7 光的吸收、色散及散射 §7.3 光的散射

7 光的吸收、色散及散射 7.3 光的散射 主要内容 1. 散射的一般概念 2. 瑞利散射 3. 米氏散射 4. 拉曼散射与布里渊散射

7 光的吸收、色散及散射 7.3.1 散射的一般概念 7.3 光的散射 光散射：光束通过光学性质不均匀的介质时，其能量将向整个空间4p立体角内散开，从而在垂直于传播方向上的强度不为0。 光学性质不均匀：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，晶体中掺入杂质或缺陷等。

7 光的吸收、色散及散射 7.3.1 散射的一般概念 7.3 光的散射 (1) 散射定律 （as：散射系数） (7.3-1) 意义：介质因散射和吸收对透射光强的减弱具有类似的规律 注意：对于一般介质，如果同时存在者散射和吸收，且吸收系数为aa，则实际透射光强度为： (7.3-2) 说明：通过测量透射光强与入射光强之比值所得到的介质的损耗系数中，同时包含了吸收和散射的贡献。

7 光的吸收、色散及散射 7.3.1 散射的一般概念 7.3 光的散射 (2) 散射产生的原因及散射现象分类 散射产生的原因：物质中的杂质微粒或不规则排列的物质微粒在光波作用下产生受迫振动，进而产生次级辐射，因彼此间无固定的相位关系，各微粒所发出的次波在空间各点发生非相干叠加，形成散射光。 散射现象分类： ① 散射光波矢量变化而波长不变化：瑞利散射、米氏散射和分子散射 ② 散射光波矢和波长同时变化：拉曼散射和布里渊（Brillouin）散射

7 光的吸收、色散及散射 7.3.1 散射的一般概念 7.3 光的散射 说明： 瑞利散射和米氏散射属于悬浮质点散射，主要由介质中的杂质微粒引起，与温度变化无关；分子散射主要由介质分子的热运动造成的局部密度涨落引起，随温度的升高而增大。拉曼散射和布里渊散射属于非线性散射，严格的解释需要非线性光学理论。 即使十分纯净的介质，仍然存在着或多或少的分子散射，特别是在临界点（相变点），分子密度涨落很大，分子散射可能很强，但散射规律类似瑞利散射，可以用瑞利散射规律解释。

7 光的吸收、色散及散射 7.3.1 散射的一般概念 7.3 光的散射 (3) 散射与直射、反射、折射的区别 光的直射、反射及折射等均具有定向性，且遵守相应的直线传播、反射及折射定律。光的散射无定向性，遵守统计规律。 严格讲，反射和折射定律成立的条件是介质的分界面或表面为光学光滑面。然而，任何介质的表面都不可能是一个理想光滑的几何面。并且，由于分子的热运动，其表面的微观结构还处于不断的变化中。 当表面上不规则区域的线度远小于光波长时，其不规则性可忽略，该表面可视为光学光滑表面，光波在其上将发生反射或折射；当表面上不规则区域的线度仅略小于波长或与之大小相当时，则其不规则性不能忽略，被视为光学粗糙表面，于是导致入射光波发生散射。

7 光的吸收、色散及散射 7.3.1 散射的一般概念 7.3 光的散射 (4) 散射与漫射的区别 漫射产生于一般物体的表面(如墙壁、地面、人体皮肤等）。这些表面从宏观上看非常粗糙，但从微观上看则可以视为许多方位随机分布而线度远大于波长的微小镜面的集合。 对于每一个微小镜面，其非均匀区域的线度远小于光波长，但每个镜面的几何线度却又远大于光波长，且方位取向随机排列。因而，尽管每个微小镜面均对入射光产生定向反射或折射，但所有镜面构成的整个物体表面的反射或折射却漫无规则。

7 光的吸收、色散及散射 7.3.1 散射的一般概念 7.3 光的散射 (5) 散射与衍射的区别 衍射对应于介质表面或体内个别几何线度与波长相当的非均匀区域，散射对应于大量排列无规则且几何线度略小于波长的非均匀区域的集合。 一般情况下，每个非均匀区域均有衍射发生，但各个区域所产生的衍射光波，因其不规则的初相位分布而发生非相干叠加，从而在整体上无衍射现象发生。也就是说，散射是无穷多微粒衍射光波的非相干叠加结果。

7 光的吸收、色散及散射 7.3.2 瑞利散射 7.3 光的散射 (1) 瑞利的实验结果 实验：平行自然白光入射于牛奶与水的混合液中 x 散射物质 白光 l z 散射光 图7.3-1 瑞利散射实验 正侧向（x方向）散射光：青蓝色——短波成分居多 平行向（z方向）透射光：偏红色——长波成分居多

7 光的吸收、色散及散射 7.3.2 瑞利散射 7.3 光的散射 ① 单色平行自然光入射时 透射光或其反方向：自然光 正侧向（x方向）：振动面垂直于透射光方向的平面偏振光 其他方向：部分偏振光 散射光强度： （Q：散射光方向） (7.3-3) ② 平面偏振光入射时 各向散射光：平面偏振光 散射光强度： （Q：散射光方向） (7.3-4) z Q x 散射光方向 入射光方向 Ip/2 I (Q ) 图7.3-3 自然光产生的散射光强的分布 图7.3-2 自然光产生的散射光的偏振态 y

7 光的吸收、色散及散射 7.3.2 瑞利散射 7.3 光的散射 (2) 瑞利散射定律 当散射微粒的几何线度远小于波长时，散射过程不改变入射光的波长，但散射光的强度随入射光的波长不同而不同。若入射光谱强度分布函数为I(l)，其侧向散射光的谱强度分布反比于l4。 说明： 由瑞利散射定律可以较好地解释瑞利的实验结果以及大气的散射现象。由于散射光强度反比于波长的四次方，故短波较长波更容易引起散射，而长波比短波有较强的穿透力。 瑞利散射要求散射微粒的线度小于光波波长，当散射微粒的线度接近或大于光波波长时，如高空中云层的散射，瑞利散射定律将不再适用。

7 光的吸收、色散及散射 7.3.3 米氏散射 7.3 光的散射 米氏散射：米氏根据电磁场方程对平面波照射球形粒子时的散射过程得出： ① 散射粒子的横向几何线度与入射光波长之比很小时（a/l<0.1），散射光强与入射光波长的关系服从瑞利散射定律。 ② 当该比值较大（a/l≈0.1～10）时，散射光强与波长的依赖关系逐渐减弱，并且，当该比值增大到一定程度后，散射光强随该比值的增大出现起伏，即交替达到极大值和极小值。这种起伏的幅度亦随该比值的增大而逐渐减小。 ③ 对于足够大的粒子，（a/l>10），散射光强基本上与波长无关，此时的散射称为大粒子散射，可看作是米氏散射的极限状态。

7 光的吸收、色散及散射 7.3.3 米氏散射 7.3 光的散射 图7.3-4 瑞利散射和米氏散射 散射光强 a/l 米氏区 瑞利区 2 4 6 10 8

7 光的吸收、色散及散射 7.3.4 拉曼散射与布里渊散射 7.3 光的散射 (1) 拉曼的实验结果（1928） (2) 拉曼散射规律 拉曼实验：在苯、甲苯、水及其他多种介质中观察到一种频率发生改变的散射现象 入射光频率：n 0 n0+n1 拉曼散射线 n0 n n0-n1 散射光频率：n 0 , n 0±n 1 , n 0±n 2 , ··· 斯托克斯线：长波散射光（红伴线） 反斯托克斯线：短波散射光（紫伴线） (2) 拉曼散射规律 ① 同一散射物质，其散射光的频移大小与入射光波长无关 ② 长波散射光（斯托克斯线）强度大于短波（反斯托克斯线） ③ 不同散射物质的散射光与入射光的波长差不同，反映了物质分子振动的固有频率

7 光的吸收、色散及散射 7.3.4 拉曼散射与布里渊散射 7.3 光的散射 (3) 拉曼散射的解释 经典电磁理论观点：散射物质分子与入射光波电磁场的相互作用结果 在光波电场作用下，散射物分子产生感应电偶极矩。若分子以固有频率（如n1或n2）振动，并使分子极化率以相同的频率作周期变化，则感应电偶极矩的振动频率不仅包含着与光波电场相同的成分n0，而且还包含着新的成分n0±n1 或n0±n2，因而所产生的辐射将包含n0以及n0±n1 或n0±n2等成分。 量子论观点：散射物质分子与入射光子的相互作用结果 光学声子：散射分子的一些处于光频量级的固有频率 ① 瑞利散射：散射分子与入射光子无能量交换，因而不改变入射光子的频率 ② 斯托克斯线：散射分子与光子发生能量交换并吸收了一个光学声子能量 ③ 反斯托克斯线：散射分子与光子发生能量交换并放出了一个光学声子能量

7 光的吸收、色散及散射 7.3.4 拉曼散射与布里渊散射 7.3 光的散射 (4) 布里渊散射 声学声子：散射分子的一些处于声频量级的较低固有频率 布里渊散射：入射光子与声学声子相互作用过程产生的散射现象 布里渊散射的特点：所产生的散射光子的频移要比拉曼散射小很多 说明： 由于散射光的频率是入射光的频率与散射分子固有频率联合而成，故拉曼散射又称为联合散射。 拉曼散射或布里渊散射中，一个光子每次只能与一个声子交换能量，故散射光子的频率改变量取一些分立值，这个值正好对应着散射分子的某个固有频率。利用拉曼散射或布里渊散射可以研究物质的结构特性，并且也可以此作为原理制作出大范围的分布式光纤温度传感器。

本节重点 7 光的吸收、色散及散射 7.3 光的散射 1. 散射意义及散射定律 2. 瑞利散射的特点、散射定律及适用范围 3. 米氏散射的特点 4. 拉曼散射的基本概念