光学第七章光与物质相互作用.ppt

光学第七章光与物质相互作用
【教师试讲】【课堂演讲】【教学课件】【说课比赛】
成数学表达式：
dx
x
为什么有负号？
这实际上是一个微分方程，光强从A端的 I0 传到B点，B点的光强 I 是多少？
A
B
I0
I
第二节 光的吸收与色散
1. 光的线性吸收规律
比较可以得到：
对上式两边进行积分得到：
设B点的光波方程为
对应的光强为
因而，B点的光波方程可以表示成
与介质中的光波方程
比较，可得：
第二节 光的吸收与色散
2. 吸收光谱
从吸收系数
可知，当入射光的频率与介质的共振频率0相同时，吸收系数迅速增大，介质表现出对频率为0的光强烈吸收。因为0仅与物质的性质有关，因为可以通过测量吸收的了那些波长的光来研究介质的性质。令具有连续波长的光通过介质后再经过光谱仪，即可将不同的波长的光被吸收的情况显示出来，形成吸收光谱。
吸收光谱
发射光谱
第二节 光的吸收与色散
3. 光的色散
第二节 光的吸收与色散
通过光的辐射经典理论已经得到折射率与光的频率有关
可以得到与波长的关系：
n

可见光
吸收区
正常色散区
3. 光的色散
第二节 光的吸收与色散
称作科希公式，它实际上严格的折射率公式的幂级数展开后的近似。
在正常色散区，折射率可表示成一种近似的形式：
在正常色散区，折射率随波长的增加而减少，而在吸收带，折射率随着波长的增加而急剧增加，可以想象，此时的光谱分布将发生逆转，把吸收带中发生的色散称作反常色散。
正常色散
反常色散
1. 瑞利散射 当光入射到不均匀介质中时，被散射的光多少与波长有关：
第三节 光的散射
当光入射到介质中时，将激起介质中电子做受迫振动，并发出次波，如果介质是均匀的，次波相互相干叠加，形成新的波面应该遵从几何光学规律传播，但如果介质内不不均匀，每一个颗粒发出的次波相位都不一致，将不能相干叠加，而发生散射。
即，波长越短越容易被散射，太阳光经过大气时，蓝光比较短，容易被大气散射，而红光波长较长，散射的较少
而米氏和德拜认为，瑞利散射规律只适用于较小颗粒的散射，如果颗粒半径a>，散射不满足瑞利公式。
第三节 光的散射
解释天空蓝色，初阳和夕阳的红色，白云，彩云，烟雾等的颜色
瑞利散射区
米氏散射区
ka
散射概率
注意：介质的散射会改变光的偏振态
第三节 光的散射
2. 拉曼散射
一般介质对光的散射不会改变光的频率，但是如果介质内部的结构以一种固定频率j振动着，当频率为0的光入射到这样的介质中时，就会散出三种频率的光：
与原来入射光频率一致
0
斯托克斯线
0 -j
反斯托克斯线
0 + j
对拉曼散射的光进行光谱分析，可以得到介质重要的结构参数，形成拉曼光谱学
第四节 激 光
第四节 激 光
亮度高。可以达到太阳表面亮度的几十亿 ~ 几百亿倍
单***好。一般激光发射的单色光的波长范围宽度约为一千万分之一埃（10-7Å）数量级。是世界上最纯的颜色。
方向性好。发散角 ~1/10度。
相干性高。相干长度可达数公里。
发光时间可以很短，功率最大。发光时间可短于1万亿分之一秒（10-12秒），瞬时功率可达10万亿（1013）瓦特。
1. 激光的特点：
第四节 激 光
E2
自发辐射
E1
E2
受激吸收
E1
E2
受激辐射
E1
2. 原子的激发与跃迁
过程之前 过程之后
第四节 激 光
3. 粒子数反转
激光的光来自受激辐射，产生稳定、放大的受激辐射必要条件是粒子数反转、光泵、谐振腔
粒子数反转的目的是为了使得受激辐射大于受激吸收。
设有三能级系统，E1，E2，E3。有可能形成如下的两种粒子数反转情况
E3 N3 E3 N3