物理光学课程主要内容课件.ppt
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1、6.4 光的散射,6.4.1 光的散射现象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,6.4.1 光的散射现象散射的概念,当光束通过均匀的透明介质时,除传播方向外,其他方向是看不到光的。而当光束通过混浊液体或穿过灰尘弥漫的空间时,就可以在侧面看到光束的轨迹,即在光线传播方向以外能够接收到光能。这种光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向,向四周散射的现象光的散射。所谓介质不均匀,是指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,晶体中存在缺陷等。,由于光的散射是将光能散射到其它方向上,而光的吸收则是将光能转化为其它形式的能量,从本质上说二者
2、不同,但是在实际测量时,很难区分开它们对透射光强的影响。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:,h散射系数,K吸收系数,衰减系数。在实际测量中得到的都是。,通常,根据散射光的波矢 k 和波长的变化与否,将散射分为两大类:一类散射是散射光波矢 k 变化,但波长不变化,属于这种散射的有瑞利散射,米氏(Mie)散射和分子散射;另一类是散射光波矢 k 和波长均变化,属于这种散射的有喇曼(Raman)散射、布里渊(Brillouin)散射。,有些光学不均匀性十分显著、且光在其中产生强烈散射的介质一般称为“浑浊介质”,它是指在一种介质中悬浮有另一种介质,例如含有烟、雾、水滴的大
3、气,乳状胶液、胶状溶液等。亭达尔(Tyndell)等人最早对浑浊介质的散射进行了大量的实验研究,并且从实验上总结出了一些规律,因此,这一类现象叫亭达尔效应。瑞利进行了理论研究和说明,所以又称为瑞利散射微粒线度比光波长小,不大于(1/51/10)的粒子的散射。,6.4.2 瑞利散射,瑞利散射的主要特点:散射光强度与入射光波长的四次方成反比,即:,I()为与入射光方向成 角)的散射光强度。,整个天空之所以呈现光亮,是由于大气对太阳光的散射,如果没有大气层,白昼的天空也将是一片漆黑。,解释许多自然现象:,天空为什么呈现蓝色?由瑞利散射定律,大气散射的太阳光中,短波长光占优势,例如,红光波长(=0.7
4、2m)为紫光波长(=0.4 m)的1.8倍,因此紫光散射强度约为红光的(1.8)410倍。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。为什么正午太阳基本上呈白色,旭日和夕阳却呈红色?正午太阳直射穿过大气层厚度最小,阳光中被散射掉的短波成分不太多,因此垂直透过大气层后的太阳光基本上呈白色或略带黄橙色。早晚的阳光斜射,穿过大气层的厚度比正午时厚得多,被大气散射掉的短波成分也多得多,仅剩下长波成分透过大气到达观察者,所以旭日和夕阳呈红色。,太阳的颜色,因为红光透过散射物的穿透力比蓝光强,所以在拍摄薄雾景色时,可在照相机物镜前加上红色滤光片以获得更清晰的照片。红外线穿透力比可见光
5、强,常被用于远距离照相或遥感技术。,散射光强随 角的变化关系,瑞利散射的主要特点:散射光强度随观察方向变化。自然光入射时,散射光强 I()与(1+cos2)成正比。,散射光是偏振光,其偏振度与观察方向有关。,当线偏振光照射某些气体或液体,从侧向观察时,散射光变成部分偏振光退偏振,6.4.3 米氏散射,1.概念,当散射粒子的尺寸接近或大于波长时,其散射规律与瑞利散射不同。这种大粒子散射的理论,目前还很不完善,对球形导电粒子(金属的胶体溶液)所引起的光散射,米氏进行了较全面的研究,并在1908年提出了悬浮微粒线度可与入射光波长相比拟时的散射理论。,关于大粒子的散射称为米氏散射。,2.特点,散射光强
6、和偏振特性随散射粒子的尺寸变化。散射光强随波长的变化规律是与波长 的较低幂次成反比,即:,其中,n=1,2,3。n 的具体取值取决于微粒尺寸。,散射光的偏振度随 r/的增加而减小,这里 r 是散射粒子的线度,是入射光波长。,当散射粒子线度与光波长相近时,散射光强度对于光矢量振动平面的对称性被破坏,随着悬浮微粒线度的增大,沿入射光方向的散射光强将大于逆入射光方向的散射光强。微粒线度约为 1/4 波长时,散射光强角分布如图(a)示,此时I()在=0和=处的差别尚不很明显。当微粒线度继续增大时,在=0方向的散射光强明显占优势,并产生一系列次极大值,如图(b)所示。,米氏散射光强的角分布,利用米氏散射
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