散射與光的吸收,復(fù)折射率

1、復(fù)折射率與色散、吸收復(fù)折射率與色散、吸收 引言：引言：由麥克斯韋電磁場(chǎng)理論可知，介質(zhì)的折由麥克斯韋電磁場(chǎng)理論可知，介質(zhì)的折射率及光波在介質(zhì)中的相速度均取決于介質(zhì)射率及光波在介質(zhì)中的相速度均取決于介質(zhì) 的的介電常數(shù)介電常數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，。一般來(lái)說(shuō)， 介質(zhì)中，介質(zhì)中，并非是一并非是一個(gè)常數(shù)，而是入射光波頻率的函數(shù)。個(gè)常數(shù)，而是入射光波頻率的函數(shù)。 f從現(xiàn)象來(lái)看，介質(zhì)的色散表現(xiàn)為介質(zhì)對(duì)不同頻率的入射光從現(xiàn)象來(lái)看，介質(zhì)的色散表現(xiàn)為介質(zhì)對(duì)不同頻率的入射光波具有不同的傳播相速度，因而具有不同的折射率。我們波具有不同的傳播相速度，因而具有不同的折射率。我們?cè)诖髮W(xué)物理中已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)布格定律，即大多數(shù)介質(zhì)表現(xiàn)為在大

2、學(xué)物理中已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)布格定律，即大多數(shù)介質(zhì)表現(xiàn)為一般性吸收（指數(shù)變化），但是在介質(zhì)的諧振頻率附近，一般性吸收（指數(shù)變化），但是在介質(zhì)的諧振頻率附近，吸收和色散均有很大的變化。吸收和色散均有很大的變化。描述正常色散描述正常色散、一般性吸收現(xiàn)象一般性吸收現(xiàn)象同一光學(xué)介質(zhì)，對(duì)不同波長(zhǎng)同一光學(xué)介質(zhì)，對(duì)不同波長(zhǎng)光的折射率是不同的，也就光的折射率是不同的，也就是說(shuō)，對(duì)于一枚鏡頭而言，是說(shuō)，對(duì)于一枚鏡頭而言，不同色光的焦點(diǎn)位置實(shí)際上不同色光的焦點(diǎn)位置實(shí)際上是不一樣的。是不一樣的。介質(zhì)的折射率隨入射光頻率介質(zhì)的折射率隨入射光頻率的變化而變化的性質(zhì)，稱為的變化而變化的性質(zhì)，稱為“色散色散”。而發(fā)生在物質(zhì)透。而發(fā)生

3、在物質(zhì)透明區(qū)，隨著頻率的減小而減明區(qū)，隨著頻率的減小而減小的色散即為正常小的色散即為正常色散。色散。例如例如：當(dāng)白光通過(guò)三棱鏡時(shí)，當(dāng)白光通過(guò)三棱鏡時(shí)，我們會(huì)看到七色光譜，這種我們會(huì)看到七色光譜，這種復(fù)色光被分解為單色光的現(xiàn)復(fù)色光被分解為單色光的現(xiàn)象，即為象，即為“色散色散”。一般吸收現(xiàn)象一般吸收現(xiàn)象一切物質(zhì)都具有一般吸收一切物質(zhì)都具有一般吸收和選擇吸收兩種特性，某和選擇吸收兩種特性，某種媒質(zhì)對(duì)于通過(guò)它的各種種媒質(zhì)對(duì)于通過(guò)它的各種波長(zhǎng)的光波都作等量吸收，波長(zhǎng)的光波都作等量吸收，且吸收量很小，則稱這種且吸收量很小，則稱這種媒質(zhì)具有一般吸收性媒質(zhì)具有一般吸收性。折射率、吸收、色散是光折射率、吸收、色

4、散是光與介質(zhì)相互作用的結(jié)果。與介質(zhì)相互作用的結(jié)果。只有深入研究與介質(zhì)的相只有深入研究與介質(zhì)的相互作用，才能正確認(rèn)識(shí)光互作用，才能正確認(rèn)識(shí)光的吸收、色散等現(xiàn)象的吸收、色散等現(xiàn)象。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證玻璃中的色散效應(yīng)和介質(zhì)中驗(yàn)證玻璃中的色散效應(yīng)和介質(zhì)中的吸收系數(shù)的吸收系數(shù)正交棱鏡法正交棱鏡法f去掉棱鏡去掉棱鏡P2P2時(shí)，觀察平面上得到沿水平方向展開(kāi)的連續(xù)光時(shí)，觀察平面上得到沿水平方向展開(kāi)的連續(xù)光譜譜ABAB。去掉棱鏡。去掉棱鏡P1P1時(shí)，光譜只沿豎直方向展開(kāi)。時(shí)，光譜只沿豎直方向展開(kāi)。P1P1和和P2P2同時(shí)存在時(shí)，光譜將同時(shí)沿水平和豎直兩個(gè)方向展開(kāi)。同時(shí)存在時(shí)，光譜將同時(shí)沿水平和豎直兩個(gè)方向展

5、開(kāi)。 P1P1和和P2P2材料性質(zhì)相同時(shí)，最終展開(kāi)的光譜帶呈直線狀，只材料性質(zhì)相同時(shí)，最終展開(kāi)的光譜帶呈直線狀，只是展開(kāi)方向與水平面有一定夾角。是展開(kāi)方向與水平面有一定夾角。P1P1和和P2P2材料性質(zhì)不同時(shí)，材料性質(zhì)不同時(shí)，兩個(gè)棱鏡對(duì)于任意給定波長(zhǎng)的譜線所產(chǎn)生的偏向不同，從兩個(gè)棱鏡對(duì)于任意給定波長(zhǎng)的譜線所產(chǎn)生的偏向不同，從而使整個(gè)光譜帶發(fā)生彎曲。而使整個(gè)光譜帶發(fā)生彎曲。f當(dāng)入射角及棱鏡折射角當(dāng)入射角及棱鏡折射角a a 較小時(shí)，則最小偏向角近似為較小時(shí)，則最小偏向角近似為介質(zhì)中的吸收系數(shù)（以釹玻璃為例）介質(zhì)中的吸收系數(shù)（以釹玻璃為例）fa a實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置f f f f f（三）色散現(xiàn)象的應(yīng)

6、用（三）色散現(xiàn)象的應(yīng)用f f色散最常見(jiàn)也最簡(jiǎn)單的應(yīng)用就是三棱鏡色散最常見(jiàn)也最簡(jiǎn)單的應(yīng)用就是三棱鏡, ,分出單色光，如白光經(jīng)分出單色光，如白光經(jīng)色散散開(kāi)后單色光從上到下依次為色散散開(kāi)后單色光從上到下依次為“紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色。紫七種顏色。f光纖通信中也有對(duì)色散的應(yīng)用光纖通信中也有對(duì)色散的應(yīng)用: :色散分為正常色散和反常色散色散分為正常色散和反常色散. .正常色散是波長(zhǎng)越長(zhǎng)正常色散是波長(zhǎng)越長(zhǎng), ,光在介質(zhì)中速度越快光在介質(zhì)中速度越快. .反常色散是波長(zhǎng)越反常色散是波長(zhǎng)越短短, ,速度越快速度越快. .所以當(dāng)一束光在光纖中傳播了一段距離后所以當(dāng)一束光在光纖中傳

7、播了一段距離后, ,其中發(fā)其中發(fā)生了正常色散生了正常色散. .為了消除正常色散對(duì)通信的干擾為了消除正常色散對(duì)通信的干擾, ,就要在此光纖就要在此光纖后再接上一段色散反常的光纖后再接上一段色散反常的光纖, ,使光在經(jīng)歷了正常色散后再經(jīng)歷使光在經(jīng)歷了正常色散后再經(jīng)歷一次反常色散一次反常色散, ,從而使光信號(hào)減小失真從而使光信號(hào)減小失真. .這叫做色散補(bǔ)償這叫做色散補(bǔ)償. .f f(2)(2)光譜分析儀的設(shè)計(jì)光譜分析儀的設(shè)計(jì)f（a a）實(shí)驗(yàn)原理）實(shí)驗(yàn)原理f根據(jù)三棱鏡能使復(fù)色光發(fā)生色散現(xiàn)象，并明顯地分離出不同波長(zhǎng)單色根據(jù)三棱鏡能使復(fù)色光發(fā)生色散現(xiàn)象，并明顯地分離出不同波長(zhǎng)單色光的原理，來(lái)計(jì)算不同光譜光

8、的原理，來(lái)計(jì)算不同光譜對(duì)應(yīng)三棱鏡輸出光對(duì)應(yīng)三棱鏡輸出光，從而得到輸入光，從而得到輸入光譜譜1 1 與玻璃三棱鏡輸出光的與玻璃三棱鏡輸出光的1 1之間的關(guān)系之間的關(guān)系（b）實(shí)驗(yàn)器件）實(shí)驗(yàn)器件三棱鏡（三棱鏡（BK7型號(hào)玻璃）型號(hào)玻璃）復(fù)色光發(fā)光體（光源）復(fù)色光發(fā)光體（光源）狹縫（分離出單束光）狹縫（分離出單束光）接收器接收器f在外界能量激發(fā)下，物體中的原子成為一個(gè)振蕩電偶極子在外界能量激發(fā)下，物體中的原子成為一個(gè)振蕩電偶極子，從而在周?chē)臻g從產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)，以一定速度傳播，從而在周?chē)臻g從產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)，以一定速度傳播，伴隨著能量的傳遞。，伴隨著能量的傳遞。f當(dāng)光入射到介質(zhì)中時(shí)，時(shí)諧外電場(chǎng)和磁

9、場(chǎng)的方向隨時(shí)間做當(dāng)光入射到介質(zhì)中時(shí)，時(shí)諧外電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向隨時(shí)間做變化，場(chǎng)中物質(zhì)分子或原子的電偶極矩和磁偶極矩的方向變化，場(chǎng)中物質(zhì)分子或原子的電偶極矩和磁偶極矩的方向也隨時(shí)間作周期性變化。偶極矩的變化并不總和外場(chǎng)的變也隨時(shí)間作周期性變化。偶極矩的變化并不總和外場(chǎng)的變化一致，而要受到外場(chǎng)頻率、偶極矩自身固有頻率和阻尼化一致，而要受到外場(chǎng)頻率、偶極矩自身固有頻率和阻尼等因素的影響。當(dāng)外場(chǎng)的頻率較低時(shí)，偶極矩的變化與外等因素的影響。當(dāng)外場(chǎng)的頻率較低時(shí)，偶極矩的變化與外場(chǎng)的變化基本同步，當(dāng)外場(chǎng)的頻率很高時(shí)，物質(zhì)分子和原場(chǎng)的變化基本同步，當(dāng)外場(chǎng)的頻率很高時(shí)，物質(zhì)分子和原子了運(yùn)動(dòng)阻尼力似的偶極矩的變化滯后

10、于外場(chǎng)的變化。當(dāng)子了運(yùn)動(dòng)阻尼力似的偶極矩的變化滯后于外場(chǎng)的變化。當(dāng)外場(chǎng)的頻率遠(yuǎn)離偶極矩固有頻率時(shí)，偶極矩振動(dòng)幅度與外外場(chǎng)的頻率遠(yuǎn)離偶極矩固有頻率時(shí)，偶極矩振動(dòng)幅度與外場(chǎng)振動(dòng)幅度有簡(jiǎn)單的比例關(guān)系，當(dāng)外場(chǎng)頻率接近偶極矩固場(chǎng)振動(dòng)幅度有簡(jiǎn)單的比例關(guān)系，當(dāng)外場(chǎng)頻率接近偶極矩固有頻率時(shí)，偶極矩振動(dòng)幅度會(huì)大大增加。這些因素使得物有頻率時(shí)，偶極矩振動(dòng)幅度會(huì)大大增加。這些因素使得物質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率變位復(fù)數(shù)，因而物質(zhì)的折射率也會(huì)質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率變位復(fù)數(shù)，因而物質(zhì)的折射率也會(huì)變成復(fù)數(shù)。變成復(fù)數(shù)。f用用matlabmatlab繪制出復(fù)折射率實(shí)部和虛部與頻率的關(guān)系曲線如繪制出復(fù)折射率實(shí)部和虛部與頻率的關(guān)系曲線如下：下：吸收特性與光頻率的關(guān)系吸收特性與光頻率的關(guān)系（五）量子模型與經(jīng)典模型（五）量子模型與經(jīng)典模型f量子模型與經(jīng)典模型的異同點(diǎn)量子模型與經(jīng)典模型的異同點(diǎn) 相同點(diǎn)相同點(diǎn)fa a都采用了偶極近似都采用了偶極近似fb b都只考慮光場(chǎng)強(qiáng)度不太大的時(shí)候都只考慮光場(chǎng)強(qiáng)度不太大的時(shí)候fc c結(jié)論相同結(jié)論相同f2 2）不同點(diǎn)）不同點(diǎn)fa a電子運(yùn)動(dòng)情況與光頻率的關(guān)系不同電子運(yùn)動(dòng)情況與光頻率的關(guān)系不同fb b經(jīng)典模型不能計(jì)算電子的固有頻率，量子模型可以經(jīng)典模型不能計(jì)算電子的固有頻率，量子模型可以f不淘汰經(jīng)典模型不淘汰經(jīng)典模型f經(jīng)典