1、第9章 光波与物质的相互作用光的吸收光的色散光的散射光在介质中的非线性效应9.1 光的吸收 一、线性吸收规律 光强不是很大时，被吸收的能量、即被吸收的光强，与吸收体的厚度成正比。0II0dIIdIdxddII xddIxI 0exII吸收系数Bougure定律(1729)或Lambert定律(1760)对于溶液ACC浓度Beer定律（1852年） 二、吸收的数学表示 平面光波的表达式 由于吸收，光波的振幅随距离衰减2()00eeeinxi kxti tUAA20eeeinxxi tUA2()0eeinxi tA20eeinxi tA(1)nni2(1)0eeinixi tUA复折射率复折射率2
2、()0eein ixi tA4422000eeen xn xxIUAII4n光强 复折射率的虚部反映了由于介质对波的吸收而引起的衰减 三、吸收系数与波长的关系 1、普遍吸收：吸收系数与波长无关，吸收后所有成分的光强改变。 这种情况实际上是不存在的，有一些物质仅仅对某一波段的光波均匀吸收 例如可以认为纯净的空气和玻璃对可见光普遍吸收，即白光经过后颜色不变。 2、选择吸收：介质对不同波长的光有不同的吸收系数， （ ） 白光经过一定厚度介质之后，吸收系数随波长变化暗线吸收光谱单色仪单色仪入射光（白光）吸收体（样品）透射光入射狭缝出射狭缝光电探测器记录仪器记录仪器I吸收光谱ddII x选择吸收反映了物
3、质的能级结构 介质中的原子吸收入射光，发生跃迁 能级间隔与入射光子能量匹配，受激吸收带状谱线状谱吸收带I孤立原子固体中稀土离子分立能级凝聚态物质能带I吸收线大气窗口与温室气体 大气层对不同波段的电磁辐射选择吸收大气层对电磁辐射的吸收曲线红外窗口 在红外波段，大气层呈现明显的选择吸收 某些红外辐射可以穿透大气层，被称作红红外窗口外窗口 红外窗口对地球保持适宜的温度至关重要 如果红外窗口变小，则由于红外辐射难以通过大气层，会导致地球温度上升。 这就是温室效应（Greenhouse effect ）温室效应大气和地面的太阳辐射谱Pattern of absorption bands generate
4、d by various greenhouse gases and their impact on both solar radiation and upgoing thermal radiation from the Earths surface. Note that a greater quantity of upgoing radiation is absorbed, which contributes to the greenhouse effect. 温室气体 大气层中吸收红外辐射的气体中要有： 水蒸汽（ H2O ）、二氧化碳（ CO2 ）、臭氧（O3）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N
5、2O）、氟氯化碳（CFCs）、全氟碳化物（PFCs）、氢氟碳化物（HFCs），含氯氟烃（HCFCs）及六氟化硫（SF6），等等 温室效应中，各种气体的作用各不相同，其中水气3670% ，二氧化碳926% ，甲烷49% ，臭氧37% Pounds of carbon dioxide emitted per million British thermal units of energy for various fuels Fuel name CO2 emitted (lbs/106 Btu) CO2 emitted (g/106 J) Natural gas11750.30Liquefied pe
6、troleum gas13959.76Propane13959.76Aviation gasoline15365.78Automobile gasoline15667.07Kerosene15968.36Fuel oil16169.22Tires/tire derived fuel18981.26Wood and wood waste19583.83Coal (bituminous)20588.13Coal (subbituminous)21391.57Coal (lignite)21592.43Petroleum coke22596.73Coal (anthracite)22797.59地球
7、变暖 工业化之后温室气体的增加气体气体工业化之前工业化之前当前当前自自1750年来增年来增量量辐射强度辐射强度(W/m2)CO2280 ppm387ppm104 ppm1.46CH4700 ppb1,745 ppb 1,045 ppb0.48N2O270 ppb314 ppb44 ppb0.15CFC-120533 ppt533 ppt0.17Increasing atmospheric carbon dioxide levels as measured in the atmosphere and reflected in ice cores.The amount of net carbon
8、increase in the atmosphere, compared to carbon emissions from burning fossil fuelThe projected temperature increase for a range of greenhouse gas stabilization scenarios (the coloured bands). The black line in middle of the shaded area indicates best estimates; the red and the blue lines the likely
9、limits. From the work of IPCC AR4, 2007 Global anthropogenic greenhouse gas emissions broken down into 8 different sectors for the year 20002000年各地区人均温室气体排放量2000年各地区温室气体密度分布2000年各地区人均CO2排放量2000年各地区温室气体排放量Measurements of Pollution in the Troposphere 2000 global carbon monoxide April 30,2000October 30
10、,2000Increasing water vapor in the stratosphere at Boulder, Colorado. 物体的颜色 物体由于对光的吸收不同，而呈现出不同的颜色 发光体由于辐射波长范围的不同，也呈现出不同的颜色色坐标与色度学光与色色光加色混合法 颜料減色混合法 CRT三基色荧光粉发射光谱3+23Al O :Cr3+3+23Al O :Fe ,Ti3+3+23Al O :Fe ,NiAu23Al O刚玉红宝石蓝宝石黄色白宝石三基色三基色彩色显示器显示单元彩色显示器显示单元XYZ色度图色度图red()+green ()=yellow()green ()+blue(
11、)=cyan()blue()+red()=magenta ()Light (RGB) Pigment (CMY) Cyan()+magenta ()=blue()Magenta ()+yellow()=red()yellow()+cyan()=green ()Light (RYB) red()+yellow ()=orange ()yellow ()+blue()=green()blue()+red()=violet()基色、二级色、三级色9.2 光的色散光的色散光在媒质中的传播速度或折射率随波长改变，称为色散色散。不是由于衍射衍射而引起。vv( )(nn ddn色散率 色散规律牛顿正交棱镜实
12、验 n不同介质的色散曲线牛顿正交棱镜实验牛顿正交棱镜实验n色散曲线 正常色散的科希公式（经验公式）42CBAn通常可以取前两项2BnAA，B，C是与材料有关的常数吸收带在吸收带中，光不能通过，无法测折射率光的色散在这一区域的表现被称为反常色散n反常色散吸收和色散的经典理论 当电荷的运动速度、方向改变时，将会产生交变电场、并向外辐射电磁波 原子、分子核外电子都被束缚在原子附近。在外场的作用下，正负电中心分离，介质被极化，形成电偶极子电偶极子。 将电偶极子作为弹性振子处理，电偶极子在入射光电场的作用下，将会作受迫振动，并辐射出电磁波。这就是经典经典的受激原子发光的洛仑兹模型洛仑兹模型。 电偶极子的
13、极化 电偶极子在外场的作用下做受迫振动 mgke xxxE20em Exxx阻尼项 02201e()i temiEx极化强度 NZe Px0PE极化率 相对介电常量 22200111()rZNemi 折射率 22220011()rZNenmi 折射率2222202222222200001()()()()ZNeZNenimm 复折射率 2222(1)2nni n(1)nni实部虚部222220222200(1)1()()ZNenm 222222002()()ZNenm222202222001()()ZNenm 1在损耗很低的情况下 介质的折射率可能大于1，也可能小于1，甚至可能是负值 001n
14、n 随着增加而增加，正常色散区域 0共振吸收 22222001(1)1ZNenm 0 1n n 随着增加而减小，反常色散区域 X射线在介质中的折射率小于19.3 光的散射 光在不均匀媒质中产生散射。 介质中的带电粒子都对入射的光波进行散射 如果粒子均匀分布，则所有散射波叠加的结果，只剩下沿入射方向的光波。 所以，对于均匀分布的介质，不必计入散射。散射的分类悬浮质点的散射分子散射散射定律瑞利散射：当散射体的尺寸小于波长时，散射光强(1/)4米德拜散射：散射体颗粒度远大于波长时，散射光强对波长的依赖性不强。ka4k瑞利区米氏区散射几率0.010.111010023 . 0a3 . 02 kaaRa
15、yleigh Scatter3 . 0kaMie-Debye Scatter 大气层的瑞利散射天空的颜色 直视太阳，进入眼睛的主要是被大气散射之后透射过来的光 巡视天空，进入眼睛的是阳光经大气散射之后的光日落处变红，远处天空蓝色，都是由于瑞利散射日落，透射光与散射光Colorado sky 瑞利散射形成的蓝天摄于内蒙沙漠上空，地平线处白色是由于米德拜散射散射的方向性 散射光的强度、偏振都与方向有光强光在介质中的非线性电极化效应 入射光强较大，介质中线形关系不再成立 (1)(2)(3)(1)(2)(3)0PEEEEEEPPP 单色强光入射0cosEEt(1)(1)00cosPEt (2)2(2)(2)2(2)200cos()(1 cos2)2EPEEtt 线性电极化强度 二次非线性电极化强度 基波 二次谐波 和频与差频 两列不同频率的强光入射(2)(2)2(2)2011022coscosPEEtEt(2)2222011010212022(cos2coscoscos)EtE EttEt22(2)010212(1 cos2)(1 cos2)22EEtt(2)01021212cos()cos() E Ett1011cosEEt2022cosEEt 二次非线性电极化强度 二倍频成分 和频成分 差频成分 倍频晶体与二次谐波装置 相位匹配
