； b）I4（是瑞利散射）
②
纯净介质中的分子散射
由于纯净介质中分子的无规则热运动，使得分子 密度出现涨落发生的散射叫分子散射。 正午
解释现象：
•晴朗的天空是蓝的； •白昼的天空是亮的；
傍晚
光的吸收 光波通过介质时，有一部分光能被吸收，转化为 其他形式的能量。 透明物质：能量损失小。 一般吸收：吸收很小，且在某一给定波段内几乎 是不变的。 选择吸收：吸收很多，且随波长而剧烈地变化。 例如石英对可见光吸收甚微，但是对3.5~5.0m 的红外光却强烈吸收。
ห้องสมุดไป่ตู้ 光的散射
１.光散射的原因 光波在透明介质中传播时，有部分光波偏离原来的传播 方向而向四面八方传播的现象叫光的散射。 ２.衍射与散射的区别：
衍射是由于个别的不均匀区域（如孔、缝或障碍物等） 所形成的，这些不均匀区域范围的大小一般可与波长相比拟。
散射则是由于大量排列不规则的非均匀的小“区域”的 集合形成的，这些非均匀小区域的线度一般比波长小。
一、散射问题的描述 散射截面：散射到方向单位立体角中的电磁波能流
S s ds Ss R 2 d
0
s
8 2 4 r0 ( ) 3 0
s
2 2 r0 3 ( 0 ) 2 2 4
2
1 d ( ) r02 (1 cos 2 ) 2
2 2 s r0 0.665 10 28 m 2 3
光的散射分类
一类：散射光的波长不发生变化，如瑞利散射，米氏散射； 另一类：散射光波长发生了变化，如拉曼散射，布里渊散射， 康普顿散射。 ① 非纯净介质中的光散射 如空气中的尘埃、烟雾、小水滴，还有乳浊液、胶体等。 散射规律：a）不变； b）I4（是瑞利散射）
②
纯净介质中的分子散射
由于纯净介质中分子的无规则热运动，使得分子 密度出现涨落发生的散射叫分子散射。 正午
解释现象：
•晴朗的天空是蓝的； •白昼的天空是亮的；
傍晚
物理光学课件：1_4光的吸收色散和散射
所以透明是一个相对的概念。是由其内部原子结构和电磁波 穿透力决定的。
二,光的色散
❖ 光的色散的定义： 光在物质中传播时，其折射率（传播速度）随 光波频率（波长）而变的现象。 ❖ 光的色散分两种：正常色散、反常色散。
正常色散:折射率随光波长的 增大而减少,其色散曲线 n呈 单调下降。
色散率：dn/d，介质的折射率随波长的变化率
2．物理机制
光通过非均匀物质时，杂质微粒的线度一 般比光的波长小，它们彼此间的距离比波长大， 而且排列毫无规则。因此，当它们在光作用下 振动时彼此间无固定的相位关系，次级辐射的 不相干叠加，各处不会相消，从而形成散射光。
瑞利散射：1) 稀薄气体以及悬浮微粒的散射（d <λ/ 10）
2) 纯净气体或液体的散射（分子散射）
例2. 蜜蜂靠天空光的偏振性辨别方向（蜜蜂的眼睛中 有对偏振敏感的器官）
米氏散射的特点：
（1）散射光的强度与入射光波长的依赖关系不很显著， 因此散射光的颜色与入射光的颜色相近；（白云）
（2）前向散射较多（瑞利散射前后对称，中间最少）
( 极强光， 不再是常数，以上的布格尔定律不成立。)
自变透明现象，自变吸收现象: 非线性效应 比尔定律
比尔（A. Beer）于1852年从实验上证明，稀释溶液 的吸收系数a 正比于溶液的浓度C
C
I I0eCl
式中为与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收
物质分子的特征。
仅适用于稀释溶液。
(二) 吸收的波长选择性
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。
光的吸收
❖ （1）对于可见光来说,各种物质的吸收系数
二,光的色散
❖ 光的色散的定义： 光在物质中传播时，其折射率（传播速度）随 光波频率（波长）而变的现象。 ❖ 光的色散分两种：正常色散、反常色散。
正常色散:折射率随光波长的 增大而减少,其色散曲线 n呈 单调下降。
色散率：dn/d，介质的折射率随波长的变化率
2．物理机制
光通过非均匀物质时，杂质微粒的线度一 般比光的波长小，它们彼此间的距离比波长大， 而且排列毫无规则。因此，当它们在光作用下 振动时彼此间无固定的相位关系，次级辐射的 不相干叠加，各处不会相消，从而形成散射光。
瑞利散射：1) 稀薄气体以及悬浮微粒的散射（d <λ/ 10）
2) 纯净气体或液体的散射（分子散射）
例2. 蜜蜂靠天空光的偏振性辨别方向（蜜蜂的眼睛中 有对偏振敏感的器官）
米氏散射的特点：
（1）散射光的强度与入射光波长的依赖关系不很显著， 因此散射光的颜色与入射光的颜色相近；（白云）
（2）前向散射较多（瑞利散射前后对称，中间最少）
( 极强光， 不再是常数，以上的布格尔定律不成立。)
自变透明现象，自变吸收现象: 非线性效应 比尔定律
比尔（A. Beer）于1852年从实验上证明，稀释溶液 的吸收系数a 正比于溶液的浓度C
C
I I0eCl
式中为与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收
物质分子的特征。
仅适用于稀释溶液。
(二) 吸收的波长选择性
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。
光的吸收
❖ （1）对于可见光来说,各种物质的吸收系数
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。
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
当光束通过理想均匀的透明介质时, 除了传播方向外, 其它方向看不到光 当光束通过浑浊液体或具有悬浮粒和气溶胶的大气时能看到光束轨迹 光的散射---
光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向而向四周散射的现象
散射分类: 1.k变化，波长不变
廷德尔散射 分子散射
瑞利散射, 米氏散射
2. k变化，波长也变化
i 2 z
eikz e 0 / n eik0nz
E0ek0z eik0nz
消光系数，与前一致，衰减系数K 2k 为吸收曲线
n 折射率实部，n 为色散曲线，由于在振子固有频率0处会产生共振吸收， 所以在0附近为反常色散,远离0为正常色散
§6.4 光的散射
§ 6.4.1 光的散射现象
（6-25）
二、反常色散
1862年勒鲁实验: 碘蒸汽三棱镜分光，紫光折射率比红光折射率小 与正常色散相反，因此称其为反常色散， 波长↓：折射率↓
反常色散与选择吸收有关, 也属正常
波长↑：折射率↑
反常色散都发生在吸收带内
图为石英的色散曲线, 测量扩展到红外吸收区
吸收带内为反常色散区 吸收带之间均为正常色散区
（6-6） （6-7）
（6-8） （6-9）
折射率 n 为复折射率
n2
r
1
1
Ne2
0m
1
02 2
i
同理 n 可写为
n n i
n2 n2 2 i2n
将（6-11）与（6-10）相对照, 可得
n2 2 1 Ne2
0m
02 2 02 2 2 22
2n Ne2
0m
如:石英对可见光波段 选择吸收---对某些波段的光有强烈的吸收
如:石英对3.5～5.0μm吸收
物理光学-第5章 光的吸收、色散和散射
§5-2 介质的吸收与色散
不过，一般吸收和选择吸收的区别是相对的、有条件的。任何物质，在 一个波段范围内表现为一般吸收，在另一个波段范围内就可能表现为选 择吸收，例如，普遍光学玻璃，对可见光吸收很弱，是为一般吸收；而 在紫外红外波段，则表现出强烈的吸收，亦即选择吸收。任一介质对光 的吸收都是由这样两种吸收组成的 。 描述光波通过介质时的衰减特性。） 。）之间有如 吸收系数和消光系数 η（描述光波通过介质时的衰减特性。）之间有如 下的关系 复折射率：复折射率的实部就是通常所说的折射率， 复折射率：复折射率的实部就是通常所说的折射率，其虚部则是描述线 性吸收的参量。 性吸收的参量。
v=
dn dλ
在实际工作中，选用光学材料时应注意其色散的大小，例如，同样是 一块三棱镜，若是用作分光元件，则采取色散大的材料（火石玻璃）； 若是用来改变光路的方向，如光学仪器中的转像棱镜等，则需用色散 小的材料（冕玻璃等）。
§5-2 介质的吸收与色散
实际上由于随变化的关系较复杂，无法用一个简单的函数表示出来，而 且这种变化关系随材料而异。因此一般都是通过实验测定随变化的关系， 并作成曲线，这种曲线就是色散曲线。 色散曲线的波长缩短时，折射率增大；且波长愈短，折射率增加的幅度 也愈大。这种波长变小，折射率变大的色散一般称之为正常色散。 除色散曲线外，还可利用经验公式求出不同波长时的折射率。在正常色 散区这种经验公式最早是由科希于1836年通过实验总结得出的，其公式 B C 为 n = A+ 2 + 4
§5-2 介质的吸收与色散
一般吸收： 一般吸收：有些媒质，在一定波长范围内，吸收系数不随 波长而变（严格说来是随波长的变化可以忽略不计），这 种吸收就称为一般吸收。 选择吸收： 选择吸收：有些媒质，在一定波长范围内，吸收系数随波 长而变，这种吸收就称为选择吸收。 例：
光的吸收、散射、色散
特性（频率、波长、振动方向等），按照自己的传播
方向继续前进。
叠加原理也是介质对光波的线性响应的一种反映。
2.1 两个同频率、同振动方向单色光波的叠加和干涉 一、代数加法： 设两个频率相同、振动方向相同的单色光波 分别发自光源S1和S2，在空间某点P相遇，P到S1和 S2的距离分别为r1和r2。 则两光波各自在P点产生的光振动可以写为
I1 I 2 2 I1 I 2 cos
I E E I1 I 2 2 I1 I 2 cos
式中
I1 a , I 2 a2
2 1
2
2 1
讨论
在P点叠加的合振动的光强I取决于两光波在叠加点的相位差。
对于I1 I 2 I 0
2m
(λ=0.72μm)为紫光波长(λ=0.4μm)的1.8倍， 因此紫光散射强度约
为红光的 (1.8)4≈10 倍。所以，太阳散射光在大气层内层，蓝色 的成分比红色多，使天空呈蔚蓝色。另外，为什么正午的太阳
基本上呈白色，而旭日和夕阳却呈红色 ? 正午太阳直射，穿过
大气层厚度最小，阳光中被散射掉的短波成分不太多，因此垂 直透过大气层后的太阳光基本上呈白色或略带黄橙色。早晚的
E1 a1 exp[i (kr1 t )] E2 a2 exp[i (kr2 t )]
两列波交叠区域任意一点p的合振动？
根据叠加原理，P点的合振动为
E E1 E2 a1 exp[i (1 t )] a2 exp[i (2 t )]
式中 1 kr1 ,
光强为
2 kr2
I E E a1 exp[i (1 t )] a2 exp[i (2 t )]
光的吸收、散射和色散
光通过物质，其传播情况发生变化，有两个方面：一、光强随光深入物质而减弱：光能或被物质吸收，或向各个方向散射所造成。
二、物质中光的传速度小于真空中的，且随频率变化，光的色散。
这都是光与物质相互作用引起的，实质上是光和原子中的电子相互作用引起的。
§1 电偶极辐射对反射、折射现象的解释一、电偶极子模型（理想模型）用一组简谐振子来代替实际物质的分子，每一振子可认为是一个电偶极子，由两个电量相等，符号相反的带电粒子组成，电偶极子之间有准弹性力作用，能作简谐振动。
两种振子：原子内部电荷的运动（电子振子）：核假定不参加运动，准弹力的中心 分子或原子电荷的振动和整个分子的转动（分子振子）： 质量较大的一个粒子可认为不参加运动 经典解释模型:P电偶极子，向外辐射电磁波t A Z eZ P cos :Z 离开原点的距离电动力学证明，电偶极子辐射电磁波矢 )(cos sin 4220c R t R e eA EcEH 0R ：观察点与偶极子的距离201E cEH H E S 22242202sin 321CR A e E c I S o由上面式子，光在半径为R 的球面上各点的位相相等（球面波）落后原点CR 。
但振幅则随 角度，即波的强度I （能流密度）在同一波面上。
分布不均匀，见图I ,2最大（赤道面上）在两极即偶极子轴线方向上0 ,0 I Q 。
二、电偶极辐射对反射和折射现象的初步解释原子、分子：cm 810 光波长：cm 510在固或液物中，可认为在一个光波长范围，分子的排列非常有规律，非常密集，或可以认为是连续的。
总说明：光通过物质，各分子将依次按入射光到达该分子时的位相作受迫振动，在一分了的不同部分，入射光的位相差忽略不计。
各分子受迫振动，依次发出电磁波，所有这些次波保持一定位相关系（同惠一原理中次波）说明1：各向同性均匀物质中的直线传播所有分子振子在各方向有相同的图有频率，分子受迫振动发出次级电磁波将与入射光波迭加，从而改变合成波位相，改变了它的传播速度（位相速度）说明2：反射与折射电射与折射是由于两种介质界面上分子性质的不连续性所引起，用同样模型可解释。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1、k变化，波长不变
廷德尔散射 瑞利散射，米氏散射 分子散射 Raman散射
2、 k变化，波长也变化
Brillouin散射
廷德尔散射：液体、气体中悬浮粒子（包括尘埃）、大气中气溶胶、
烟雾等产生的散射
瑞利散射：颗粒大小<
1 10
米氏散射：颗粒在波长量级
分子散射：均匀纯净的介质中由于①热运动引起密度起伏 ②分子各向异性引起的趋向起伏 ③溶液中浓度起伏 而引起介质光学性质的非均匀所产生的散射
所以在0附近为反常色散,远离0为正常色散
§6.4 光的散射
§ 6.4.1 光的散射现象
当光束通过理想均匀的透明介质时，除了传播方向外，其它方向看不到光 当光束通过浑浊液体或具有悬浮粒和气溶胶的大气时能看到光束轨迹 光的散射--光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向而向四周散射的现象
散射分类：
并将（6-6）与（6-7）式对照可得
0 2 2 Ne 2 0 m 0 2 2 2 2 2
Ne 2 0 m 0 2 2 2 2 2
（6-8）
（6-9）
折射率
n
为复折射率
Ne 2 1 n2 r 1 1 0 m 0 2 2 i
第六章 光的吸收、色散和散射
§6.1 光的吸收
§6.2 光的色散
§6.3 吸收和色散的经典理论
§6.4 光的散射
§6.1 光的吸收
除了真空,没有一种介质对任何波长的电磁波是透明的,所有介质都是对某一 些波长范围内的光透明,而对另一些波长范围的光不透明即有吸收 吸收---光波通过介质后光强减弱的现象 一般吸收---对给定波长范围的光吸收很小且不随波长变化 如:石英对可见光波段
e f g e E 0 2 r r E r r m m m m f m
电子固有频率，
r
0
g m
衰减系数
将电 r m
2
（6-5）
---光与介质相互作用经典理论的基本方程 解方程得
z E eik0 nz E 0
e
ikz
e
i
2 z 0 / n
e
ik0 nz
E0 e k0 z eik0 nz
消光系数，与前一致，衰减系数K 2k 为吸收曲线
n 折射率实部，n 为色散曲线，由于在振子固有频率0处会产生共振吸收，
因此通过厚度为 的介质后光强为
l
I I 0e
K h l
I 0e l
h 散射系数， K h为衰减系数
§6.4.3 Raman散射和Brillouin散射
这两种散射现象的共同特点是散射光的频率ν可以不同于入射光频率ν0 ， 一般可表示为
0 i
在Raman散射中， νi为分子振动频率 在Brillouin散射中， νi为声子频率
e m r E z e it 0 2 2 i
代入（6-2）式得
Ne 2 m P E z e it 02 2 i
由
（6-6）
P 0 E
i
（6-7）
电极化率 是复数，可写为
B
2
（6-24）
dn 2B 3 d
（6-25）
二、反常色散
1862年勒鲁实验：碘蒸汽三棱镜分光，紫光折射率比红光折射率小 波长↓：折射率↓ 与正常色散相反，因此称其为反常色散， 波长↑：折射率↑ 反常色散与选择吸收有关，也属正常
反常色散都发生在吸收带内 图为石英的色散曲线，测量扩展到红外吸收区
当钠蒸气密度小时，可观察到两条谱 线所对应的两个反常色散区如图b，c
§6.3 吸收和色散的经典理论
光的吸收和色散过程，实际上就是光与介质中原子或分子相互作用过程 洛仑兹电子论---洛仑兹从原子和分子的观点提出的电子论 ※ 组成物质的原子或分子内的带电粒子（电子或离子）被准弹性力保 持在它的平衡位置并且有一定的固有振动频率 ※ 在入射光作用下，原子或分子发生极化，并以入射光频率作受迫振
动，形成振动的电偶极子，从而发出次波
※ 在均匀介质中，这些次波叠加的结果使光只在折射方向继续传播下 去，而在其它方向上次波的干涉而相互抵消，没有出现光
※ 在非均匀介质中，由于不均匀质点破坏了次波的相干性，使在其它
的方向上出现了散射光
理论分析： 1、色散介质中只有一种原子，每个原子内只有一个电子能发生 受迫振动，振动电子具有的偶极矩
2k
I 0e
4
l
I 0e
2 k l
吸收系数为波长的函数
溶液中的吸收系数与浓度有关，吸收系数K与浓度成正比：
K C
则溶液中的吸收定律为比尔定律：
α为比例常数
I I 0e cl
即浓度不能太大
（6-20）
比尔定律成立的条件是：物质分子的吸收本领不受周围邻近分子的影响，
4
1
4
∴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 ②天空为什么呈蓝色
③中午太阳呈白色
④旭日和夕阳呈红色
2、散射光强分布 I ∝ 1 cos
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
三、透射光强
光波传输过程中，吸收和散射是同时存在的，
选择吸收---对某些波段的光有强烈的吸收
如:石英对3.5～5.0μm吸收
大多数介质都同时存在一般吸收和选择吸收
§6.1.1 光吸收定律
平行光入射通过长度为l 的介质
取一薄层d l,由于吸收，光强由I→I-dI 朗伯（Lambert）的实验结果是
dI Kdl I 吸收系数
对其积分
l dI I0 I K 0 dl I I 0e Kl I
由此可得到n和η的具体表达式，且均为光频ω的函数
0 2 2 Ne 2 n 1 1 2 2 0 m 2 2 2 2 2 0 Ne2 2 2 0 m 2 2 2 2 2 0
沿z轴方向传播的光场复振幅 （6-15）
(6-16)
(6-17)
---朗伯定律或朗伯吸收定律
吸收系数K的物理意义：
I0 1 1 1 当 K 时 ， 或l 时，则I ，光强减少为原光强的 倍 l K e e
吸收系数K愈大，则吸收愈强烈。
引入消光系数，则K 则I
4
金属：K=106cm-1，玻璃K= 10-2cm-1 大气K=10-5cm-1 (6-19)
同理
（6-10）
n
可写为
n n i
n 2 n 2 2 i 2n
将（6-11）与（6-10）相对照，可得 （6-11）
0 2 2 Ne 2 n2 2 1 0 m 0 2 2 2 2 2
Ne 2 2n 0 m 0 2 2 2 2 2
当管子加热时，管内蒸气产生棱镜色散作 用，使S1白光在S2上呈上下的彩色像：
波长远离吸收线时，蒸气折射率近乎为1， 分光仪后焦面上水平连续谱不受影响
光波从短波方向接近于吸收线时，蒸气折 射率小于1，光谱带向下偏转
光波从长波方向接近于吸收线时，蒸气折 射率大于1，光谱带向上偏转
当钠蒸气密度加大到钠双线重合时， 观察到的色散谱线如图a
p er
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
P Np Ner
（6-2）
2、第二牛顿定律F=ma：受迫振动的电子的运动方程为
mr eE fr gr
受迫力 阻尼力 准弹性力
光波电场强度
E E z e it
或
（6-21）
dn d
（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
正常色散可以用科希（Canchy）公式来描写
n A
B
2
C
4
（6-23）
通过三个波长实验测量3个n ---即可得A，B，C三个常数 对于波长间隔不太大时，可只取前两项：
n A
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
§6.4.2 散射理论
一、瑞利散射 ---研究分子散射时由瑞利提出来的理论 由于分子质点的热运动破坏了分子间固定的位置关系，使分子所发出的次 波不再相干，因而产生了旁向散射光
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
I ∝ ∝
§6.1.2 吸收光谱
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
n2 n1 n 2 1