物理光学第五章优秀PPT.ppt

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1、5.1光的吸取光的吸取在前面探讨光的传播时，总是假定媒质是透亮的。事在前面探讨光的传播时，总是假定媒质是透亮的。事实上，除了真空，没有一种媒质对电磁场是确定透亮实上，除了真空，没有一种媒质对电磁场是确定透亮的。因此，光的强度随着在媒质中传播距离增加而渐的。因此，光的强度随着在媒质中传播距离增加而渐渐减弱。这是由于光能量一部分被媒质吸取后转化为渐减弱。这是由于光能量一部分被媒质吸取后转化为其它形式的能量（热能、化学能），这一现象称为媒其它形式的能量（热能、化学能），这一现象称为媒质对光的吸取。质对光的吸取。一、光吸取的线性规律一、光吸取的线性规律 吸取系数 标记了介质对光吸取实力的大小，各种介质

2、的吸取系数差别很大，对于可见光，金属的 ,玻璃的 而一个大气压下空气的 这就表明，金属对可见光是不透亮的，空气对可见光的透亮度很高。应当指出，布格尔定律有确定的适用范围。大量试验表明，对一般强度的光源来说，它是相当精确的，然而，在激光出现以后，光与物质相互作用的非线性效应显示出来，它不再成立。二、一般吸取和选择吸取吸取系数 是波长的函数，依据 随波长变更规律的不同，将吸取分为一般吸取和选择吸取。若物质对各种波长的光的吸取程度几乎相等，即 不随 变，这种吸取称为一般吸取。例如空气、纯水、无色玻璃等在可见光范围内都产生一般吸收，当可见光通过这些物质后只变更光的强度而不变更颜色。若物质对某些波长的光

3、吸取特殊猛烈，而对其它波长的光吸取较少，则这种吸取称为选则吸取。选择吸取是物质呈现颜色的主要缘由。绿色玻璃是把入射的白光中的红、兰色吸取掉，只剩绿色光透射过去。三、吸取光谱介质的吸取系数 随光波长的变更关系曲线称为该介质的吸取光谱。让具有连续光谱的白光通过吸取物质后再经光谱仪分析，即可将不同波长的光被吸取的状况显示出来，形成吸取光谱。每一种物质能选择吸取的波长是特定的，它反映了物质本身的特性。淡薄原子气体的吸取峰很窄，所形成的原子吸收光谱是线状光谱。原子吸取光谱的灵敏度很高，混合物或化合物中极少量原子含量的变更，会在吸取光谱中反映出吸取系数很大的变更。（如图的钠蒸汽吸取光谱）与原子气体的线状光

4、谱不同，分子气体、液体和固体的吸取谱线密集地组成带状，故称为带状吸取光谱。（如图的YAG晶体吸取光谱）任何物质不但有特定的吸取光谱也有特定的放射光谱。某种物质自身放射哪些波长的光，它就猛烈地吸取哪些波长的光。从广袤的电磁波谱来考虑，任何物质对电磁波的吸取都包含有一般吸取和选择吸取二种状况。例如，地球大气对可见光、紫外光是透亮的，但对红外光的某些波段有吸取，而对另外一些波段比较透亮。透亮的波段称为“大气窗口”。（如下图所示）5.2 光的色散一、色散的概念介质中的光速（或折射率）随光波波长变更的现象叫光的色散现象。常用色散率来表征介质色散程度，即量度介质折射率随波长变更快慢的物理量。事实上由于折射

5、率 变更关系较困难，无法用一个简洁的函数表示出来，而且这种变更关系随材料而异。因此，一般都是通过试验测定 变更的关系，并做成曲线，这种曲线就是色散曲线。二、正常色散二、正常色散折射率随着波长增加而减小的色散叫正常色散。折射率随着波长增加而减小的色散叫正常色散。试验表明，凡对可见光透亮的物质，它们的色散曲线形试验表明，凡对可见光透亮的物质，它们的色散曲线形状很相像，其共同特点如下：状很相像，其共同特点如下：1）波长越长，折射率越小；）波长越长，折射率越小；2）波长越长，折射率随波长的变更率越小，即色散率越）波长越长，折射率随波长的变更率越小，即色散率越小；小；3）波长确定时，折射率越大的材料，其

6、色散率也越大；）波长确定时，折射率越大的材料，其色散率也越大；4）波长很长时，色散率趋于）波长很长时，色散率趋于0。描述介质的色散特性，除了接受色散曲线外，常常利用试验总结出来的阅历公式。科希于1836年首先给出了正常色散的阅历公式式中，A、B和C是由所探讨的介质特性确定的常数。当波长变更范围不大时，科希公式可只取前两项。不同材料，A、B和C的值不同，即使对同一种材料，在不同的色散区，A、B和C的值也不同。三、反常色散三、反常色散1862年，年，Le Roux用充溢碘蒸汽的三棱镜视察到了紫光的折射用充溢碘蒸汽的三棱镜视察到了紫光的折射率比红光的折率比红光的折射率小，由于这个现象与当时已视察到的

7、正常色散现象相反，射率小，由于这个现象与当时已视察到的正常色散现象相反，称它为反常色称它为反常色散。进一步的探讨发觉，反常色散与介质对光的选择吸取有亲散。进一步的探讨发觉，反常色散与介质对光的选择吸取有亲密关系，它并密关系，它并不不“反常反常”，也是介质的一种普遍现象。，也是介质的一种普遍现象。光的吸取区旁边就是反常色散区，在石英的色散曲线测量中，光的吸取区旁边就是反常色散区，在石英的色散曲线测量中，如图所示，在如图所示，在可见光区域内，测得曲线可见光区域内，测得曲线PQR段，其结果与由科希公式计算的段，其结果与由科希公式计算的结果一样。结果一样。当从当从R 起先向红外波段延长时，起先向红外波

8、段延长时，n值的测量结果比计算结果下值的测量结果比计算结果下降要快得多。降要快得多。图中实线是测量结果，虚线是计算结果。在吸取区，由于光无图中实线是测量结果，虚线是计算结果。在吸取区，由于光无法通过，法通过，n值值也就测不出来了。当入射光波长越过吸取区后，光又可通过石也就测不出来了。当入射光波长越过吸取区后，光又可通过石英介质，这时英介质，这时折射率数值很大，而且随着波长的增加急剧下降。在远离吸取折射率数值很大，而且随着波长的增加急剧下降。在远离吸取区时，区时，n值变值变化减慢，这时又进入了另一个正常色散区，即曲线中的化减慢，这时又进入了另一个正常色散区，即曲线中的ST段，段，这时科希公这时科

9、希公式又适用了，不过其常数式又适用了，不过其常数A、B值要相应地变更。明显，上述吸值要相应地变更。明显，上述吸取区所对应取区所对应的即是所谓的的即是所谓的“反常反常”色散区。色散区。一种物质的全部色散曲线是由若干正常色散区和反常色散区相间分布构成的，在相邻两个吸取带之间，折射率单调下降，通过一个吸取带时，折射率急剧增大，而且随 的增大，曲线总的趋势不断抬高。四、吸取和色散的理论说明（略）5.3光的散射光的散射一、光的散射现象一、光的散射现象当光束通过匀整的透亮介质时，除传播方向外，当光束通过匀整的透亮介质时，除传播方向外，是看不是看不到光的。而当光束通过非匀整介质时，就可以在到光的。而当光束通

10、过非匀整介质时，就可以在侧面看侧面看到光束的轨迹，即在光线传播方向以外能够接受到光束的轨迹，即在光线传播方向以外能够接受到光能。到光能。这种光束通过不匀整介质所产生的偏离原来传播这种光束通过不匀整介质所产生的偏离原来传播方向，方向，向四周散射的现象，就是光的散射。向四周散射的现象，就是光的散射。所谓介质不匀整，指的是气体中有随机运动的分所谓介质不匀整，指的是气体中有随机运动的分子、原子、原子或烟雾、尘埃，液体中混入小微粒，晶体中存子或烟雾、尘埃，液体中混入小微粒，晶体中存在缺陷在缺陷等。等。由于光的散射是将光能散射到其它方向上，而光由于光的散射是将光能散射到其它方向上，而光的吸取则的吸取则是将

11、光能转化为其它形式的能量，所以从本质上是将光能转化为其它形式的能量，所以从本质上说二者不说二者不同，但是在实际测量时，很难区分开它们对透射同，但是在实际测量时，很难区分开它们对透射光强的影光强的影响，因此，在实际工作中通常都将这两个因素的影响考虑在一起，将透射光强表示为依据散射光频率相对入射光频率是否有变更，可将散射分为线性散射和非线性散射。二、线性散射散射光的频率等于入射光的频率，这类散射称为线性散射。1、瑞利散射散射粒子大小在 以下，称为瑞利散射。通过大量的试验探讨表明，瑞利散射的主要特点是：1）散射光强度与入射光波长的四次方成正比，即由瑞利散射定律可以看出，在由大气散射的太阳光中，短波长

12、光占优势。所以，太阳散射光在大气层内层，蓝色的成分比红色多，使天空呈蔚蓝色。如图所示，利用瑞利散射定律也可说明正午的太阳呈白色，旭日和夕阳呈红色。2）3)散色光是偏振光，不论入射光是自然光还是偏振光都是这样，该偏振光的偏振度与视察方向有关。2、米氏散射当散射粒子的尺寸接近或大于波长时，称为米氏散射。它的主要特点是：1）散射光强与偏振特性随散射粒子的尺寸变更。2）散射光强随波长的变更规律是与波长的较低次幂成反比，即3）散射光的偏振度随 的增加而减小，这里 是散射粒子的线度，是入射光波长。4)图（a)为粒子线度约为 ，散射光强角分布。图（b)为粒子线度增大时的光强角分布图，其前向散射加强，后向散射减弱。