物理光學(xué)課程主要內(nèi)容課件

6.4光的散射6.4.1光的散射現(xiàn)象6.4.2瑞利散射6.4.3米氏散射6.4.4分子散射6.4.5喇曼散射6.4光的散射6.4.1光的散射現(xiàn)象6.4.1光的散射現(xiàn)象——散射的概念

當(dāng)光束通過均勻的透明介質(zhì)時，除傳播方向外，其他方向是看不到光的。而當(dāng)光束通過混濁液體或穿過灰塵彌漫的空間時，就可以在側(cè)面看到光束的軌跡，即在光線傳播方向以外能夠接收到光能。這種光束通過不均勻介質(zhì)所產(chǎn)生的偏離原來傳播方向，向四周散射的現(xiàn)象——光的散射。所謂介質(zhì)不均勻，是指氣體中有隨機運動的分子、原子或煙霧、塵埃，液體中混入小微粒，晶體中存在缺陷等。6.4.1光的散射現(xiàn)象——散射的概念當(dāng)光束

由于光的散射是將光能散射到其它方向上，而光的吸收則是將光能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量，從本質(zhì)上說二者不同，但是在實際測量時，很難區(qū)分開它們對透射光強的影響。在實際工作中通常都將這兩個因素的影響考慮在一起，將透射光強表示為：h—散射系數(shù)，K—吸收系數(shù)，

—衰減系數(shù)。在實際測量中得到的都是

。由于光的散射是將光能散射到其它方向上，而光的吸收則是

通常，根據(jù)散射光的波矢k和波長的變化與否，將散射分為兩大類：一類散射是散射光波矢k變化，但波長不變化，屬于這種散射的有瑞利散射，米氏(Mie)散射和分子散射；另一類是散射光波矢k和波長均變化，屬于這種散射的有喇曼(Raman)散射、布里淵(Brillouin)散射。

通常，根據(jù)散射光的波矢k和波長的變化與否，將散射

有些光學(xué)不均勻性十分顯著、且光在其中產(chǎn)生強烈散射的介質(zhì)一般稱為“渾濁介質(zhì)”，它是指在一種介質(zhì)中懸浮有另一種介質(zhì)，例如含有煙、霧、水滴的大氣，乳狀膠液、膠狀溶液等。亭達(dá)爾(Tyndell)等人最早對渾濁介質(zhì)的散射進(jìn)行了大量的實驗研究，并且從實驗上總結(jié)出了一些規(guī)律，因此，這一類現(xiàn)象叫亭達(dá)爾效應(yīng)。

瑞利進(jìn)行了理論研究和說明，所以又稱為瑞利散射——微粒線度比光波長小，不大于(1/5～1/10)

的粒子的散射。6.4.2瑞利散射有些光學(xué)不均勻性十分顯著、且光在其中產(chǎn)生強烈

瑞利散射的主要特點：

①散射光強度與入射光波長的四次方成反比，即：I(

)為與入射光方向成

角)的散射光強度。

整個天空之所以呈現(xiàn)光亮，是由于大氣對太陽光的散射，如果沒有大氣層，白晝的天空也將是一片漆黑。解釋許多自然現(xiàn)象：瑞利散射的主要特點：I()為與入射光方向成

天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色?——由瑞利散射定律，大氣散射的太陽光中，短波長光占優(yōu)勢，例如，紅光波長(

=0.72

m)為紫光波長(

=0.4

m)的1.8倍，因此紫光散射強度約為紅光的(1.8)4≈10倍。所以，太陽散射光在大氣層內(nèi)層，藍(lán)色的成分比紅色多，使天空呈蔚藍(lán)色。

為什么正午太陽基本上呈白色，旭日和夕陽卻呈紅色?正午太陽直射穿過大氣層厚度最小，陽光中被散射掉的短波成分不太多，因此垂直透過大氣層后的太陽光基本上呈白色或略帶黃橙色。早晚的陽光斜射，穿過大氣層的厚度比正午時厚得多，被大氣散射掉的短波成分也多得多，僅剩下長波成分透過大氣到達(dá)觀察者，所以旭日和夕陽呈紅色。天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色?——由瑞利散射定律，大太陽的顏色地球正午太陽夕陽地球旭日

因為紅光透過散射物的穿透力比藍(lán)光強，所以在拍攝薄霧景色時，可在照相機物鏡前加上紅色濾光片以獲得更清晰的照片。紅外線穿透力比可見光強，常被用于遠(yuǎn)距離照相或遙感技術(shù)。太陽的顏色地球正午太陽夕陽地球旭日因為散射光強隨

角的變化關(guān)系瑞利散射的主要特點：②散射光強度隨觀察方向變化。自然光入射時，散射光強I(

)與(1+cos2

)成正比。③

散射光是偏振光，其偏振度與觀察方向有關(guān)。④

當(dāng)線偏振光照射某些氣體或液體，從側(cè)向觀察時，散射光變成部分偏振光——退偏振散射光強隨角的變化關(guān)系瑞利散射的主要特點：③散6.4.3米氏散射1.概念

當(dāng)散射粒子的尺寸接近或大于波長時，其散射規(guī)律與瑞利散射不同。這種大粒子散射的理論，目前還很不完善，對球形導(dǎo)電粒子(金屬的膠體溶液)所引起的光散射，米氏進(jìn)行了較全面的研究，并在1908年提出了懸浮微粒線度可與入射光波長相比擬時的散射理論。

關(guān)于大粒子的散射稱為米氏散射。6.4.3米氏散射1.概念當(dāng)散射粒子的尺2.特點①散射光強和偏振特性隨散射粒子的尺寸變化。②散射光強隨波長的變化規(guī)律是與波長

的較低冪次成反比，即：其中，n=1,2,3。n的具體取值取決于微粒尺寸。③散射光的偏振度隨r/

的增加而減小，這里r是散射粒子的線度，

是入射光波長。2.特點①散射光強和偏振特性隨散射粒子的尺寸變化。④當(dāng)散射粒子線度與光波長相近時，散射光強度對于光矢量振動平面的對稱性被破壞，隨著懸浮微粒線度的增大，沿入射光方向的散射光強將大于逆入射光方向的散射光強。微粒線度約為1/4波長時，散射光強角分布如圖(a)示，此時I(

)在

=0和

=

處的差別尚不很明顯。當(dāng)微粒線度繼續(xù)增大時，在

=0方向的散射光強明顯占優(yōu)勢，并產(chǎn)生一系列次極大值，如圖(b)所示。米氏散射光強的角分布④當(dāng)散射粒子線度與光波長相近時，散射光強度對于光矢

利用米氏散射也可以解釋許多自然現(xiàn)象。例如，藍(lán)天中飄浮著白云，是因為組成白云的小水滴線度接近或大于可見光波長，可見光在小水滴上產(chǎn)生的散射屬于米氏散射，其散射光強與光波長關(guān)系不大，所以云霧呈現(xiàn)白色。利用米氏散射也可以解釋許多自然現(xiàn)象。例如，藍(lán)6.4.4分子散射1.概念如前所述，光在渾濁介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的不均勻性，將產(chǎn)生懸浮微粒的散射。其中，當(dāng)懸浮微粒的線度小于1/10波長時，稱為瑞利散射；當(dāng)懸浮微粒的線度接近或大于波長時，稱為米氏散射。實際上在純凈介質(zhì)中，因分子熱運動引起密度起伏、或分子各向異性引起分子取向起伏、或溶液中濃度起伏引起介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的非均勻而產(chǎn)生光的散射，稱為分子散射。在臨界點時，氣體密度起伏很大，可以觀察到明顯的分子散射，這種現(xiàn)象稱為臨界乳光。6.4.4分子散射

2.特征

通常，純凈介質(zhì)中由于分子熱運動產(chǎn)生的密度起伏所引起折射率不均勻區(qū)域的線度比可見光波長小得多，所以分子散射中，散射光強與散射角的關(guān)系與瑞利散射相同。例如，理想氣體對自然光的分子散射光強為n為氣體折射率，N0為單位體積氣體中的分子數(shù)目，r為散射點到觀察點的距離，Ii為入射光強度。

而由分子各向異性起伏產(chǎn)生的分子散射光強度，比密度起伏產(chǎn)生的分子散射光強度還要弱得多。2.特征n為氣體折射率，N0為單位體積氣體中的6.4.5喇曼散射1.概念

一般情況下，一束準(zhǔn)單色光入射介質(zhì)時，散射光和入射光是同一頻率。但是，當(dāng)入射光足夠強時，就能夠觀察到很弱的附加分量旁帶，即出現(xiàn)新頻率分量的散射光。

喇曼散射就是散射光的方向和波長相對入射光均發(fā)生變化的一種散射。6.4.5喇曼散射1.概念一1928年，印度科學(xué)家喇曼和蘇聯(lián)科學(xué)家曼杰利斯塔姆分別在研究液體和晶體散射時，幾乎同時發(fā)現(xiàn)了散射光中除有與入射光頻率

0相同的瑞利散射線外，在其兩側(cè)還伴有頻率為

1,

2,

3,…；

1

,

2

,

3

,…的散射線存在。如果如圖6-16(a)所示，當(dāng)用單色性較高的準(zhǔn)單色光源照射某種氣體、液體或透明晶體，在入射光的垂直方向上用光譜儀攝取散射光，就會觀察到喇曼散射。1928年，印度科學(xué)家喇曼和蘇聯(lián)科學(xué)家曼杰利觀察喇曼散射的實驗裝置示意圖觀察喇曼散射的實驗裝置示意圖2.特征

①

在每一條原始的入射光譜線旁邊都伴有散射線，長波長方向的散射線稱為紅伴線或斯托克斯線，短波長方向上的散射線稱為紫伴線或反斯托克斯線，它們和原始光的頻率差相同，只是反斯托克斯線相對斯托克斯線出現(xiàn)得少而弱。

②這些頻率差與入射光波長無關(guān)，只與散射介質(zhì)有關(guān)。

③每種散射介質(zhì)有它自己的一套頻率差

1

=

0

1，

2

=

0

2，

3

=

0

3，，其中有些和紅外吸收的頻率相等，它們表征了散射介質(zhì)的分子振動頻率。2.特征①在每一條原始的入射光譜線旁邊都伴有散射線

從經(jīng)典電磁理論的觀點看，分子在光的作用下發(fā)生極化，極化率的大小因分子熱運動產(chǎn)生變化，引起介質(zhì)折射率的起伏，使光學(xué)均勻性受到破壞，從而產(chǎn)生光的散射。由于散射光的頻率是入射光頻率

0和分子振動固有頻率的聯(lián)合，所以喇曼散射又叫聯(lián)合散射。設(shè)入射光電場為

E=E0cos(2

0t)

分子因電場作用產(chǎn)生的感應(yīng)電偶極矩為P=

0

E

從經(jīng)典電磁理論的觀點看，分子在光的作用下發(fā)生極化，極式中，

為分子極化率。若

為不隨時間變化的常數(shù)，則P以入射光頻率

0作周期性變化，由此得到的散射光頻率也為

0，這就是瑞利散射。若分子以固有頻率

振動，則分子極化率不再為常數(shù)，也隨

作周期變化，可表示為:式中，

0為分子靜止時的極化率；

為相應(yīng)于分子振動所引起的變化極化率的振幅。將此式代入(6.4-12)式，得:式中，為分子極化率。若為不隨時間變化的常數(shù)，則P以入射

上式表明，感應(yīng)電偶極矩P的頻率有三種：

0,

0

，所以散射光的頻率也有三種。頻率為

0的譜線為瑞利散射線；頻率為

0-

的譜線稱為喇曼紅伴線，又稱為斯托克斯線；頻率為

0+

0的譜線稱為喇曼紫伴線，又稱反斯托克斯線。若分子的固有頻率不只一個，有

1,

2,…，則喇曼散射線中也將產(chǎn)生頻率為

0

1,

0

2,

0

3等譜線。實驗發(fā)現(xiàn)，反斯托克斯線出現(xiàn)得少，且強度很弱，利用經(jīng)典電子理論無法解釋這種現(xiàn)象，這也正是喇曼散射經(jīng)典理論的不完善之處，只有量子理論才能對喇曼散射作出圓滿的解釋。上式表明，感應(yīng)電偶極矩P的頻率有三種：0,

由于喇曼散射光的頻率與分子的振動頻率有關(guān)，所以喇曼散射是研究分子結(jié)構(gòu)的重要手段，利用這種方法可以確定分子的固有頻率，研究分子對稱性及分子動力學(xué)等問題。分子光譜屬于紅外波段，一般都采用紅外吸收法進(jìn)行研究。而利用喇曼散射法的優(yōu)點是將分子光譜轉(zhuǎn)移到可見光范圍進(jìn)行觀察、研究，可與紅外吸收法互相補充。由于喇曼散