高等光學(xué)課件cxr-第13講

第十三講2012.12.17高等光學(xué)光學(xué)工程碩士研究生課程第六章光的吸收、色散和散射§6-1光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論理論對(duì)電磁場(chǎng)的處理對(duì)粒子的處理適應(yīng)范圍經(jīng)典理論麥克斯韋方程組經(jīng)典力學(xué)物質(zhì)對(duì)光的吸收和色散現(xiàn)象，自發(fā)輻射及譜線寬度半經(jīng)典理論麥克斯韋方程組量子力學(xué)強(qiáng)度特性、增益飽和效應(yīng)，多模耦合與競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，模的相位鎖定效應(yīng)等量子理論對(duì)電磁場(chǎng)和物質(zhì)原子都做量子化處理在嚴(yán)格的確定激光的相干性和噪聲以及線寬極限這些特性時(shí)才是必要的速率方程理論量子理論簡(jiǎn)化形式只能給出激光強(qiáng)度特性，不能解釋色散效應(yīng)一、原子自發(fā)輻射的經(jīng)典模型1.簡(jiǎn)諧振子模型2.原子經(jīng)典簡(jiǎn)諧振子模型二、電偶極子物理模型及其輻射場(chǎng)三、電介質(zhì)的極化率、復(fù)折射率和亥姆霍茲方程經(jīng)典力學(xué)描述原子內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)的物理模型——按簡(jiǎn)諧振動(dòng)或阻尼振動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的電偶極子，稱為簡(jiǎn)諧振子。簡(jiǎn)諧振子模型認(rèn)為：原子中的電子被與位移成正比的彈性恢復(fù)力束縛在某一平衡位置，當(dāng)電子偏離平衡位置而具有位移x時(shí)，就將受到一個(gè)f=-Kx

恢復(fù)力的作用一、原子自發(fā)輻射的經(jīng)典模型電子運(yùn)動(dòng)方程為：1.簡(jiǎn)諧振子模型其解為：其中為諧振頻率，并且無(wú)阻尼振蕩2.原子經(jīng)典簡(jiǎn)諧振子模型原子中的束縛電子受原子核和周?chē)拥墓餐饔?，圍繞其平衡位置振動(dòng)。位能電子-核距離平衡位置斥力引力位能曲線建立運(yùn)動(dòng)方程：外場(chǎng)不大，只在平衡位置附近振動(dòng)；簡(jiǎn)化：一維，平衡位置在處；：彈性常數(shù)彈性恢復(fù)力：運(yùn)動(dòng)方程：m：電子質(zhì)量此外，要考慮：

輻射阻尼(電子運(yùn)動(dòng)速度)：受迫振動(dòng)，入射光波的電場(chǎng)力：最終得到運(yùn)動(dòng)方程：（牛頓第二定律）電子加速度阻尼力彈性恢復(fù)力外場(chǎng)力電偶極矩：

一個(gè)電偶極子的極矩：

復(fù)數(shù)形式：其中復(fù)振幅將代入運(yùn)動(dòng)方程，得：方程求解：

設(shè)：外場(chǎng)是簡(jiǎn)諧場(chǎng)：電子作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)：?jiǎn)栴}：的關(guān)系是什么？討論：電子受迫振動(dòng)與驅(qū)動(dòng)光波頻率相同；分母中有虛因子，說(shuō)明受迫振動(dòng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)之間有相位差；當(dāng)，電子位移為有限值，過(guò)程為：過(guò)程開(kāi)始，電子吸收能量振動(dòng)發(fā)射次波；達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，吸收與發(fā)射平衡，形成穩(wěn)態(tài)振蕩，稱為散射過(guò)程特點(diǎn)：電子本征能量不發(fā)生改變，只是入射光與散射光之間發(fā)生能量交換（參見(jiàn)介質(zhì)中電磁場(chǎng)理論相關(guān)內(nèi)容）當(dāng)，忽略阻尼，振幅，過(guò)程為：電子吸收光子躍遷到高能態(tài)，放出光子回到低能態(tài)，稱為吸收、發(fā)射過(guò)程，或稱共振相互作用特點(diǎn)：電子本征能量發(fā)生改變（參見(jiàn)半導(dǎo)體材料中量子力學(xué)理論相關(guān)內(nèi)容）一對(duì)等值異號(hào)電荷，簡(jiǎn)諧振動(dòng)形式

（取球坐標(biāo)，沿z方向振動(dòng)）二、電偶極子物理模型及其輻射場(chǎng)通過(guò)求解有源波動(dòng)方程，得電偶極子輻射電磁波解為：（參見(jiàn)陳軍編著《光學(xué)電磁理論》Chap.1相關(guān)內(nèi)容）二者同相平均坡印廷矢量不為零，有能量向遠(yuǎn)方輻射，稱為自由電磁波；處輻射最大，處輻射最小，關(guān)于對(duì)稱。平均坡印廷矢量不為零，有能量向遠(yuǎn)方輻射，稱為自由電磁波；處輻射最大，處輻射最小，關(guān)于對(duì)稱。入射光波其它場(chǎng)極化波束縛波（與波源同相）自由波（相位遲后）極化波：偶極子振動(dòng)的傳播平均輻射能流為：電介質(zhì)為一個(gè)帶電粒子系統(tǒng)，其內(nèi)部存在不規(guī)則、迅速變化的微觀電磁場(chǎng)三、電介質(zhì)的極化率、復(fù)折射率和亥姆霍茲方程

設(shè)介質(zhì)單位體積內(nèi)有N個(gè)電子，則介質(zhì)的極化強(qiáng)度等有：上式右端的實(shí)部和虛部分開(kāi)為：故有：以上兩式（又稱亥姆霍茲方程）：實(shí)部反映了介質(zhì)中感生電偶極子電矩所產(chǎn)生的附加場(chǎng)的效果；虛部反映了感生電偶極子對(duì)外電磁波能量的吸收。由復(fù)折射率的公式有：吸收造成光波振幅衰減，平面光波傳播有：平面波函數(shù)可表為：將指數(shù)寫(xiě)到一起，有：復(fù)數(shù)n稱為介質(zhì)的復(fù)折射率，其實(shí)部表示介質(zhì)的折射率，虛部n表示電磁波產(chǎn)生衰減即：實(shí)部對(duì)的依賴關(guān)系稱為色散，虛部引起電磁波的吸收。亥姆霍茲方程討論：1.當(dāng)00時(shí)，吸收很小，阻尼忽略不記：——正常色散區(qū)域，Seilmeier方程亥姆霍茲方程通過(guò)復(fù)折射率將光的色散和吸收聯(lián)系在一起2.當(dāng)＝0時(shí)，n最大，共振吸收，n隨增大而減小——反常色散區(qū)域3.當(dāng)0時(shí)，n<1；但仍然屬于正常色散區(qū)域，0

實(shí)際上，原子中存在多種振子情況，其固有圓頻率和阻尼系數(shù)分別不同，亥姆霍茲方程將化為：共振頻率0j對(duì)應(yīng)于能級(jí)躍遷的光子頻率，振子數(shù)fj

對(duì)應(yīng)于躍遷概率若介質(zhì)為稀薄氣體，有：全波段曲線§6.2光的吸收一、光吸收定律——朗伯定律二、一般吸收與選擇吸收三、吸收光譜1、光的吸收： 光通過(guò)介質(zhì)后，光能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰慷构鈴?qiáng)度減弱的現(xiàn)象，稱為光的吸收。2、介質(zhì)的朗伯（Lanbert）定律：光強(qiáng)的減弱dI正比于I和dx的乘積，即：一、光吸收定律——朗伯定律——吸收系數(shù),單位長(zhǎng)度上的光強(qiáng)吸收率，

空氣：0.00001/cm，玻璃：0.01/cmd上式稱為布格爾定律或朗伯定律，它是布格爾(P.Bouguer,1698–1758)在1729年發(fā)現(xiàn)的，朗伯(J.H.Lambert,1728–1777)在1760年重新作了表述。注意：極強(qiáng)光下不再是常數(shù)，以上的布格爾定律不成立3、液體的比爾（Beer）定律注意：朗伯定律對(duì)線性介質(zhì)適用；比爾定律適用于低濃度溶液Beer定律只有每個(gè)分子的吸收本領(lǐng)不受周?chē)肿佑绊憰r(shí)才成立，當(dāng)溶液濃度大到足以使分子間的相互作用影響到它們的吸收本領(lǐng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生對(duì)比爾定律的偏離。比爾（A.Beer）于1852年從實(shí)驗(yàn)上證明，稀釋溶液的吸收系數(shù)a正比于溶液的濃度C，即：式中A為與溶液濃度無(wú)關(guān)的常數(shù)，反映了溶液中吸收物質(zhì)分子的特征。二、一般（普遍）吸收與選擇吸收1、一般（普遍）吸收：

在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi),若吸收系數(shù)α

很少，并且近似為常數(shù)。如：空氣、純水、無(wú)色玻璃等在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的吸收。根據(jù)α

隨波長(zhǎng)變化規(guī)律的不同，將吸收分為一般性吸收和選擇性吸收。(nm)I(a.u.)(nm)I(a.u.)樣品物質(zhì)對(duì)光能的吸收很少，吸收系數(shù)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，并且對(duì)某一波段的光的吸收量幾乎一樣。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，意味著光束通過(guò)媒質(zhì)后只改變強(qiáng)度，不改變顏色。在廣闊的波段上，每種物質(zhì)都有其選擇吸收波長(zhǎng)。對(duì)于某些波長(zhǎng)吸收比較強(qiáng)烈，吸收系數(shù)α很大，且隨波長(zhǎng)有顯著變化2、選擇吸收(Selectiveabsorption)：(nm)I(a.u.)樣品(nm)I(a.u.)物質(zhì)對(duì)光能的吸收很多，并且隨波長(zhǎng)的變化而劇烈變化。由于可見(jiàn)光進(jìn)行選擇吸收，會(huì)使白光變?yōu)椴噬?。絕大部分物體呈現(xiàn)顏色，都是其表面或體內(nèi)對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行選擇吸收的結(jié)果。分子具有轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和電子能級(jí)。通常，分子處于低能量的基態(tài)，從外界吸收能量后，引起分子能級(jí)的躍遷。入射光頻率與偶極振子固有頻率相同時(shí)產(chǎn)生共振吸收。(固有頻率對(duì)應(yīng)原子能級(jí))3、選擇吸收微觀解釋?zhuān)簭膹V闊的電磁波譜來(lái)考慮，普遍吸收的介質(zhì)是不存在的。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)普遍吸收的物質(zhì)，往往在紅外和紫外波段進(jìn)行選擇吸收。選擇吸收是光和物質(zhì)相互作用的普遍規(guī)律。普通光學(xué)材料在可見(jiàn)光區(qū)都是相當(dāng)透明的，對(duì)各種波長(zhǎng)的可見(jiàn)光吸收都很少。但是在紫外和紅外光區(qū),則表現(xiàn)出不同的選擇性吸收。在制造光學(xué)儀器時(shí),必須考慮光學(xué)材料的吸收特性。例如，紫外光譜儀中的棱鏡、透鏡需用石英制作；紅外光譜儀中的棱鏡、透鏡則需用螢石等晶體制作；可見(jiàn)光中的元件可選用玻璃。光學(xué)材料波長(zhǎng)范圍/nm光學(xué)材料波長(zhǎng)范圍/nm冕牌玻璃350~2000螢石(GaF2)125~9500火石玻璃380~2500巖鹽(NaCl)175~14500石英玻璃180~4000氯化鉀(KCl)180~23000三、吸收光譜太陽(yáng)光穿入大氣層時(shí)被大氣吸收，水汽和二氧化碳在紅外區(qū)有強(qiáng)烈吸收，臭氧在紫外區(qū)有強(qiáng)烈吸收.介質(zhì)的吸收系數(shù)及隨光波長(zhǎng)的變化關(guān)系曲線稱為該介質(zhì)的吸收光譜。大量實(shí)驗(yàn)指出，物質(zhì)的吸收線的位置與該物質(zhì)的發(fā)射光譜的位置一致。

太陽(yáng)光譜是典型的暗線吸收光譜；其暗線稱為Fraunhofer譜線。這些光譜是處于溫度較低的太陽(yáng)大氣中的原子對(duì)更加熾熱的內(nèi)核發(fā)射的連續(xù)光譜進(jìn)行選擇吸收的結(jié)果。較強(qiáng)的夫瑯禾費(fèi)譜線應(yīng)用一：利用物質(zhì)的吸收光譜來(lái)分析物質(zhì)中的元素成分符號(hào)波長(zhǎng)/nm吸收元素符號(hào)波長(zhǎng)/nm吸收元素ABCD1D2D3E3759.4~762.1636.8~688.4656.282589.592588.995587.552526.954OOHNaNaHeFeE1FGGHK518.362486.133430.791430.774466.273396.849393.368MgHFeCaCaCaCa應(yīng)用二：通過(guò)對(duì)原子吸收光譜的定量和定性分析來(lái)發(fā)現(xiàn)新的元素并測(cè)得其含量。應(yīng)用三：利用固體、液體分子的紅外吸收光譜，鑒別分子的種類(lèi)，測(cè)定分子的振動(dòng)頻率，分析分子的結(jié)構(gòu)。(nm)I(a.u.)(nm)I(a.u.)定義吸收度和吸收系數(shù)：應(yīng)用四：研究大氣的光學(xué)性質(zhì)與“窗口（對(duì)某種波段無(wú)吸收）”的關(guān)系,有助于紅外導(dǎo)航、跟蹤等工作的進(jìn)行。§6.3

色散（Dispersion）一、色散的一般概念二、正常色散和反常色散三、色散的解釋色散率D：若λ1和λ2對(duì)應(yīng)的頻率為n1和n2，則λ1到λ2的波長(zhǎng)區(qū)間的平均色散率為：一、色散的一般概念光在物質(zhì)中傳播時(shí)，其折射率（傳播速度）隨光波頻率（波長(zhǎng)）而變的現(xiàn)象稱為光的色散——二、正常色散和反常色散柯西(Cauchy)公式（1836年）：折射率隨著波長(zhǎng)增加而減小的色散叫正常色散，與物質(zhì)的透明區(qū)（吸收很?。┫鄬?duì)應(yīng)。正常色散特點(diǎn)：①波長(zhǎng)愈短，折射率愈大；②波長(zhǎng)愈短，折射率隨波長(zhǎng)的變化率愈大；③波長(zhǎng)一定時(shí),折射率愈大的材料,其色散率也愈大。式中A、B、C是與具體媒質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。折射率隨著波長(zhǎng)增加而增加的色散叫反常色散，與物質(zhì)的吸收區(qū)相對(duì)應(yīng)。1904年，R.W.Wood用Na蒸汽進(jìn)行吸收實(shí)驗(yàn)令一束光從水平狹縫S1穿出，經(jīng)透鏡L1變?yōu)槠叫泄猓俳?jīng)過(guò)透鏡L2聚焦在分光儀的豎直狹縫S2上，當(dāng)鋼管V未加熱時(shí)，其內(nèi)只有均勻氣體，光線經(jīng)過(guò)它時(shí)不發(fā)生偏折，在分光儀上形成一水平光譜帶，當(dāng)鈉被蒸發(fā)時(shí)，在管內(nèi)形成下部密度大上部密度小的水平鈉蒸汽柱，它和一個(gè)棱邊在上（與管軸垂直）底部在下的“棱鏡”等效。由于管V內(nèi)蒸汽的色散作用，不同波長(zhǎng)的光不同程度的向下偏折，在鈉的吸收線附近，分光儀焦面上的水平光譜帶被嚴(yán)重扭曲和割斷，變成圖所示的樣子，這種現(xiàn)象叫做反常色散。牛頓的正交棱鏡法觀察色散實(shí)驗(yàn)裝置：

觀察色散現(xiàn)象的正交棱鏡實(shí)驗(yàn)裝置S白光光源P2L2P1L1AB'B沒(méi)有p2加時(shí)如果P1與P2的材料的色散特性不一樣彩帶將會(huì)彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

①去掉棱鏡P2時(shí)，觀察平面上得到沿水平方向展開(kāi)的連續(xù)光譜AB'。去掉棱鏡P1時(shí)，光譜只沿豎直方向展開(kāi)。P1和P2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)。②

P1和P2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。P1和P2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，從而使整個(gè)光譜帶發(fā)生彎曲。

任何物質(zhì)共有的現(xiàn)象：在物質(zhì)的吸收帶范圍內(nèi)存在反常色散，而在吸收帶以外或兩個(gè)吸收帶之間則存在正常色散。一種物質(zhì)的全部色散曲線：各波段的正常色散曲線與反常色散曲線之總和特點(diǎn)：①折射率在相鄰兩個(gè)選擇吸收帶之間隨波長(zhǎng)增大呈單調(diào)降；②每個(gè)選擇吸收帶處折射率發(fā)生突變，且長(zhǎng)波一側(cè)折射率急劇增大；③隨著波長(zhǎng)的增大，各吸收帶之間的曲線抬高——科希公式中的A值增大；

④l=0時(shí)，對(duì)于任何介質(zhì)，n=1。波長(zhǎng)較小時(shí)，如g射線和X射線，n<1。

石英在紅外區(qū)域中的反常色散曲線在反常色散區(qū)ＭＮ內(nèi)出現(xiàn)折射率隨頻率的增大而減小的現(xiàn)象反常色散曲線特點(diǎn)：折射率隨波長(zhǎng)的增大而增大，即色散率三、色散的解釋——電偶極子受迫振動(dòng)模型由前述：在弱阻尼、低損耗，即1條件下，取近似：在光譜學(xué)中，習(xí)慣使用真空波長(zhǎng)：于是：在共振波長(zhǎng)0附近，n和2n隨波長(zhǎng)的變化如上圖，它們具有正常色散、反常色散和共振吸收的一切特點(diǎn)1、單一本征頻率情況當(dāng)遠(yuǎn)離共振波長(zhǎng)時(shí)，為透明區(qū)，可以忽略阻尼項(xiàng)，于是和柯西公式吻合。背離了柯西公式當(dāng)<<02、多個(gè)本征頻率情況設(shè)介質(zhì)的原子體系具有多個(gè)本征頻率i，相應(yīng)地有多個(gè)共振波長(zhǎng)i，阻尼常數(shù)i和振子個(gè)數(shù)fi每個(gè)原子提供外層弱束縛電子數(shù)為Z，按一定的比例分布在各個(gè)本征態(tài)上；仿照單一本征頻率時(shí)的類(lèi)似推導(dǎo)：在弱阻尼、低損耗，即1條件下，取近似：在遠(yuǎn)離吸收線的波段均系透明區(qū)域，可以上式的阻尼項(xiàng)j，于是：3、兩種經(jīng)典情形（1）入射光波段處于兩條吸收線之間jj+1j<<<<j+1由此導(dǎo)出了柯西公式，并說(shuō)明常數(shù)項(xiàng)A隨j增大而上升的特點(diǎn)。（2）在超高頻極短波段，即波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于所有吸收線，<<1§6.4

散射（Scattering）一、散射的概念及分類(lèi)三、米氏散射二、瑞利散射四、非線性散射——喇曼散射和布里淵散射一、散射的概念

因媒質(zhì)的非均勻性，使光能不只沿定向，還沿若干其它方向傳播的現(xiàn)象，稱為光的散射。

介質(zhì)的“均勻”性是以光波長(zhǎng)為尺度衡量的一種統(tǒng)計(jì)平均。不均勻尺度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，則成為折射、反射。至于衍射，出現(xiàn)在邊緣部分，不再是均勻介質(zhì)。衍射和反射散射——

a

衰減系數(shù)在光學(xué)均勻介質(zhì)中不產(chǎn)生光散射現(xiàn)象。介質(zhì)的不均勻性，使介質(zhì)粒子發(fā)出的次波相位不恒定，造成非相干迭加，在各處不會(huì)干涉相消，從而形成散射光。散射現(xiàn)象唯象解釋光的散射可分為兩大類(lèi)：散射光的波長(zhǎng)不變散射光的波長(zhǎng)改變?nèi)鹄⑸涿资仙⑸淙鹄⑸洌荷⑸淞Ｗ拥木€度小于光的波長(zhǎng)的十分之一米氏散射：散射粒子的線度與光波長(zhǎng)同量級(jí)或大于光波波長(zhǎng)的散射拉曼散射（Raman1928）布里淵散射Brillouin1921二、瑞利散射光學(xué)性質(zhì)不均勻的介質(zhì)，可能是由于均勻物質(zhì)中散布著折射率與它不同的其它物質(zhì)的大量微粒，也可能是由于物質(zhì)本身的組成部分（粒子）的不規(guī)則聚集；早在1869年愛(ài)爾蘭物理學(xué)家亭德?tīng)?Tyndall，

1820-1893)就對(duì)混濁介質(zhì)的散射現(xiàn)象做過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究。尤其對(duì)于線度小于波長(zhǎng)的微粒。因此瑞利散射有時(shí)又稱亭德?tīng)栃?yīng)。例如：塵埃、煙（大氣中散布著固態(tài)微粒）、霧（空氣中散布著液態(tài)微粒）、懸浮液（液體中懸浮著固態(tài)微粒）、乳狀液（一種液體中懸浮著另一種液體而不能互相溶解），如水中加入幾滴牛奶，等等。這樣的物質(zhì)稱為混濁介質(zhì)。在亭德?tīng)柕幕A(chǔ)上，英國(guó)物理學(xué)家瑞利于1899年對(duì)小粒子散射又進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)裝置如圖：透射光散射光檢偏器探測(cè)器實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：從容器側(cè)面看到的散射光，帶有青藍(lán)色，透射光則帶有紅色。瑞利（LordRayleigh,1842-1919）1904年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者進(jìn)一步研究表明，散射光的強(qiáng)度與光波波長(zhǎng)的四次方成反比，即：——稱為瑞利散射定律根據(jù)瑞利散射定律，可以對(duì)前面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出很好的解釋。假設(shè)白光中波長(zhǎng)為720nm的紅光與波長(zhǎng)為440nm的青藍(lán)光具有相同的強(qiáng)度，由于兩種波長(zhǎng)之比為：所以散射光中，藍(lán)光的強(qiáng)度與紅光強(qiáng)度之比為：可見(jiàn)散射光中藍(lán)光的強(qiáng)度約為紅光強(qiáng)度的7.2倍，因此透射光中所含的紅光成分就較多，故帶紅色。表面上看起來(lái)是純凈均勻的介質(zhì)，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)使分子密度有漲落而引起的散射，稱為分子散射。分子散射也滿足瑞利散射定律。為何正午的太陽(yáng)基本上呈白色,而旭日和夕陽(yáng)卻呈紅色?正午的太陽(yáng)地球大氣層散射正午太陽(yáng)直射,穿過(guò)大氣層厚度最小,陽(yáng)光中被散射掉的短波成分不太多,因此基本上呈白色或略帶黃橙色。早晚的陽(yáng)光斜射,穿過(guò)大氣層的厚度比正午時(shí)厚得多,大氣散射掉的短波成分,透過(guò)長(zhǎng)波成分，所以旭日和夕陽(yáng)呈紅色。太陽(yáng)散射光在大氣層內(nèi)層,藍(lán)色的成分比紅色多,使天空呈蔚藍(lán)色。因?yàn)榧t光透過(guò)散射物的穿透能力比藍(lán)光強(qiáng)，因此通常情況下，危險(xiǎn)信號(hào)燈、交通禁行燈等采用紅色，使有關(guān)人員在能見(jiàn)度低的情況下，能盡早發(fā)現(xiàn)采取措施。紅光透過(guò)散射物的穿透力比藍(lán)光強(qiáng)，所以在拍攝薄霧景色時(shí)，可在照相機(jī)物鏡前加上紅色濾光片以獲得更清晰的照片。紅外線穿透力比可見(jiàn)光強(qiáng)，常被用于遠(yuǎn)距離照相或遙感技術(shù)。散射光強(qiáng)隨散射方向變化的關(guān)系散射光強(qiáng)的角分布為：各向同性介質(zhì)，偏振度為：瑞利散射光的光強(qiáng)度角分布和偏振特性起因于散射光是橫電磁波。圖中的入射光可分解為沿y方向和z方向的兩個(gè)光振動(dòng)，其振幅相等，Ay＝Az＝A0。自然光沿x方向入射到介質(zhì)的帶電微粒e上，使其作受迫振動(dòng)。xzyPe假設(shè)考察位于xey

面內(nèi)的P點(diǎn)，散射光方向eP與入射光方向成角，則其兩個(gè)光振動(dòng)分量的振幅分別為Az＝Az＝A0和Ay＝Aycos＝A0cos。xyPAyAyxzyPe由于散射光兩個(gè)振動(dòng)分量的大小與散射方向有關(guān),所以散射光的偏振態(tài)隨散射方向不同而異。沿著入射光方向或逆著入射光方向，散射光為自然光；在垂直入射光方向的y軸和z軸上，散射光為線偏振光；其余方向上的散射光，均為部分偏振光。xzyPe散射光的偏振情況為：

當(dāng)自然光入射時(shí)，散射光一般為部分偏振光，但在垂直入射光方向上的散射光是線偏振光； 當(dāng)線偏振光入射時(shí)，各方向的散射光都是線偏振光三、米氏散射定義： 又稱為大粒子散射，其散射微粒的直徑與入射的光波 波長(zhǎng)接近甚至更大。特點(diǎn)： a、散射光強(qiáng)與偏振特性隨散射粒子的尺寸變化； b、散射光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律與波長(zhǎng)的較低冪次成反比； c、散射光的偏振度隨d/λ的增加而減?。?d、散射光強(qiáng)度的角分布隨d/λ而變，前向強(qiáng)，后向弱。米氏散射解釋自然現(xiàn)象：A、藍(lán)天白云B、霧是白色的米氏散射光強(qiáng)的角分布圖米（G.Mie)和德拜(P.Debye)以球形質(zhì)點(diǎn)為模型計(jì)算了電磁波的散射。米－德拜的計(jì)算表明，當(dāng)球半徑滿足下列條件時(shí)，瑞利散射定律才正確當(dāng)a較大時(shí)，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的依賴關(guān)系就不明顯了，米－德拜的計(jì)算結(jié)果如圖。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)大于十分之一時(shí)，散射光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的依賴關(guān)系不明顯。因此散射光的顏色與入射光相近，白光入射將觀察到白色的散射光。這就是云霧呈白色的緣故。

例如，點(diǎn)燃的香煙冒出藍(lán)色的煙，但從口中吐出的煙卻是白色的。Why？這是因?yàn)榻M成煙的微小顆粒藍(lán)光散射強(qiáng)烈——瑞利散射；而從口中吐出的煙，由于凝聚了水蒸氣在其上，顆粒變大——屬于米氏散射，故呈現(xiàn)白色。當(dāng)光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，不僅介質(zhì)的吸收使透射光強(qiáng)減弱，由于光的散射也使使射入介質(zhì)的光強(qiáng)按指數(shù)形式衰減，因此，穿過(guò)厚度為l的介質(zhì)透射光強(qiáng)為：為吸收系數(shù)，為散射系數(shù)，+就稱為衰減系數(shù)。在很多情況下