中国科学技术大学：《光学 Optics》课程教学课件（PPT讲稿）Chapter 6 光与物质相互作用 Dispersion of Light

第六章光与物质相互作用 6.1光的吸收（略) 6.2光的色散（略） 6.3光的散射

第六章 光与物质相互作用 6.1 光的吸收（略） 6.2 光的色散（略） 6.3 光的散射

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光的散射 散射现象概述 定义 散射：光束通过光学性质不均匀的介质时，其能量将向整个空间内散开， 从而在垂直于传播方向上的强度不为0。 散射物质 平行光 散射光 条件 媒质的光学性质不均匀。例如：气体中有随机运动的分子、原子或烟雾、 尘埃，液体中混入小微粒，晶体中掺入杂质或缺陷等。 散射现象的分类 ①散射光波矢量变化而波长不变化：瑞利散射、米氏散射。 ②散射光波矢和波长同时变化：拉曼散射和布里渊(Brillouin)散射

光的散射 散射现象概述 散射：光束通过光学性质不均匀的介质时，其能量将向整个空间内散开， 从而在垂直于传播方向上的强度不为0。 定义 条件 媒质的光学性质不均匀。例如：气体中有随机运动的分子、原子或烟雾、 尘埃，液体中混入小微粒，晶体中掺入杂质或缺陷等。 ① 散射光波矢量变化而波长不变化：瑞利散射、米氏散射。 ② 散射光波矢和波长同时变化：拉曼散射和布里渊（Brillouin）散射。 散射现象的分类 x l z 散射光 散射物质 平行光

散射现象及其解释 散射机制的多样性 按尺度由小到大，可以主要分为以下几种。 (1)分子散射 成因：介质中的原子或分子中包含的电子，在外来光波的电磁场作用下， 做同频的受迫振动，形成一个偶极振子，这些偶极振子作为新的次波源 向四周发射次波，这些次波的相干叠加，再和主光波进行叠加，形成了 散射光场。 决定因素：叠加的结果，是否有明显的侧向散射光强，主要取决于两个 因素。 ①散射单元的尺度 ②散射单元的排列方式

散射现象及其解释 散射机制的多样性 （1）分子散射 成因：介质中的原子或分子中包含的电子，在外来光波的电磁场作用下， 做同频的受迫振动，形成一个偶极振子，这些偶极振子作为新的次波源， 向四周发射次波，这些次波的相干叠加，再和主光波进行叠加，形成了 散射光场。 决定因素：叠加的结果，是否有明显的侧向散射光强，主要取决于两个 因素。 ① 散射单元的尺度 ② 散射单元的排列方式 按尺度由小到大，可以主要分为以下几种

散射现象及其解释 散射机制的多样性（续） (1)分子散射（续） 气体中的典型尺度关系 可见光波长1≈500nm分子线度a≈0.5nm 气体分子间距d≈5nm 因此，对于气体来说λ》ā>a一→极小尺度散射单元一全方位散射 散射单元的位置分布对散射的影响 ()散射单元均匀排列→相干叠加的结果使侧向散射光强为0，仅保留沿 入射方向的零级波。大量次波与主光波叠加，使零级波相位有所滞后， 因此介质中的光波相速度小于真空中的光速。 (b)分子热运动对散射的影响 热运动造成分子密度的局部涨落。一→产生随机的不均匀性。→侧向光强不为0。 由于分子线度很小，因此偶极振子强度很小，导致散射光强微弱

散射现象及其解释 散射机制的多样性（续） （1）分子散射（续） 气体中的典型尺度关系 可见光波长   500nm 分子线度 a nm  0.5 气体分子间距 d nm  5 因此，对于气体来说 𝜆 ≫ 𝑑ሜ > 𝑎 极小尺度散射单元 全方位散射 散射单元的位置分布对散射的影响 (a) 散射单元均匀排列 相干叠加的结果使侧向散射光强为0，仅保留沿 入射方向的零级波。大量次波与主光波叠加，使零级波相位有所滞后， 因此介质中的光波相速度小于真空中的光速。 (b) 分子热运动对散射的影响 热运动造成分子密度的局部涨落。 产生随机的不均匀性。 侧向光强不为0。 由于分子线度很小，因此偶极振子强度很小，导致散射光强微弱

散射现象及其解释 散射机制的多样性（续) (2)微粒散射 条件：较大的微粒：大气中的水珠、灰尘，透明液体中的杂质等。这些微 粒的线度可以达到a≈λ，微粒之间的距离d>λ或d》入 行为：微粒改变入射波前的振幅分布或相位分布，其行为可以看做一个个 衍射单元。 特点： (a)由于其线度与达到波长量级或更大，衍射效应十分显著。 (b)由于微粒间距远大于波长，位置无规律，且伴随随机的布朗运动，使相 干叠加的结果，从统计平均上看与非相干叠加相同，即单元衍射的光强 直接相加，从而呈现显著的散射效应。 (3)大颗粒散射 条件：大颗粒的线度α>λ，非均匀区域的线度远小于波长，其散射波可以 看做几何光学意义上的反射和透射波，散射光场是单元反射波和透射波的 非相干叠加

散射现象及其解释 散射机制的多样性（续） （2）微粒散射 条件：较大的微粒：大气中的水珠、灰尘，透明液体中的杂质等。这些微 粒的线度可以达到 a ≈ λ，微粒之间的距离 行为：微粒改变入射波前的振幅分布或相位分布，其行为可以看做一个个 衍射单元。 𝑑ሜ > 𝜆 或 𝑑ሜ ≫ 𝜆 特点： (a) 由于其线度与达到波长量级或更大，衍射效应十分显著。 (b) 由于微粒间距远大于波长，位置无规律，且伴随随机的布朗运动，使相 干叠加的结果，从统计平均上看与非相干叠加相同，即单元衍射的光强 直接相加，从而呈现显著的散射效应。 （3）大颗粒散射 条件：大颗粒的线度 a >> λ，非均匀区域的线度远小于波长，其散射波可以 看做几何光学意义上的反射和透射波，散射光场是单元反射波和透射波的 非相干叠加

瑞利散射和米氏散射 瑞利散射定律 瑞利散射实验 散射物质 实验条件：平行白光入射于牛奶 白光 与水的混合液中。 散射光 实验现象： 瑞利散射实验装置 (1)正侧向(x方向)散射光：青蓝色 短波成分居多。 (2)平行向(z方向)透射光：偏红色 长波成分居多。 瑞利散射定律 应用条件：散射微粒的几何线度远小于波长时（α</10）。 定律描述：散射过程不改变入射光的波长，但散射光的强度随入射光 的波长不同而不同，其关系可表述为 散射光方向 0π/2时的散射光强 1lo)coc元 I(0)=1(1+cos8) 向

瑞利散射和米氏散射 瑞利散射定律 瑞利散射实验 瑞利散射实验装置 x l z 散射光 散射物质 实验条件：平行白光入射于牛奶 白光 与水的混合液中。 实验现象： （1）正侧向（x方向）散射光：青蓝色——短波成分居多。 （2）平行向（z方向）透射光：偏红色——长波成分居多。 瑞利散射定律 应用条件：散射微粒的几何线度远小于波长时(a < λ/10)。 定律描述：散射过程不改变入射光的波长，但散射光的强度随入射光 的波长不同而不同，其关系可表述为： 4 4 1 I( )      0 I I ( ) (1 cos )   = + z θ x 散射光 rs 方向 入 射 光 方 向 Ip/ 2 I (Q ) θ=π/2时的散射光强

瑞利散射和米氏散射 米氏散射 应用条件：散射微粒的几何线度较大情况（α>101）。 实验：米和德拜采用不同半径的金质小球，得出结论一当ka较大时， 其散射几乎不依赖于波长。 几散 率射 瑞利区 米氏区 →ka 0.01 0.1110100 兄 2π a0.3 Mie-Debye Scatter

瑞利散射和米氏散射 ka 4 k 瑞利区 米氏区 散 射 几 率 0.01 0.1 1 10 100 p  2 a  0.3 0.3 2 a = k a   p Rayleigh Scatter ka  0.3 Mie-Debye Scatter 米氏散射 应用条件：散射微粒的几何线度较大情况（a>10λ）。 实验：米和德拜采用不同半径的金质小球，得出结论—当ka较大时， 其散射几乎不依赖于波长

拉曼散射 拉曼的实验(1928) 实验：在苯、甲苯、水及其他多种介质中观察到频率发生改变的散射现象。 入射光频率：Vo 拉曼散射线 Vo-Vi Vo+y 散射光频率：Vo,Vo±V1,Vo±V2, 斯托克斯线：长波散射光（红伴线） 反斯托克斯线：短波散射光（紫伴线) 拉曼的规律 ①同一散射物质，其散射光的频移大小与入射 光波长无关。 ② 长波散射光（斯托克斯线）强度大于短波 (反斯托克斯线)。 ③ 不同散射物质的散射光与入射光的波长差不 印度物理学家，拉曼 (1888-1971) 同，反映了物质分子振动的固有频率。 1930年诺贝尔物理学奖

拉曼散射线 n 0+n1 n 0 n n 0 -n1 拉曼散射 拉曼的实验（1928） 实验：在苯、甲苯、水及其他多种介质中观察到频率发生改变的散射现象。 入射光频率：n 0 散射光频率：n 0 , n 0±n 1 , n 0±n 2 , ··· 斯托克斯线：长波散射光（红伴线） 反斯托克斯线：短波散射光（紫伴线） 拉曼的规律 ① 同一散射物质，其散射光的频移大小与入射 光波长无关。 ② 长波散射光（斯托克斯线）强度大于短波 （反斯托克斯线）。 ③ 不同散射物质的散射光与入射光的波长差不 同，反映了物质分子振动的固有频率。 印度物理学家，拉曼 (1888-1971) 1930年诺贝尔物理学奖

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