材料的光學(xué)性質(zhì)

1、材料的光學(xué)性質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)授課對象:功能材料 2012-1、2012-2概述概述 材料對可見光的不同吸收和反射性能使世界五光十色。 光學(xué)玻璃的應(yīng)用 光通信纖維玻璃 釹玻璃 光學(xué)塑料 微波爐容器 光傳播的基本理論光傳播的基本理論1. 波粒二象性波粒二象性2. 光子是同時具有微粒和波動兩種屬性的特殊物質(zhì)光子是同時具有微粒和波動兩種屬性的特殊物質(zhì),是光的雙是光的雙重本性的統(tǒng)一。重本性的統(tǒng)一。3. 在涉及光傳播特性的場合,只要電磁波不是十分微弱,經(jīng)典的電磁波理論還是完全正確的。當(dāng)涉及光與物質(zhì)相互作用并發(fā)生能量、動量交換的問題時,才必須把光當(dāng)做具有確定能量和動量的粒子流來看待。（光波和光子)2. 光的

2、電磁性光的電磁性 光是一種電磁波光是一種電磁波,它是電磁場周期性振動的傳播所形成的。它是電磁場周期性振動的傳播所形成的。在光波中,電場和磁場總是交織在一起的。變化著的電場周圍會感生出變化的磁場,而變化著的磁場周圍又會感生出另一個變化的電場,如此循環(huán),電磁場就以波的形式朝著各個方向向外擴展。 可見光可見光:人眼能感受到的,其波長大約在390770nm范圍,對應(yīng)的頻率范圍是7.710144.11015Hz。 光波是一種橫波。由于人的視覺、植物的光合作用,以及絕大多數(shù)測量光波的儀器對光的反應(yīng)主要由光波中的電場所引起,磁場對介質(zhì)的作用遠(yuǎn)比電場要弱,而且一旦得到電場強度就可以算出磁場強度,因此實際討論中

3、往往只考慮電場的作用,而將磁場忽略。所以電電場強度矢量被直接作為場強度矢量被直接作為“光矢量光矢量”?；竟? 光波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同,而光振動的頻率不變,因此相同頻率的光波在不同介質(zhì)中可有不同的波長。如果不特別說明,通常使用的是真空中的波長值。v電磁波在介質(zhì)中的速度:rrcv 001c rrn cnv 光波的傳播伴隨著光能量的流動。在單位時間里流過垂直于傳播方向的單位截面積的能量稱為光波的能流密度。光波的能流密度。3. 光的干涉和衍射（波動性）光的干涉和衍射（波動性） 光的波動性主要表現(xiàn)在它有干涉和衍射及偏振等特光的波動性主要表現(xiàn)在它有干涉和衍射及偏振等特性。性。所謂雙光束干涉就是

4、指兩束光相遇以后,在光的疊加區(qū),光強重新分布,出現(xiàn)明暗相間、穩(wěn)定的干涉條紋。 雙光束干涉的條件雙光束干涉的條件:兩束光的頻率相同、振動方向一致并且有固定的位相關(guān)系。（相干光）光的衍射（繞射）光的衍射（繞射）:當(dāng)光波傳播遇到障礙物時,在一定程度上能繞過障礙物而進(jìn)入幾何陰影區(qū)。 只有當(dāng)光遇到的障礙物或狹縫的尺寸與其波長相比可以相比擬時,衍射現(xiàn)象才明顯地表現(xiàn)出來。日常所見到的一般物體與光的波長相比都可稱是巨大的障礙物,所以光波通常表現(xiàn)直線傳播性質(zhì)。4. 光子的能量和動量光子的能量和動量 最小的能量單元稱為“光子”。 光子具有分立的動量,數(shù)值為: 光照射到物體上就相當(dāng)于一串光子打到物體表面,它們對物體

5、會產(chǎn)生一定的壓力（光壓）h/ph 光子的能量和動量雖小光子的能量和動量雖小, ,卻不能再分割。卻不能再分割。最微弱的光源至少發(fā)射一個光子,要么不發(fā)射,不能發(fā)射半個光子,即光子是不可分的光子是不可分的。 波動理論認(rèn)為光強在球面上的均勻分布,在這里只能理解為球面上各個探測器接收到這個光子的概率相等。只有等這個光源發(fā)射了許多光子之后,球面上每個探測器積累接收到這個光子數(shù)才會相等。 總之總之, ,光既可以看作光波又可以看作光子流。光子是光既可以看作光波又可以看作光子流。光子是電磁場能量和動量量子化的粒子電磁場能量和動量量子化的粒子, ,而電磁波是光子的概率而電磁波是光子的概率波。光作為波的屬性可以用頻

6、率和波長來描述波。光作為波的屬性可以用頻率和波長來描述, ,而作為光而作為光子的屬性則可以用能量和動量來表征。子的屬性則可以用能量和動量來表征。光的反射和折射光的反射和折射1.1. 反射定律和折射定律反射定律和折射定律2. 光波入射到兩種媒質(zhì)的分界面以后,如果不考慮吸收、散射等其他形式的能量損耗,則入射光的能量只在兩種介質(zhì)的界面上會發(fā)生反射和折射,能量重新分配,而總能量保持不變。基本規(guī)律:（1）光在均勻介質(zhì)中的直線傳播定律;（2）光通過兩種介質(zhì)的分界面時的反射定律和折射定律;（3）光的獨立傳播定律和光路可逆性原理。入射角、反射角、折射角含義反射定律反射定律: :反射線與入射線位于同一平面（即入

7、射面）內(nèi),并分別處在法線的兩側(cè);反射角等于入射角。折射定律折射定律: :折射線位于入射面內(nèi),并和入射線分別處在法線的兩側(cè);對單色光而言,入射角的正弦和折射角的正弦之比是一個常數(shù)。1212sinsinn122sinsinn 兩種材料的相對折射率與它們的絕對折射率之間的關(guān)系為: n21=n2/n1 折射定律: n1sin1=n2sin2光路可逆原理光路可逆原理: : 當(dāng)光線從第二介質(zhì)中沿著原來的折射線從相反方向入射到界面并經(jīng)過折射后,在第一介質(zhì)中必定逆著原入射線的方向射出。同理,根據(jù)反射定律,若光線沿反射線從相反方向入射,經(jīng)過界面反射后必定逆原入射線的方向射出。 介質(zhì)的折射率是大于1的正數(shù)。 不同

8、組成、不同結(jié)構(gòu)的介質(zhì)的折射率是不同的。影響n值的因素有下列四方面:v 構(gòu)成材料元素的離子半徑構(gòu)成材料元素的離子半徑v 材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)v 材料所受的內(nèi)應(yīng)力材料所受的內(nèi)應(yīng)力v 同質(zhì)異構(gòu)體同質(zhì)異構(gòu)體構(gòu)成材料元素的離子半徑構(gòu)成材料元素的離子半徑 介質(zhì)的折射率隨介質(zhì)的介電常數(shù)介質(zhì)的折射率隨介質(zhì)的介電常數(shù)的增大而增大。的增大而增大。 與介質(zhì)的極化現(xiàn)象有關(guān)。當(dāng)光的電磁輻射作用到介質(zhì)上時,介質(zhì)的原子受到外加電場的作用而極化,正電荷沿著電場方向移動,負(fù)電荷沿著反電場方向移動,這樣正負(fù)電荷的中心發(fā)生相對位移。外電場越強,原子正負(fù)電荷中心居里愈大。由于電磁輻射和原子的電子體系的相互

9、作用,光波被減速了。 當(dāng)介質(zhì)材料的離子半徑增大時當(dāng)介質(zhì)材料的離子半徑增大時,其其增大增大,因而因而n也隨之也隨之增大。增大。材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài) 折射率除與離子半徑有關(guān)外,還與離子的排列密切相關(guān)。對于非晶態(tài)（無定型體）和立方晶體這些各向同性的材料,當(dāng)光通過時,光速不因傳播方向改變而變化,材料只有一個折射率,稱之為均質(zhì)介質(zhì)。但是除立方晶體以外的其他晶型,都是非均質(zhì)介質(zhì)。光進(jìn)入非均質(zhì)介質(zhì)時,一般都要分為振動方向相互垂直、傳播速度不等的兩個波,它們分別構(gòu)成兩條折射光線,這個現(xiàn)象稱為雙折射雙折射。 雙折射是非均質(zhì)晶體的特性雙折射是非均質(zhì)晶體的特性, ,這類晶體的所有光學(xué)性這

10、類晶體的所有光學(xué)性能都和雙折射有關(guān)。能都和雙折射有關(guān)。 平行于入射面的光線的折射率,稱為常光折射率常光折射率n0。常光折射率嚴(yán)格服從折射定律。常光折射率嚴(yán)格服從折射定律。 與之垂直的光線所構(gòu)成的折射率,則隨入射線方向的改變而變化,稱為非常光折射率非常光折射率ne。它不遵守折射定律它不遵守折射定律,隨隨入射光的方向而變化。入射光的方向而變化。 當(dāng)光沿晶體光軸入射時,只有n0存在;與光軸方向垂直入射時,ne達(dá)最大值,此值視為材料特性。材料所受的內(nèi)應(yīng)力材料所受的內(nèi)應(yīng)力 有內(nèi)應(yīng)力的透明材料有內(nèi)應(yīng)力的透明材料, ,垂直于受拉主應(yīng)力方向的垂直于受拉主應(yīng)力方向的n n大大, ,平行于受拉主應(yīng)力方向的平行于受

11、拉主應(yīng)力方向的n n小。小。同質(zhì)異構(gòu)體同質(zhì)異構(gòu)體 在同質(zhì)異構(gòu)材料中在同質(zhì)異構(gòu)材料中, ,高溫時的晶型折射率較低高溫時的晶型折射率較低, ,低溫時低溫時存在的晶型折射率較高。存在的晶型折射率較高。2. 折射率與傳播速度的關(guān)系折射率與傳播速度的關(guān)系 材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。兩種介質(zhì)相比,折射率較大者,光的傳播速度較慢,稱為光密光密介質(zhì)介質(zhì);折射率較小者,光的傳播速度較快,稱為光疏介質(zhì)光疏介質(zhì)。 材料表現(xiàn)出一定的折射率材料表現(xiàn)出一定的折射率, ,從本質(zhì)上講從本質(zhì)上講, ,反映了材料的反映了材料的電磁結(jié)構(gòu)（對非鐵磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu)電磁

12、結(jié)構(gòu)（對非鐵磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu)) )在光波電磁場作在光波電磁場作用下的極化性質(zhì)或介電特性。用下的極化性質(zhì)或介電特性。 正是因為介質(zhì)的極化,“拖住”了電磁波的步伐,才使其傳播速度變得比真空中慢。材料的極化性質(zhì)又與構(gòu)成材料的原子的原子量、電子分布情況、化學(xué)性質(zhì)等微觀因素有關(guān)。這些微觀因素通過宏觀量介電系數(shù)來影響光在材料中的傳播速度。3. 反射率和透射率反射率和透射率 反射光的功率對入射光的功率之比稱為反射率反射率（有時也稱反射比反射比）。經(jīng)過折射進(jìn)入第二介質(zhì)的光為透射光,透射光與入射光之比稱為透射率透射率。 當(dāng)光線由介質(zhì)1入射到介質(zhì)2時,光在介質(zhì)面上分成了反射光和折射光,如圖,這種反射和折射,可以

13、連續(xù)發(fā)生。當(dāng)光線從空氣進(jìn)入介質(zhì)時,一部分反射出來了,另一部分折射進(jìn)入介質(zhì)。當(dāng)遇到另一界面時,又有一部分發(fā)生反射,另一部分折射進(jìn)入空氣。布儒斯特定律布儒斯特定律: : 自然光在電介質(zhì)界面上反射和折射時,一般情況下反射光和折射光都是部分偏振光,只有當(dāng)入射角為某特定角時反射光才是線偏振光,其振動方向與入射面垂直,此特定角稱為布儒斯特角或起偏角。布儒斯特角或起偏角。 光以布儒斯特角入射時光以布儒斯特角入射時, ,反射光與折射光相互垂直。反射光與折射光相互垂直。21tanBnn 利用布儒斯特角可以產(chǎn)生偏振光。介質(zhì)的折射率與波長有關(guān),因此同一材料對不同波長有不同的反射率。如,金對綠光的垂直反射率為50%,

14、而對紅外線的反射率可達(dá)96%以上。W-光的總能量W-反射光的總能量W-折射光的總能量m-反射系數(shù),根據(jù)能量守恒定律,其中1-m稱為透射系數(shù)221211()1nWmWnWWW11WWmWW 由于陶瓷、玻璃等材料的折射率較空氣的大由于陶瓷、玻璃等材料的折射率較空氣的大, ,所以反所以反射損失嚴(yán)重。射損失嚴(yán)重。如果透鏡系統(tǒng)由許多塊玻璃組成,則反射損失更可觀。為了減少這種界面損失,常常采用折射率和玻璃相近的膠將它們粘起來,這樣,除了最外和最內(nèi)的表面是玻璃和空氣的相對折射率外,內(nèi)部各界面都是玻璃和膠的較小的相對折射率,從而大大減小了界面的反射損失。 常用的光學(xué)窗口材料常用的光學(xué)窗口材料:玻璃和熔石英是最

15、常見的非金屬光學(xué)材料,它們在可見光區(qū)是透明的,但光線正入射時,每個表面仍約有4%的反射。高分子材料中有機玻璃在可見光波段與普通玻璃一樣透明,在紅外區(qū)也有相當(dāng)?shù)耐干渎?可作為各種裝置的光學(xué)窗口。聚乙烯在可見光波段不透明,但在遠(yuǎn)紅外區(qū)透明,可作遠(yuǎn)紅外波段的窗口和保護(hù)膜。4. 光的全反射和光導(dǎo)纖維光的全反射和光導(dǎo)纖維 當(dāng)光束從折射率n1較大的光密介質(zhì)進(jìn)入折射率n2較小的光疏介質(zhì),即n2n1時,則折射角大于入射角。因此入射角達(dá)到某一角度c時,折射角可等于90,此時有一條很弱的折射光線沿界面?zhèn)鞑?。如果入射角大于c,就不再有折射光線,入射光的能量全部回到第一介質(zhì)中。這種現(xiàn)象稱為全反射, c就稱為全反射的臨

16、界角。21sincnn不同介質(zhì)的臨界角大小不同。不同介質(zhì)的臨界角大小不同。 普通玻璃對空氣42 水對空氣48.5 鉆石因折射率很大（n=2.417）,故臨界角很小,容易發(fā)生全反射。切割鉆石時,利用特殊的角度選擇,可使進(jìn)入的光線全反射并經(jīng)色散后向其頂部射出,看起來就會光彩奪目。 利用光的全反射原理,可以制作一種新型光學(xué)元件光導(dǎo)纖維（光纖）。 光纖是由光學(xué)玻璃、光學(xué)石英或塑料制成的直徑為幾光纖是由光學(xué)玻璃、光學(xué)石英或塑料制成的直徑為幾微米至幾十微米的細(xì)絲（纖芯）微米至幾十微米的細(xì)絲（纖芯）, ,在纖芯外面覆蓋直徑在纖芯外面覆蓋直徑100100150150m的包層和涂敷層。的包層和涂敷層。包層的折射

17、率比纖芯略低,在內(nèi)外兩層之間產(chǎn)生多次全反射而傳播到另一端。在光導(dǎo)纖維內(nèi)傳播的光線,其方向與纖維表面的法向所成夾角如果大于42,則光線全部內(nèi)反射,無折射能量損失。 目前常用的光纖材料有石英系玻璃、多成分玻璃和復(fù)合材料。5. 棱鏡、透鏡和反射鏡棱鏡、透鏡和反射鏡 利用材料的折射性質(zhì)可以制成有用的光學(xué)元件,應(yīng)用最外廣泛的是棱鏡和透鏡。材料對光的吸收和色散材料對光的吸收和色散 一束平行光照射各向同性的材料時,除了可能發(fā)生反射和折射而改變其傳播方向之外,進(jìn)入材料之后還會發(fā)生兩種變化。v 光吸收光吸收v 光的色散光的色散1. 光的吸收光的吸收（1）吸收系數(shù)與吸收率吸收系數(shù)與吸收率 入射光強減少量dI/I應(yīng)

18、與吸收層的厚度dl成正比。即為吸收系數(shù),其單位為cm-1,它取決于材料的性質(zhì)和光的波長。dIdlI 朗伯特（朗伯特（Lambert)定律定律: 它表明,在介質(zhì)中光強隨傳播距離呈指數(shù)式衰減。在介質(zhì)中光強隨傳播距離呈指數(shù)式衰減。 光作為一種能量流光作為一種能量流,在穿過介質(zhì)時在穿過介質(zhì)時,引起介質(zhì)的價電子引起介質(zhì)的價電子躍遷躍遷,或使原子振動而消耗能量。此外或使原子振動而消耗能量。此外,介質(zhì)中的價電子吸介質(zhì)中的價電子吸收光子能量而激發(fā)收光子能量而激發(fā),當(dāng)尚未退激時當(dāng)尚未退激時,在運動中與其他分子碰在運動中與其他分子碰撞撞,電子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥膭幽芤嗉礋崮茈娮拥哪芰哭D(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥膭幽芤嗉礋崮?從而構(gòu)

19、成光能從而構(gòu)成光能的衰減。即使對光不發(fā)生散射的透明介質(zhì)的衰減。即使對光不發(fā)生散射的透明介質(zhì),光也會有能量光也會有能量的損失的損失,這就是產(chǎn)生光吸收的原因。這就是產(chǎn)生光吸收的原因。0lII e（2）光吸收與波長的關(guān)系）光吸收與波長的關(guān)系 任何物質(zhì)只對特定的波長范圍表現(xiàn)為透明任何物質(zhì)只對特定的波長范圍表現(xiàn)為透明,而對另一而對另一些波長范圍則不透明。些波長范圍則不透明。金屬對光能吸收很強烈,這是因為金屬的價電子處于未滿帶,吸收光子后即呈激發(fā)態(tài),用不著躍遷到導(dǎo)帶即能發(fā)生碰撞而發(fā)熱。 在電磁波譜的可見光區(qū),金屬和半導(dǎo)體的吸收系數(shù)都是很大的。但是電介質(zhì)材料、包括玻璃、陶瓷等無機材料的大部分在這個波譜區(qū)內(nèi)都

20、有良好的透過性。也就是說吸收系數(shù)很小。這是因為電介質(zhì)材料的價電子所處的能帶是填滿了的。它不能吸收光子而自由運動,而光子的能量又不足以使價電子躍遷到導(dǎo)帶,所以在一定的波長范圍內(nèi),吸收系數(shù)很小。 但電介質(zhì)材料在紫外區(qū)出現(xiàn)了紫外吸收端,這是因為波長越短,光子能量越大。當(dāng)光子能量達(dá)到禁帶寬度時,電子就會吸收光子能量從滿帶躍遷到導(dǎo)帶,此時吸收系數(shù)將驟然增大。此紫外吸收端相應(yīng)的波長可根據(jù)材料的禁帶狂度Eg求得,即gcEhh 另外,在紅外區(qū)的吸收峰是因為離子的彈性振動與光子輻射發(fā)生諧振消耗能量所致。吸收分為選擇吸收和均勻吸收。吸收分為選擇吸收和均勻吸收。 如石英在整個可見光波段都很透明,且吸收系數(shù)幾乎不變,

21、這種現(xiàn)象稱為“一般吸收一般吸收”。但是在3.55.0m的紅外線區(qū),石英表現(xiàn)為強烈吸收,且吸收率隨波長劇烈變化,這種同一物質(zhì)對某一種波長的吸收系數(shù)可以非常大,而對另一種波長的吸收系數(shù)可以非常小的現(xiàn)象稱為“選擇吸收選擇吸收”。 任何物質(zhì)都有兩種形式的吸收任何物質(zhì)都有兩種形式的吸收,只是出現(xiàn)的波長范圍只是出現(xiàn)的波長范圍不同而已。透明材料的選擇吸收使其呈不同的顏色。不同而已。透明材料的選擇吸收使其呈不同的顏色。2. 光的色散光的色散 材料的折射率隨入射光的頻率的減?。ɑ虿ㄩL的增材料的折射率隨入射光的頻率的減小（或波長的增加）而減小的性質(zhì)加）而減小的性質(zhì),稱為折射率的色散。稱為折射率的色散。 在給定入射

22、光波長的情況下,材料的色散為 色散=dn/d 色散值可以由色散曲線確定,但最實用的方法是用固定波長下的折射率來表達(dá),而不是去確定完整的色散曲線。最常用的數(shù)值是倒數(shù)相對色散,即色散系數(shù)色散系數(shù)1DFCnnn 經(jīng)典色散理論采用了阻尼受迫振子的模型。經(jīng)典色散理論采用了阻尼受迫振子的模型。根據(jù)這個模型,介質(zhì)原子的電結(jié)構(gòu)-正負(fù)電荷之間由一根無形的彈簧束縛在一起的振子。 在光波電磁場的作用下在光波電磁場的作用下, ,正負(fù)電荷發(fā)生相反方向的位正負(fù)電荷發(fā)生相反方向的位移移, ,并跟隨光波的頻率作受迫振動并跟隨光波的頻率作受迫振動, ,受迫振動的位相既與光受迫振動的位相既與光波電矢量振動的頻率有關(guān)波電矢量振動的

23、頻率有關(guān), ,又和振子的固有頻率有關(guān)。又和振子的固有頻率有關(guān)。光波引起介質(zhì)中束縛電荷的受迫振動,這只是光與介質(zhì)相互作用的一個方面;另一方面是作受迫振動的振子（束縛電荷）也可以作為電磁波的波源,向外發(fā)射“電磁次波電磁次波”（或稱為散射波散射波）。晶體的雙折射晶體的雙折射1. 雙折射雙折射 當(dāng)光束通過平整光滑的表面入射到各向同性介質(zhì)中去時,它將按照折射定律沿某一方向折射,這是常見的折射現(xiàn)象。 當(dāng)光束通過各向異性介質(zhì)表面時當(dāng)光束通過各向異性介質(zhì)表面時,折射光會分成兩束折射光會分成兩束沿著不同的方向傳播。這種由一束入射光折射后分成兩束沿著不同的方向傳播。這種由一束入射光折射后分成兩束光的現(xiàn)象稱為雙折射

24、。光的現(xiàn)象稱為雙折射。 雙折射的兩束光中有一束光的偏折方向符合折射定律,稱為尋常光（或o光）。另一束光的折射方向不符合折射定律,稱為非常光（或e光） 通過改變?nèi)肷涔馐姆较?可以找到晶體中存在一些特殊的方向,沿著這些方向傳播的光并不發(fā)生雙折射,這些特殊的方向稱為晶體的光軸晶體的光軸。光軸所標(biāo)志的是一定的方向,而不限于一條具體的直線。單軸晶體單軸晶體:只有一個光軸。雙軸晶體雙軸晶體:具有兩個光軸。2. 雙折射現(xiàn)象的解釋雙折射現(xiàn)象的解釋 在介質(zhì)中的光波是入射波與介質(zhì)中振子（原子、分子、離子等微觀粒子的抽象概念）受迫振動所發(fā)射的次波的合成波。合成波的頻率與入射光波相同合成波的頻率與入射光波相同,但其

25、位相卻因但其位相卻因受到振子固有振動頻率的制約而滯后。受到振子固有振動頻率的制約而滯后。因此,波合成的結(jié)果使介質(zhì)中的光束比真空中慢。位相滯后的程度與振子固有頻率和入射光波頻率的差值有關(guān),因此介質(zhì)中的光速又與入射光的頻率（或波長）有關(guān)。 晶體結(jié)構(gòu)的各向異性決定了晶體中振子固有振動的各向異性,所以,一般認(rèn)為晶體中的振子,在三個獨立的空間方向上有不同的固有振動頻率。介質(zhì)的光散射介質(zhì)的光散射1. 1. 散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系 光在通過氣體、液體、固體等介質(zhì)時,遇到煙塵、微粒、懸浮液滴或者結(jié)構(gòu)不均勻的微小區(qū)域,都會有一部分能量偏離原來的傳播方向而向四面八方彌散開來,這種現(xiàn)象稱為

26、光的散射光的散射。 光的散射導(dǎo)致原來傳播方向上光強的減弱。（光在均勻介質(zhì)中的吸收符合朗伯特定律）同時計及各種散射因素,光強隨傳播距離的減弱仍符合指數(shù)衰減規(guī)律,只是比單一吸收時衰減得更快,關(guān)系為:()00asllII eI e 散射系數(shù)與散射（質(zhì)點）的大小、數(shù)量以及散射質(zhì)點散射系數(shù)與散射（質(zhì)點）的大小、數(shù)量以及散射質(zhì)點與基體的相對折射率等因素有關(guān)。與基體的相對折射率等因素有關(guān)。當(dāng)光的波長約等于散射質(zhì)點的直徑時,出現(xiàn)散射的峰值。 光的波長不同時散射系數(shù)達(dá)最大時的質(zhì)點直徑也有所變化。 若散射質(zhì)點的體積濃度不變,當(dāng)d時,則隨著d的增加,散射系數(shù)反而減小;當(dāng)d時,散射系數(shù)達(dá)最大值。 材料對光的散射是光與

27、物質(zhì)相互作用的基本過程之一。原則上原則上, ,當(dāng)光波的電磁場作用于物質(zhì)中具有電結(jié)構(gòu)的原子、當(dāng)光波的電磁場作用于物質(zhì)中具有電結(jié)構(gòu)的原子、分子等微觀粒子時將激起粒子的受迫振動分子等微觀粒子時將激起粒子的受迫振動, ,這些受迫振動這些受迫振動就會成為發(fā)光中心就會成為發(fā)光中心, ,向各個方向發(fā)射球面次波。向各個方向發(fā)射球面次波。 與散射現(xiàn)象不同,光的衍射是由個別不均勻的介質(zhì)小區(qū)域（如小孔、狹縫、小障礙物等）所形成的,這些區(qū)域的尺度一般可與光的波長相比擬。由于介質(zhì)分子的振動產(chǎn)生次波并疊加,使所形成的波面上出現(xiàn)不同強度分布的衍射特性。一般空氣中微粒的散射是由大量排列無序的小區(qū)集合形成的,因此散射波在總體上

28、觀察不到衍射現(xiàn)象。 光的散射現(xiàn)象有多種多樣的表現(xiàn)。然而,根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長）變化與否,可以區(qū)分為彈性散彈性散射射和非彈性散射非彈性散射兩大類。與彈性散射相比,通常非彈性散射要弱幾個數(shù)量級。2. 彈性散射彈性散射 散射前后散射前后,光的波長（或光子能量）不發(fā)生變化的散射稱為彈性光的波長（或光子能量）不發(fā)生變化的散射稱為彈性散射。散射。從經(jīng)典力學(xué)的觀點,這個過程被看成光子和散射中心的彈性碰撞。散射結(jié)果只是把光子碰到不同的方向上去,并沒有改變光子的能量。 彈性散射的規(guī)律除了波長（或頻率）不變之外,散射光的強度與波長的關(guān)系可因散射中心尺度的大小而具有不同的規(guī)律。 參量與散射中心尺度大小a

29、0有關(guān)。按a0與的大小比較,彈性散射可分為三種情況。1sI（1）廷德爾（）廷德爾（Tyndall）散射）散射 當(dāng)a0遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于時,趨于0,即當(dāng)散射中心的尺度遠(yuǎn)大于光波的波長時,散射光強與入射光波長無關(guān)。（2）米氏（）米氏（Mie)散射散射 當(dāng)a0時,即散射中心尺度與入射光波長可以比擬時,在04之間,具體數(shù)值與散射中心尺寸有關(guān)。（3）瑞利）瑞利(Rayleidl)散射散射 當(dāng)a0遠(yuǎn)小于時,=4,即當(dāng)散射中心的線度遠(yuǎn)小于入射光的波長時,散射強度與波長的4次方成正比。此為瑞利散射定律。41sI 瑞利散射并非氣體介質(zhì)所特有。固體光學(xué)材料在制備瑞利散射并非氣體介質(zhì)所特有。固體光學(xué)材料在制備過程中形成的氣泡

30、、條紋、雜質(zhì)顆粒、位錯等等都可成為過程中形成的氣泡、條紋、雜質(zhì)顆粒、位錯等等都可成為散射中心散射中心, ,在許多情況下在許多情況下, ,當(dāng)線度滿足當(dāng)線度滿足a0遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于的條件的條件,也也可引起瑞利散射?？梢鹑鹄⑸洹?人們通過根據(jù)散射光的強弱判斷材料光學(xué)均勻性的好壞。對各種介質(zhì)彈性光散射性質(zhì)的測量和分析,可以獲取膠體溶液、渾濁介質(zhì)、晶體和玻璃等光學(xué)材料的物理化學(xué)性質(zhì),確定流體中散射微粒的大小和運動速率。利用激光在大氣中的散射可以測量大氣中懸浮微粒的密度和監(jiān)測大氣污染的程度等。 激光粒度分析儀3. 非彈性散射非彈性散射 當(dāng)光束通過介質(zhì)時,從側(cè)向接收到的散射光主要是波長（或頻率）不發(fā)生變化的

31、瑞利散射光,屬于彈性散射。除此之外,還可以發(fā)現(xiàn)散射光中還有其他光譜成分,它們在頻率坐標(biāo)上對稱分布在彈性散射光的低頻和高頻側(cè),強度一般比彈性散射微弱得多。這些頻率發(fā)生改變的光散射是入射光子與介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞的結(jié)果,稱為“非彈性散非彈性散射射”。 從波動觀點來看從波動觀點來看, ,光的非彈性散射機制光的非彈性散射機制, ,乃是光波電磁乃是光波電磁場與介質(zhì)內(nèi)微觀粒子固有振動之間的耦合場與介質(zhì)內(nèi)微觀粒子固有振動之間的耦合, ,可激發(fā)介質(zhì)微可激發(fā)介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的振動或?qū)е抡駝拥拇銣缬^結(jié)構(gòu)的振動或?qū)е抡駝拥拇銣? ,以致散射光波頻率相應(yīng)以致散射光波頻率相應(yīng)出現(xiàn)出現(xiàn)“紅移紅移”（頻率降低）或（頻率降低）或“藍(lán)移藍(lán)移”（頻率增高）。（頻率增高）。通常能產(chǎn)生拉曼散射的介質(zhì)多由相互束縛的正負(fù)離子所組成。正負(fù)離子的周期性振動導(dǎo)致偶極矩的周期性變化,這種振動偶極矩與光波電磁場的相互作用引起能量變化,發(fā)生光波的非彈性散射。拉曼散射過程用能級躍遷圖來說明。拉曼散射過程用能級躍遷圖來說明。瑞利散射過程拉曼散射的斯托克斯過程拉曼散射的反斯托克斯過程 由于拉曼散射和布里淵散射中散射光的頻率與散射物質(zhì)的能態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān),研究非彈性光散射已經(jīng)成為獲得固體結(jié)構(gòu)、點陣振動、聲學(xué)動力學(xué)以及分子的能級特征信息的有效手段。 材料測試方法材料測試方法: :拉曼散射光譜拉曼散射光