1、第8章 光的吸收、色散和散射8.1 光与物质相互作用的经典理论一、经典理论的基本方程1、思路：r（位移矢量）p（电偶极矩）P（极化强度）（电极化率）n2、光与物质相互作用经典理论的基本方程 （作强迫振动的电子的运动方程 ）为：f 是弹性系数，g是阻尼系数，E是入射光场若入射光场为：引入衰减系数=g/m，固有频率0后，方程变为：( )exp()EE zi t2202d rdreErdtdtm 二、介质的复折射率1、介质复折射率的推导略2、电极化率的推导式：其实部和虚部为：222001Nemi2222022222222220000NeNemm 3、复折射率将折射率表示成实部和虚部形式，则有：若介质
2、为稀薄气体，有：222200111rNenmi22222nnini n222022222002222220011122122NenmNem 全波段曲线8.1 光的吸收一、光吸收定律1、光的吸收：光通过介质后，光能转变为其它形式的能量而使光强度减弱的现象，称为光的吸收。2、朗伯（Lanbert）定律：光强的减弱dI正比于I和dx的乘积,即：0expaadIIdxIIl 3、吸收系数和消光系数的关系不同介质的吸收系数值差异很大，介质的吸收性能与波长有关。除真空外，没有任何一种介质对任何波长的电磁波均完全透明。0424expakIIl4、比尔（Beer）定律对于气体和融解于不吸收光的溶剂中的物质，吸
3、收系数正比于单位体积中的吸收分子数，即正比于吸收物质的浓度。注意：朗伯定律对线性介质适用； 比尔定律适用于低浓度溶液。 0expaACIIAcl二、一般吸收与选择吸收1、吸收的分类：一般吸收和选择吸收。2、一般吸收：介质对光的吸收很弱，且随波长变化不大。 如稠密介质吸收区 远离的吸收0的吸收。3、选择吸收：介质对光的吸收强烈，且随波长剧烈变化。如稀薄气体吸收区在 0的吸收。4、吸收理论应用:激光稳频 ，空间光学 和红外空间应用中应用波段的选择.。5、从整个电磁波谱的角度考察，一般吸收的介质是不存在的。大气窗口图：三、吸收光谱吸收光谱的获得：具有连续谱的光通过吸收物质后再经过光谱仪展成光谱时，就
4、得该物质的吸收光谱。吸收光谱的解释；例子，激光物质的吸收光谱。8.3 光的色散一、色散的基础知识1、色散：介质的折射率（或光速）随光波长变化的现象。2、观察色散的牛顿正交棱镜法3、色散率定义:介质折射率n在波长附近随波长的变化率dn/d，在数值上等于介质对于附近单位波长差的两单色光的折射率之差。4、色散的应用：用作分光元件的三棱镜，应采用色散大的材料，用来改变光路方向的三棱镜，则需采用色散小的材料。二、正常色散与反常色散1、正常色散：介质的折射率随波长的增加而减小的色散。即：dn/d0，且在附近区域变化剧烈。1862年勒鲁在观察蒸气的色散现象时发现的，孔脱系统的研究勒反常色散；反常色散不反常，
5、它是介质的一种普遍现象；“反常”色散区常为“选择”吸收区。解释：222222002Nem 二、光孤子1834年，罗素（Russel）发现孤波(solitory wave)孤子(so1iton)：色散+非线性效应。色散介质中，波包前沿快中心慢，脉冲展宽;非线性波动方程行波解。波包心振幅大速 度快，波包前沿振幅小速度慢，波包压缩； 调整二者稳定平衡，可使尖锐波包挺进而 不变形 optical so1iton 8.4 光的散射一、基本知识1、散射：光通过不均匀介质时，偏离原来的方向，向四周传播的现象，称为散射。2、散射的特点：光能到光能 ，光能不转变为其 它形式的能。3、散射的形成：光场 E 偶极
6、子振动辐射电磁波散射光4、散射现象的解释：问：图中所示人们见到的光是激光吗? 如果是,为什么?如果不是，为什么与激光一样 具很好的单色性?5、光与介质间的三种情况若介质是均匀的，且不考虑热起伏，光与介质不发生任何作用；若介质不很均匀，热起伏与时间无关，散射光的频率就不会发生变化，只是波矢量方向受到偏折，是弹性散射；若介质不均匀且随时间变化，光波与这些起伏交换能量，光频发生变化，就产生非弹性散射。6、散射的分类：二、线性散射1、瑞利散射（Rayleigh Scattering）：散射粒子的直径在/5/10以下，远小于光波波长的散射。2、瑞利散射的特点：（1）强度与波长的关系： 称为散射角。光波长
7、越短，散射光强愈大。 41I（2）散射光强随散射方向变化的关系散射光强的角分布为： 2/21 cosII（3）散射光的偏振 当自然光入射时，散射光一般为部分偏振光，但在垂直入射光方向上的散射光是线偏振光；当线偏振光入射时，各方向的散射光都是线偏振光 瑞利散射的例子及应用光子在光纤中传播的瑞利散射下图为光时域反射仪（OTDR）3、米氏散射定义：又称为大粒子散射，其散射微粒的直径与入射的光波波长接近甚至更大。特点：a、散射光强与偏振特性随散射粒子的尺寸变化；b、散射光强随波长的变化规律与波长的较低幂次成反比；c、散射光的偏振度随d/的增加而减小；d、散射光强度的角分布随d/而变，前向强，后向弱。米
8、氏散射光强的角分布图米氏散射解释自然现象：A、蓝天白云B、雾是白色的三、非线性散射：在散射光中，除入射光的频率以外，还有新频率的光产生。1、分类：拉曼散射和布里渊散射2、拉曼散射：如入射光频率为0，介质粒子的固有振动频率为1，2，则散射光频率为01，2 因散射光频率由0和1，2联合决定，故又称“联合散射”3、拉曼散射理论解释：设入射电场为：分子因电场作用的感应电偶极矩极化率为：最后，电偶极矩为：公式解释：由于感应电偶极矩P与光电场E之间为非线性关系，P有0和0三种频率成分，所以散射光的频率也有三种。频率为0的谱线称为瑞利散射；频率为0-的谱线称为拉曼红伴线，又称为斯托克斯线；频率为0+的谱线称为拉曼紫伴线，又称为反斯托克斯线。4、拉曼散射的意义拉曼散射光的频率与分子的振动频率有关，所以拉曼散射是研究分子结构的重要手段。5、拉曼散射的应用大气污染的测量；受激拉曼散射（SRS）变频强相干辐射；拉曼光纤放大器。6、布里渊散射声波与光波相互作用而产生的散射，这 通常是在晶体中发生的。散射光的频率为：其中0为入射光频率， s为声波频率。受激布里渊散射（SBS）：1964年发现，声波和散射光波沿着特定的方向传播，并且只有入射光强度超过一定值才发生。
