散射理论ppt课件
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❖ 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。
边界条件：
n (D1 D2 ) , n (E1 E2 ) 0 n (B1 B2 ) 0, n (H1 H2 )
3
Leabharlann Baidu
❖ 得亥姆霍兹波动方程：
2E k2E 0 2H k2H 0
4
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
❖ 传播速度为 v 1/ ,光波在真空中的速为 c 1/ 00
介质的折射率为 n rr ,在介质中光波的速度为v c / n
考虑沿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
❖ 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
12
❖ （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。 ❖ （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
10
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
11
❖ （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E sca 与入射光强 I0 之比称为散射截面，记作 Csca 。
14
❖ 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
I ( ) I0 (1 cos2 ) ❖ 说明散射光强随观察方向而变
15
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。
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)]
6
❖ 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
光的散射
1
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
2
物质方程：
D E r0E, B H r0H J E
(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
适用。粒子线度大于10 的较大微粒散射称为米氏散
射。米氏散射不同于瑞利散射呈对称状分布，常被用 于大气中滴粒分布的研究。 一、Mie 散射公式：
16
❖ 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
为散射面, 称为方位角。
17
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 El为
Er
i kr
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。
7
❖ 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 ,其i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。
dx2
5
❖ 这说明光波在的 0 的介质中无衰减,这种介质
为非耗散介质。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，k 2
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 (
13
❖ （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 Eext 用单位时间内投射到某一面积Cext上的能量来 描述，该面积Cext 即消光截面。消光截面与颗粒迎着 光传播方向的投影面积 S p 之比即为消光系数。
❖ 于是有
Cext Eext / I0 , Kabs Eabs / I0S p
8
❖ 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。
❖ 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。
❖ 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。
边界条件：
n (D1 D2 ) , n (E1 E2 ) 0 n (B1 B2 ) 0, n (H1 H2 )
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Leabharlann Baidu
❖ 得亥姆霍兹波动方程：
2E k2E 0 2H k2H 0
4
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
❖ 传播速度为 v 1/ ,光波在真空中的速为 c 1/ 00
介质的折射率为 n rr ,在介质中光波的速度为v c / n
考虑沿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
❖ 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
12
❖ （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。 ❖ （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
10
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
11
❖ （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E sca 与入射光强 I0 之比称为散射截面，记作 Csca 。
14
❖ 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
I ( ) I0 (1 cos2 ) ❖ 说明散射光强随观察方向而变
15
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。
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)]
6
❖ 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
光的散射
1
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
2
物质方程：
D E r0E, B H r0H J E
(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
适用。粒子线度大于10 的较大微粒散射称为米氏散
射。米氏散射不同于瑞利散射呈对称状分布，常被用 于大气中滴粒分布的研究。 一、Mie 散射公式：
16
❖ 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
为散射面, 称为方位角。
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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 El为
Er
i kr
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。
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❖ 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 ,其i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。
dx2
5
❖ 这说明光波在的 0 的介质中无衰减,这种介质
为非耗散介质。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，k 2
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 (
13
❖ （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 Eext 用单位时间内投射到某一面积Cext上的能量来 描述，该面积Cext 即消光截面。消光截面与颗粒迎着 光传播方向的投影面积 S p 之比即为消光系数。
❖ 于是有
Cext Eext / I0 , Kabs Eabs / I0S p
8
❖ 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。
❖ 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。