1、1,引言,液晶显示器 立体照相 立体电影 偏振滤光片 汽车前窗玻璃及前车灯,有反射光干扰的橱窗,在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰,立体电影,利用偏振形成双眼视差效应，产生立体景象视觉效果,用并排的两台摄影机拍摄， 两放映机镜头分别放置偏振化方向互相垂直的偏振片， 观众的立体眼镜为两个偏振化方向互相垂直的偏振片,6,偏振片的应用,偏振片的应用很多，例如：, 作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的反射光。, 制成偏光眼镜，可观看立体电影。, 若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与地面成45角、且向同一方向倾斜的偏振片，可以避免汽车会车时灯光的晃眼。当然，要有能量损失。, 作为许多光学仪器中的起
2、偏和检偏装置。,7,第14章 光的偏振,141 光的偏振状态 142 线偏振光的获得与检验 143 反射和折射光的偏振 144 光的双折射 145 偏振态的转换 146 偏振光的干涉 147 旋光效应 148 人工双折射,14.1 光的偏振状态,光是特定频率范围内的电磁波。,起光作用的是电场强度矢量，称为光矢量。,光矢量的振动方向与光的传播方向垂直，这一特征称为光的偏振。,偏振性是横波区别于纵波的重要特征。,光的偏振态,在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动状态， 各种振动状态称为光的偏振态。,一、完全偏振光,线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：,1、线偏振光,线偏振光表示法：,
3、2、圆偏振光,线、圆和椭圆偏振光 完全偏振光,、椭圆偏振光,12,线、圆和椭圆偏振光均称为完全偏振光。,逆光观察， 光矢量顺时针旋转的称为右旋（圆）椭圆偏振光； 光矢量逆时针旋转的称为左旋（圆）椭圆偏振光。,13,振动的合成：具有某一特定相位差的两个垂直振动， 合振动的振幅矢量端点的轨迹可以是直线、圆、椭圆,14,圆和椭圆偏振光可看成是两束频率相同、 传播方向一致、振动方向相互垂直、 相位差为某个确定值的线偏振光的合成。,为某个确定值的线偏振光的合成。,右旋圆偏振光的合成。,圆和椭圆偏振光可看成是两束频率相同、,传播方向一致、,振动方向相互垂直、,相位差,线偏振光则可以看成是两束频率相同、,相
4、位相同、,振幅相同、,传播方向也相同的,左、,二、完全非偏振光自然光,垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。,自然光的表示法：,一束自然光可分解为两束振动方向相互,三、部分偏振光,表示法：,自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分,部分偏振光可看成是自然光和线偏振,光的混合，,偏振光。,就是这种部分偏振光，,天空中的散射光和水面的反射光,它可以分解如下：,四、偏振度,Ip 部分偏振光中包含的完全偏振光的强度,It 部分偏振光的总强度,In 部分偏振光中包含的自然光的强度,完全偏振光 （线、圆、椭圆） P = 1,自然光 （ 非偏振光） P = 0,部分偏振光 0 P 1,偏振度：,14.2 线偏振光
5、的获得与检验,一、起偏,起偏的原理：利用某种光学的不对称性,偏振片P（获得线偏振光）,起偏器：起偏的光学器件,：从自然光获得偏振光,（常用）,二、线偏振光的检偏,检偏：用偏振器件检验光的偏振态,若 I 不变，是什么光？,若 I 变，有消光，是什么光？,若 I 变，无消光，是什么光？,然光混合而成的部分偏振光,设入射光可能是自然光,线偏振光,或由线偏振光与自,或,偏振化方向 （通光方向）,三、马吕斯定律,I0,I, 马吕斯定律（1809）, 消光,自然光I0,线偏振光 I,偏振化方向 （通光方向）,四、偏振片的应用,偏振片的应用很多，例如：,作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的,反射光。,制成偏
6、光眼镜，可观看立体电影。,作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。,有反射光干扰的橱窗,在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰,立体电影,利用偏振形成双眼视差效应，产生立体景象视觉效果,用并排的两台摄影机拍摄， 两放映机镜头分别放置偏振化方向互相垂直的偏振片， 观众的立体眼镜为两个偏振化方向互相垂直的偏振片,在两块正交偏振片 之间插入另一块偏振片 ，光强为 的自然光垂直入射于偏振片 ，讨论转动 透过 的光强 与转角的关系 .,例题：,若 在 间变化， 如何变化？,例题 一束光由自然光和线偏振光混合组成，当它通过一转动的偏振片时，透射光光强的最大值是最小值的 5 倍。求入射光中自然光和线偏振光的光
7、强各占入射光光强的几分之几？,解,设入射光光强为 I0 ，其中自然光光强为 I10 ，,线偏振光强度为 I20,设通过偏振片后的光强分别为 I ，I1 ，I2,五、反射和折射时光的偏振,反射光垂直入射面的分量（S）比例大，,折射光平行入射面的分量（P）比例大，,入射角i 变,反射、折射光的偏振度也变。,i = i0 时，反射光只有S分量：,i0 布儒斯特角或 起偏角,i0 +r0 = 90,由,得布儒斯特定律,例：外腔式激光管加布儒斯特窗减少反射损失,则：,垂直分量损耗大，不能形成激光，但平行分量能形成激光。,互余,对布儒斯特定律的定性解释：,折射光波在第二种介质中激起电子做受迫振动，振动方向
8、沿光矢量方向。振动的原子可看做是电偶极子辐射次波，这些次波传回第一种介质相干叠加形成反射波。,当以布儒斯特角入射时，反射光垂直于折射光。在入射点处，P分量的振动方向正好沿着反射光线的方向，因电磁波是横波，所以反射光只有S分量。,六、玻璃片堆起偏,当 时反射光是线偏振的，可用来起偏。,但单次反射的反射光强太低（只占15），而且方向发生变化，使用不方便。因此更多利用 时的折射光起偏，并采用玻璃片堆增大透射光的偏振度。,讨论下列光线的反射和折射（起偏角 ）.,讨论下列光线的反射和折射（起偏角 ）.,14.3 光的双折射,双折射会映射出双像,i,一、双折射的概念,1、双折射：,n1,n2,ro,re,
9、(各向异 性介质),自然光,o光,e光,2、寻常（o）光和非寻常（e）光,o光 ： 遵从折射定律,e光 ： 一般不遵从折射定律,e光折射线也不一定在入射面内。,射到各向异性介质时，,一束光入,折射光分成两束的现象。,方解石,o,e,以入射方向为 轴旋转方解石,双折射的两 束光振动方 向相互垂直,方解石的双折射,当方解石晶体旋转时，,e光的像围绕 o 光的像旋转。,o 光的像不动，,继续旋转方解石晶体：,继续旋转方解石晶体：,继续旋转方解石晶体：,继续旋转方解石晶体：,3、晶体的光轴,当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发,例如，方解石晶体（冰洲石）的光轴：由钝顶角引出的与三个邻边成等角的方向就是
10、光轴。,光轴是一个特殊的方向，,单轴晶体：只有一个光轴的晶体，如方解石。,双轴晶体：有两个光轴的晶体，如云毋。,该方向称为晶体的光轴。,生双折射，,直线均为光轴。,凡平行于此方向的,方解石的光轴,4、主截面与主平面,晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面,叫该束光的主平面。,晶体表面的法线与光轴决定的平面，称为晶体的主截面。,晶体的各向异性：,介电常数为 x , y,x= y z,光矢量垂直于光轴时，,光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同，,介电常数就不同，光的传播速度也就不同。,二、晶体的主折射率，正晶体、负晶体,o光：,no ，ne 称为 晶体的主折射率,正晶体：ne no,负晶体：ne n
11、o,e光：,(ve vo),(ve vo),如：石英、冰,如：方解石、红宝石,三、单轴晶体中光传播的惠更斯作图法,1、光轴平行晶体表面，自然光垂直入射,o、 e方向上虽没分开，,下面以负晶体(ve vo)为例，介绍该方法：,但速度上是分开的，,这仍是双折射。,以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，,是研究光在晶体中传播的重要方法。,正-长轴 负-短轴,惠更斯：光波阵面上每一点都可以看作新的子波源，以后任意时刻，这些子波的包迹就是该时刻的波阵面。 1690年,o,e,2、光轴平行晶体表面，且垂直入射面，,晶体,re,vot,vet,o,e,ct,自然光斜入射,在这种特殊的情况下，对e 光也可以用,折
12、射定律。,3、光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射,这正是前面演示的情形。,14.4 椭圆偏振光和圆偏振光,一、晶体起偏器件,1、晶体的二向色性、晶体偏振器,某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异，,例如，电气石对o光有强烈吸收，,对e光,吸收很弱，,用它就可以产生线偏振光。,这叫晶体的二向色性。,2、偏振棱镜,偏光棱镜：,偏振棱镜可由自然光获得高质量的线偏振光，,可由自然光获得原方向的线偏振光,它又可分为偏光棱镜和偏光分束棱镜。,o 光几乎不改变方向；,e 光在方解石界面上全反射后被吸收。,可以由,计算出e 光的全反射临界角,格兰汤姆孙棱镜,偏光分束棱镜：,可由自然光获得分开的两束线偏振光,光进
13、入到第1块方解石后，o光和e光在方向上没有分开。,由于方解石2和方解石1二者光轴垂直，当光进入到方解石2时，o 光变成e光（none）：光密光疏；而e光变成o 光：光疏光密,于是两光束在界面处发生折射而分开。,一束线偏振光垂直射入一块方解石，入射前光矢量方向与晶体的主截面成30o角，求：在方解石中o光、e光的光强之比。,例题,解：垂直射入主截面、主平面共面,若入射光振幅A,例题,用方解石切割成正三角形截面的棱镜，自然光以i 角入射，定性画出o光、e光的振动方向，传播方向。,解：方解石负晶体垂直 光轴方向v e vo,光轴,e光,o光,注 意： o光、e光只在晶体内部才有意义！,二、变相差器 圆
14、和椭圆偏振光的起偏,波片：光轴平行于表面的晶体薄片。,从晶片出射的两束光由于出现相位差，,而合成为一束椭圆、圆或线偏振光。,在入射点，o、e光的相位差为零，在出射点晶片对o、e光产生的附加相位差：,，出射光为椭圆(圆)偏振光,当,，出射光仍为线偏振光,当,1、四分之一波(晶)片,线偏振光圆偏振光,线偏振光线偏振光,可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）,厚度满足,线偏振光椭圆偏振光,2、二分之一波片,可使线偏振光振动面转过2 角度,3、全波片,注意：波片是对某个确定波长 而言的,光轴,三、椭圆与圆偏振光的检偏,【思考】如何用四分之一波片和偏振片区分,部分偏振光和椭圆偏振光,自然光和圆偏振光,
15、四分之一波片,偏振片（转动）,以入射光方向为轴,四分之一波片,偏振片（转动）,光轴平行最大光强或最小光强方向放置,或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置,如何区分由自然光和椭圆偏振光组成的 部分偏振光，与由自然光和线偏振光组成 的部分偏振光？,【思考】,如何区分由自然光和圆偏振光组成的部分 偏振光，与自然光？,巴比涅补偿器,上楔中 o光 e光,下楔中 e光 o光,附加相位差,光程差,索列尔补偿器,偏振光的干涉 自 学,14.6 旋光现象,一、物质的旋光性,除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的,1811年，法国物理学家阿喇果（Arago）,其振动面能发生旋转，,发现，,线偏振光沿光轴方向通过石英晶
16、体时，,这称为旋光现象。,水溶液等也都具有旋光性。,a 旋光率,实验表明，旋光率 a 与旋光物质和入射波长,等因素有关，,石英对 = 589nm的黄光，a = 21.75/mm；,而对 = 408nm的紫光，a = 48.9/mm 。,对于溶液，旋光率 a还和旋光物质的浓度有关。,相同浓度下，旋光率随入射光的波长而改变的现象，称为旋光色散。,c是溶液浓度,旋光性 左 旋 右 旋,物 质 左旋物质 右旋物质,物质的旋光性是和物质原子排列结构有关的，,原子排列互为镜像对称，,左旋物质与右旋物质的,称为同分异构体。,二、人为各项异性,电光效应也叫电致双折射效应。,克尔效应 （1875年）,不加电场液
17、体各向同性P2不透光；,加电场液体呈单轴晶体性质，,光轴平行电场强度 P2透光。,硝基苯溶液,二次电光效应,k 克尔常数，U 电压,克尔效应引起的相位差为：,可作为光开关（响应时间109s），,克尔盒的应用：,克尔盒的缺点：,和加数万伏的高电压，,用于高速摄影、,激光通讯、,光速测距、,脉冲激光系统（作为Q开关）,硝基苯有毒，,需要极高的纯度,故现在很少用。,易爆炸，,子弹射穿苹果的瞬间（高速摄影）,89,136 偏振光的干涉,偏振光的干涉同样有重要的应用。从干涉现象来说， 偏振光的干涉与自然光的干涉现象相同， 但实验装置不同：自然光干涉是通过分振幅法或分波面法获得两束相干光，进行干涉； 偏光
18、干涉则是利用晶体的双折射效应，将同一束光分成振动方向相互垂直的两束线偏振光，再经检偏器将其振动方向引到同一方向上进行干涉， 即，通过晶片和一个检偏器即可观察到偏光干涉现象。,90,光波通过晶片时，一般分成 、 两光波；但叠加时不产生干涉现象， 原因是两光波振动方向相互垂直。 若能使其同方向振动，则将出现干涉现象 （ 、 两光波，通过晶片后的频率不变，而且相位差恒定）。 这种通过晶片后产生的干涉，就是偏振光干涉。 这时，应考虑振动方向（由偏振器的取向决定） 和相位差 （ 、 两光波在晶体中光程差决定） 两个因素对干涉光强 的影响。,91,一 实验装置,晶片的厚度为 ，光轴平行于晶片表面。 起偏器
19、 将入射的自然光变成线偏振光， 检偏器 则将有一定相位差、振动方向互相垂直的 线偏振光引到同一振动方向上，使其产生干涉。,的偏振化方向与光轴夹角为 。,与 偏振化方向夹角为 ；,92,二 干涉光强公式,单色自然平行光通过 变成振幅 为的线偏振光，线偏振光的光强度为,93,线偏振光垂直投射到晶片上，在晶片内被分解为 振动方向互相垂直的两束线偏振光( 光和 光)。,两光的振幅为,沿光轴振动 光,垂直光轴振动 光,入射线偏振光与光轴夹角,94,由于是垂直振动，而且相位差恒定， 合成振动矢量端点轨迹一般为椭圆， 即从晶片出射的光，一般为椭圆偏振光。,两光通过晶片后的相位差为,95,从 出射两束振动方向
20、平行的 线偏振光，振幅分别为,96,从 出射的两束光 频率相同、振动方向平行、相位差恒定，是相干光。 将要产生干涉，干涉光强度为,97,1 起偏器与检偏器正交,光强度与晶片产生的相位差和两偏振器的取向有关,从 出射后的光强度为,98,当 或 时，即光在晶片中的振动方向与 偏振器之一的透光轴一致时，无论相位差 是多少， 从 出射后的光强度为零；,这还是与相位差 有关；,当 时，即光在晶片中的振动方向与偏振器之一 的透光轴夹角为 时，从 出射后的光强度最大 （相位差 不变的情况下），为,当 取其它值时（相位差 不变的情况下），光强度不是最大。,99,（1）晶片为全波片,即晶片为半波片时，输出光强得
21、到加强。 如果 ，则输出光强最强，为 。,当晶片产生的相位差为,（2）晶片为半波片,即晶片为全波片时，输出光强为零。 无论 为多大，输出光强都为零。,当晶片产生的相位差为,100,2 起偏器与检偏器平行,光强度与晶片产生的相位差和两偏振器的取向有关,从 出射后的光强度为,101,这还是与相位差 有关；,当 或 时，即光在晶片中的振动方向与 偏振器之一的透光轴一致时，无论相位差 是多少， 从 出射后的光强度最强，为 ；,当 时，即光在晶片中的振动方向与偏振器之一 的透光轴夹角为 时，从 出射后的光强度最弱 （相位差 不变的情况下），为,当 取其它值时（相位差 不变的情况下），光强度不是最弱。,1
22、02,（1）晶片为全波片,即晶片为半波片时，输出光强最弱。 如果 ，则输出光强最强，为零。,当晶片产生的相位差为,（2）晶片为半波片,当晶片产生的相位差为,即晶片为全波片时，输出光强最强，为 。 无论 为多大，输出光强都为 。,103,起偏器与检偏器正交和平行，两种情况干涉输出光强正好互补。使用全波片时，无论起偏器与检偏器正交还是平行，转动晶片时，输出光强不变。使用半波片时，起偏器与检偏器平行，则输出光强最弱； 起偏器与检偏器正交，则输出光强最强，而且有消光现象。由于弱光不易观察和测量，强光易于观察和测量， 所以，在进行平行偏振光干涉实验时， 一般是令起偏器与检偏器正交，使用半波片。,104,
23、三 显色偏振,如果晶片厚度一定而用不同波长的光来照射， 则透射光的强弱随波长的不同而变化， 不同厚度的晶片出现不同的彩色。 偏振光干涉时出现彩色的现象称为显色偏振或色偏振,如果在白光照射下，把其中一块偏振片连续转动， 则视场中的彩色就跟着连续变化，,105,显色偏振是检定双折射现象极为有效的方法。当晶片的折射率差值很小时， 用直接观察 光和 光的方法， 很难检定是否有双折射存在。 但是只要把这种物质薄片放在两块偏振片之间， 用白光照射，观察是否有彩色出现， 即可鉴定是否存在双折射。,显色偏振最著名的应用是用来制作“利奥滤光器”。 利奥滤光器的一个有价值的应用是在天文学上， 可以不必等待到日全食
24、便可观测日冕及日珥的光谱。 人们还可以通过改变滤光器的温度以改变晶片折射率， 从而将透射光谱峰值位置移至所需要的波长值。,106,对单色光变化，出现干涉条纹，对白光有彩色条纹。,四 出现干涉条纹的偏振光干涉,棱角为 的楔形石英晶片置于两个正交偏振片之间， 在准单色光入射时，位于 后面的观察屏上， 可以出现一组平行的直条纹， 或通过一透镜将此条纹放大成像于观察屏上。,107,偏振光的干涉，在工程上有着广泛的应用。 例如，塑料、玻璃和一些有机材料属非晶体物质。 一般情况下，它们对于光是各向同性的。 但是，在机械力的作用下，受到拉伸或压缩时， 会产生类似单轴晶体的各向异性的性质， 在光的照射下产生应
25、力双折射现象。 因此用这些材料制作各种工程部件模型， 模拟部件受力的情况， 并观察分析偏振光通过部件模型产生的干涉条纹， 可判断部件内部的应力分布， 最后以此为根据来决定工程材料的选用、加固等。 这种方法也称为光测弹性方法。,108,例134 如图，楔形石英晶片（ ， ）， 顶角 ， 光轴与棱边平行， 偏振片 、 的偏振化方向相互垂直， 且都与晶片的光轴成角 。单色光波长 ，,(1)干涉条纹的形状如何?相邻两暗条纹的间距为多少? (2) 旋转 ，图样如何变化? (3)保持 ，晶片 以光束为轴旋转 ，图样如何变化?,109,解：(1)由已知 、 ，则由 出射的光强为,而 ，可知 相同， 就相同，
26、因此光强 相同。,所以干涉条绞是沿棱边走向的明暗相间的直条纹,110,即暗纹条件为,在 处， ，明条纹中心；,在 处， ，为暗条纹中心。,111,相邻两条暗纹间距为,相邻两暗条纹对应的厚度差为,得第 级暗纹对应楔片厚度为,112,在 处 ， ，明条纹中心；,在 处， ，为暗条纹中心。,与旋转前比正好为明暗条纹互换位置。,(2) 旋转 ， 、 ，则由 出射的光强为,113,(3) 保持 ，晶片 以光束为轴旋转 ，,则 、 ，则,无论 等于多少，光强都为零，即视场一片黑暗。,第十五章 光与物质相互作用,光通过物质时，由于和物质相互作用，我们所看到的一切光学现象都是相互作用的结果,光的散射、吸收和色
27、散是 光在介质中传播时的普遍现象，并且是相互联系的。,研究光和物质的相互作用，不仅可以对各种光学现象和 光的性质有进一步的理解，而且可以通过对光现象的分析， 了解物质的原子、分子结构，测定分子常数等。,可把相互作用的结果分为三类：,第一，改变方向 散射 第二，随着光束深入物质，光强越来越弱，这是因为光的一部分能量被物质吸收，,第三，光在物质中传播的速度小于真空中的光速，而且与频率有关，这就是光的色散现象。,第15章 光与物质相互作用,15.1 分子光学的基本概念,15.2 光的散射,15.3 光的吸收,15.4 光的色散,151 分子光学的基本概念,一 电偶极子模型,光是电磁波。 物质由分子原
28、子组成。 光与物质的相互作用，就是电磁波与原子分子的作用。 或者说是原子分子中的带电粒子，在电磁波的作用下作受迫振动，形成振荡电偶极子。,设光波的频率为 ，作用在 原子分子中的带电粒子上的 有效电场强度为,对于各向同性的介质， 带电粒子所受的电场力为,每一个带电粒子还受其它电荷的作用， 当带电粒子在平衡位置附近 做微小振动时， 这个力可以等效为准弹性力,电偶极子在振荡时， 会不断向外辐射电磁波， 这种能量损失可以等效为 辐射阻尼力的作用,根据牛顿定律，带电粒子的运动方程,阻尼系数,偶极子的固有频率,微分方程,有稳态解,带电粒子的感生偶极矩,分子的感生电偶极矩与光波的策动电场间存在相位差,当 或
29、 时，偶极子的振幅很小；,当 时振幅最大，而且 。,二 带电粒子的振动,感生电偶极矩与策动电场的关系可写成,若分子感生偶极矩不与电场方向平行， 分子的极化率的大小与外电场方向有关， 则称为各向异性分子， 是张量。,式中 为分子极化率。,若分子感生偶极矩与策动电场方向平行， 分子极化率的大小与电场方向无关，则称为各向同性分子，,各种原子、离子以及具有高度对称性的分子 都是各向同性分子， 是常数；,对于原子核、离子（重振子），惯性大，只有在频率较低的红外光中才能振动。,复色光引起的偶极子振动，为单色光引起的偶极子振动的叠加。,地面附近的光波，电场强度约10V/m,频率约 （紫外光-红外光）。,粒子
30、很近，可以同时被同一列波激发，偶极子振动辐射的诸次波相干，且皆与入射波相干。,电子（轻振子），惯性小，响应频率可达可见光和紫外。,152 光的散射,当光束通过光学性质不均匀的物质时，从侧面可以看到光，这个现象叫做光的散射。,研究散射光的强度、偏振状态、光谱成分，为我们深入理解物质的性质、原子分子结构提供了非常丰富的知识。,光通过介质时，介质中的带电粒子在入射光的作用下 作受迫振动，成为辐射次波的波源。 以光的波长衡量，只要介质是均匀的， 由于次波之间、次波与入射波之间的干涉， 结果除了遵从几何光学规律的光线， 其余的多将干涉相消，即不产生散射。,要产生散射必须破坏介质的均匀结构。,一 纯净介质
31、的分子散射,1 瑞利散射（非相干散射）,瑞利认为：由于气体分子的无规热运动，次波源的分布杂乱无序，因此破坏了次波相位的相关性，产生了散射。散射光是非相干的，散射光的总光强是各分子散射光的光强叠加。,光射到稀薄气体上产生的散射光通常是不相干的，,媒质的不均匀度a 的媒质散射。,由于稀薄气体单位体积中 作为次波源的分子数很少，相互间几乎没有影响， 作用在分子上的就是光波的电场,分子的感生电偶极矩,沿某一方向传播的散射光，总可以把入射光分解成平行于由入射光和散射光决定的平面的分量 ，和垂直于该平面的分量 。,感生偶极矩 分为 和分量,分子散射光强,沿不同方向的散射光平行分量的强度是不同的， 而垂直分
32、量与方向无关。,当入射光是自然光,一个分子在 点产生的散射光强度为,如果介质受照射的体积中共有 个分子， 则在 点的散射光强度为,太阳光通过大气层时，空气中分子对短波部分散射特别强烈，因此，天空呈蔚蓝色。（非直视太阳） 清晨和傍晚，阳光通过大气层的距离较中午长，短波被充分散射掉后，人们见到的是一个红彤彤的太阳。,瑞利散射散射光光强,2 相干散射,如果介质是严格均匀的，即介质每一个小体积中的分子数相同，干涉的结果是不产生散射光。,如果热运动破坏了介质的均匀性， 使每个小体积元中的分子数不再相同， 形成振幅不等的相干辐射源， 干涉结果，在形成干涉极小方向也不能完全消光， 于是产生了散射光，这称为相
33、干散射。,相干散射的直接原因是介质的不均匀性， 密度的不均匀性、分子各向异性的不均匀性等 影响了干涉消光。,相干散射与非相干散射产生同样的效果,3 散射光的偏振状态,当光矢量 沿 方向的线偏振光沿 轴方向射到由各向同性的分子组成的介质内，,则分子感生电偶极矩的方向也沿 方向，,点的散射光只有平行分量，,散射光强,如果入射光是沿 方向振动的线偏振光，,则在图中 点观察到的是垂直分量，,这时散射光强度与 角无关。,如果入射光是自然光，由于它可分解成两束强度相等、光矢量相互垂直的独立的线偏振光， 所以散射光中也含有相应的两独立线偏振光的分量，散射光的光强则是两独立分量的非相干叠加光强叠加。,这时的散
34、射光是垂直于入射光散射光决定的平面振动的线偏振光。,随着 角的变化，光强的水平分量也变化，,垂直分量却保持不变。 在一般位置处，通常散射光是部分线偏振光。,当 或 时，水平分量为0，,当 时，水平分量达到最大值,与垂直分量相等，这时的散射光是自然光；,二 廷德尔散射,散射介质是 大颗粒散射时， 散射概率几乎 与光波波长无关,大颗粒媒质散射，对波长无选择。,云层是有大量的半径与可见光波长相近的水滴组成，当太阳光照射在上面时，云对所有波长的光都一视同仁地散射， 所以我们看到的云是白色的。,紫伴线,红伴线,三 拉曼散射,用强准单色光源照射某些气体、液体或透明晶体， 在垂直于入射光的方向，用光谱仪拍摄
35、散射光光谱。,印度物理学家拉曼于1928年发现,发现在散射光的光谱图中，,除了与入射光频率 相同的谱线以外， 在 的两侧对称地出现一系列谱线。,频率低于 的谱线称为红伴线(斯托克斯线)，,频率高于 的谱线称为紫伴线(反斯托克斯线)。,喇曼 （Sir Chandrasekhara Venkata Raman, 1888-1970）,因光散射方面的研究工作 和喇曼效应的发现， 获得了1930年度的 诺贝尔物理学奖。,拉曼散射的经典理论解释,阅读,由于分子的固有频率不止一个，因此还有,可见感生的分子电矩的振动频率有 和 ， 其辐射的次波(散射光)的频率也具有这三种频率。,对应红伴线；,对应紫伴线。,
36、阅读,153光的吸收,光的强度随着透入介质的深度的增加而减弱的现象， 是由于介质对光能的吸收和向各个方向散射造成的。 任何介质或多或少对光都有所吸收,对于均匀介质，例如常温下的液体和固体，由于散射光的干涉相消，散射衰减的光能量可以忽略不计，光强衰减主要来自真吸收。 对于非均匀介质和稀薄气体，衰减光能量起主要作用的是散射。,在入射表面处光强为 ，在介质中传播了 距离后 光强减弱为 ，,一束光在均匀介质中传播距离 ，,光强由 减弱为 ，,光能量增量,则有朗伯特定律,光在传播过程中强度减弱的原因有两个： 其一，能量真的被介质吸收而转化为介质的内能，这称为真吸收； 其二，光被介质中的颗粒散射而分散了能
37、量。,朗伯特定律进一步表示为,以 和 表示与真吸收和散射所对应的吸收系数,如果介质对各种波长的光的吸收程度相同， 即吸收系数与波长无关，则称为普遍吸收。 普遍吸收只改变光的强度，不改变光的颜色。,如果介质对不同波长的光的吸收程度不同， 即吸收系数是波长的函数，则称为选择吸收。 选择吸收不但改变光的强度，且改变复色光的颜色。,普遍吸收，吸收很少；选择吸收，吸收强烈。 任一介质对光的吸收，都是由两种吸收 （普遍吸收和选择吸收）组成的。,空气、纯净水、不含金属的玻璃在可见光范围内都是普遍吸收。,红玻璃中参入一些金属，形成选择吸收，就可以制成彩色的玻璃。 红色的玻璃能把白光中除了红色以外的光都吸收掉。
38、 太阳光是白色的，可是我们在阳光照耀下，却能看到一个五彩缤纷的世界，这多半是由于选择吸收的结果。,臭氧吸收紫外线、水蒸气吸收红外线属选择吸收。 研究它们含量的变化，对气象预报至关重要。,固体和液体选择吸收的波段较宽；而稀薄的原子气体吸收波段很窄。,地球的大气对可见光、紫外光是透明的，但对红外光有透明、有吸收，透明的波段称为“大气窗口”。,波长在 之间有七个窗口。,“窗口”的研究对红外导航、跟踪、制导至关重要。,红外吸收光谱：原子吸收光谱的灵敏度是很高的，不同分子红外吸收光谱显著不同。如确定太阳大气的组成、微量元素的分析等。尤其对同分异构体，虽然物理化学性质相近，但红外吸收光谱也明显不同。邻二甲
39、苯与间二甲苯，样品不足一克也能分析。,154 光的色散,1672年，牛顿在1672年发现了光的色散现象， 得到白光经棱镜的彩色光带。,色散率：,介质的折射率随光的波长而变化的现象称为色散,任何光学材料都有色散。,一 正常色散,实验结果表明， 凡是在可见光 范围透明(即对 可见光吸收很小) 的物质，都具有 相似的色散曲线。,具有 随着 的增加而单调下降的特点的色散称为正常色散。,无色透明介质，在可见光区域内，表现正常色散。,1836年柯西根据实验结果，得到一个描述正常色散的经验公式,式中 、 、 是由材料确定的常数。,当波长的变化范围不大时，柯西公式和色散率可简化为,1862年在观察碘蒸气的色散
40、现象时，发现蓝光的折射率比红光的要小，这与上述正常色散的情况正好相反。 列尔把这种折射率随波长的增大而增大的现象称为反常色散。 后来孔脱用正交棱镜法详细观测了许多材料的反常色散，,二 反常色散,最后他总结出一条重要的规律： 反常色散与介质对光的吸收有密切的关系， 反常色散区就是光的吸收区， 而远离吸收区又表现为正常色散的性质。 由于所有介质不可能对全部的电磁波区都是透明的， 也就是说任何介质都存在吸收区，只不过介质不同， 吸收区的位置有变动而已。,介质的“反常色散”实为介质与光相互作用 而表现的十分正常的情况。,若把色散曲线的测量向吸收区延伸，则会发现曲线测量结果与由科希公式得出的计算结果不符
41、。,例如，把石英色散曲线的测量，一直伸展到红外部分， 就会出现这种情况。在可见光区域内，曲线PRQ段， 测量结果与由科希公式得出的计算结果完全一致。,从R开始向红外部舒伸展时折射率值的测量结果比计算结果下降要快得多。,而且在吸收区，实际上无光通过，折射率值也就测不出来。,当入射光波长越过吸收区后，又有光通过， 这时折射率数值很大，且随波长的增加而急剧下降。,在远离吸收带时，折射率值变化减慢， 这时又进入了另一个正常色散区，即曲线中的ST段， 这时科希公式又可以用，不过其常数A、B的值也随之而变。,154,反常色散与物质对光的选择吸收有密切的联系。 “反常”色散是物质的一种普遍性质。,任何物质的全部色散图都是由反常色散区域和正常色散区域所构成。,反常色散区域相当于选择吸收带内或选择吸收线内附近的区域。,正常色散区域则是分布在各选择吸收带（线） 之间的一般吸收区域。,科希公式适用于正常色散区，且在不同波段的色散区，其常数A、B的值也不同。,
