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1、光学第三章第1页，共68页，编辑于2022年，星期五1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射第三章第三章 光通过各向同性介质及其界面所发生的现象光通过各向同性介质及其界面所发生的现象第2页，共68页，编辑于2022年，星期五主要内容主要内容1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射1.菲涅耳公式菲涅耳公式2.反射、折射反射、折射时时的相位的相位跃跃迁（相移）迁（相移）3.光在反射和折射光在反射和折射时时振振动动分量改分量改变变的真的真实实情况情况4.斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系5.光光强强、能流反射率和透射率、能流反射率
2、和透射率6.布儒斯特定律布儒斯特定律7.反射光与折射光的偏振反射光与折射光的偏振态态第3页，共68页，编辑于2022年，星期五小坐标系：小坐标系：p、s、k直角坐直角坐标标系。系。k k轴：光传播方向；轴：光传播方向；p轴：在入射面内；轴：在入射面内；s轴：垂直于入射面，正方向沿轴：垂直于入射面，正方向沿y y 轴正方向。轴正方向。1.菲涅耳公式菲涅耳公式1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射按按p、s、k构成右手正交系构成右手正交系大坐大坐标标系：系：x，y，z直角坐直角坐标标系。系。z轴轴：法：法线线，方向从介，方向从介质质1至介至介质质2；x轴轴：在
3、入射面内；：在入射面内；y轴轴：垂直入射面指向我：垂直入射面指向我们们。因而可以将入射光、反射光和折射光振因而可以将入射光、反射光和折射光振动动矢量分解矢量分解为为p分量分量Ep和和s分量分量Es（光从介质（光从介质1射入介质射入介质2）图图3.1-1 光在两种透明电介质分界面上的反射和折射光在两种透明电介质分界面上的反射和折射i1p1k1i1p1k1k2n2n1xzOi2s1s1s2p2第4页，共68页，编辑于2022年，星期五菲涅耳公式（重要）菲涅耳公式（重要）1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射振幅反射率：振幅反射率：振幅透射率：振幅透射率：菲涅尔
4、公式所说的是在分界面上发生反射和折射菲涅尔公式所说的是在分界面上发生反射和折射时时各振动分量的变化情况；各振动分量的变化情况；s分量和分量和p分量分别独立地分量分别独立地按照各自的规律反射和折射，其振幅反射率和振幅按照各自的规律反射和折射，其振幅反射率和振幅透射率仅取决于光束的入射角和两种介质的折射率透射率仅取决于光束的入射角和两种介质的折射率第5页，共68页，编辑于2022年，星期五1 1 光在各向同性介质界面上的反射和光在各向同性介质界面上的反射和折射折射2.反射、折射时的相位跃迁（相移）反射、折射时的相位跃迁（相移）外反射：光从光疏介质进入光密介质外反射：光从光疏介质进入光密介质内反射：
5、光从光密介质进入光疏介质内反射：光从光密介质进入光疏介质 外反射外反射时时相位跃迁相位跃迁（n1n2）p分量分量s分量分量折射时相位跃迁：折射时相位跃迁：折射光与入射光同相位折射光与入射光同相位图图3.1-3 振幅反射率曲线振幅反射率曲线（n1=1.5，n2=1）rp3090060rsiBici1/(o)-0.501.0i1P1S1k1i1P2S2k2n2n1i2Ok1P1S1zx反射光的相位跃迁反射光的相位跃迁第7页，共68页，编辑于2022年，星期五1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射3.光在反射和折射时振动分量改变的真实情况光在反射和折射时振动分量
6、改变的真实情况时的反射和折射时的反射和折射图图3.1-4时的反射和折射时的反射和折射图图3.1-5第8页，共68页，编辑于2022年，星期五正入射正入射（i1=0）000000例题例题:分析正入射和掠入射时反射光和折射光电矢量的分析正入射和掠入射时反射光和折射光电矢量的p、s分量相对于入射光的相位改变情况。分量相对于入射光的相位改变情况。解：根据上图，可以将正入射和掠入射时相解：根据上图，可以将正入射和掠入射时相位改变写出，见表。位改变写出，见表。掠入射掠入射（i1=90O）00第9页，共68页，编辑于2022年，星期五1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折
7、射光从一透明薄膜的上下表面反射时，两平行反射光之间的相位跃变光从一透明薄膜的上下表面反射时，两平行反射光之间的相位跃变结论：结论：当薄膜上下折射率相同时，两平行反射光之间会有半波损（相位跃当薄膜上下折射率相同时，两平行反射光之间会有半波损（相位跃 变）。变）。当薄膜上下折射率不同，并且三者依次增大或依次减小时，两平行反当薄膜上下折射率不同，并且三者依次增大或依次减小时，两平行反 射光之间没有半波损。射光之间没有半波损。第10页，共68页，编辑于2022年，星期五 光从介质光从介质1射入介质射入介质2：振幅反射率：振幅反射率：rs、rp，振幅透射率：振幅透射率：ts、tp 光从介光从介质质2射入
8、介射入介质质1：振幅反射率：振幅反射率：rs、rp，振幅透射率：，振幅透射率：ts、tp 托克斯倒易关系托克斯倒易关系4.斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系图图3.1-6 斯托克斯倒易关系的证明斯托克斯倒易关系的证明ArtAArrAttArArAtAtAtrn2n1由光路的可逆性原理得：由光路的可逆性原理得：1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射第11页，共68页，编辑于2022年，星期五光强：光强：光强反射率：光强反射率：光强透射率：光强透射率：5.光强反射率和透射率光强反射率和透射率1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和
9、折射能流能流W：单位时间流过面积：单位时间流过面积S的光能量。的光能量。能流透射率：能流透射率：Tp能流反射率：能流反射率：Rp能量守恒：能量守恒：TpRp1TSRS1Rs=第12页，共68页，编辑于2022年，星期五1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射光强、能流反射率和透射率随入射角的变化光强、能流反射率和透射率随入射角的变化第13页，共68页，编辑于2022年，星期五p分量分量s分量分量振幅反射率振幅反射率光强反射率光强反射率能流反射率能流反射率振幅透射率振幅透射率光强透射率光强透射率能流透射率能流透射率各种反射率和透射率的定义（重要）各种反射率和透
10、射率的定义（重要）1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射第14页，共68页，编辑于2022年，星期五布儒斯特角布儒斯特角：反射光：反射光p p分量为零时对应的入射角，或者折射光线与反射光线正交分量为零时对应的入射角，或者折射光线与反射光线正交 时的入射角时的入射角iB 布儒斯特定律：布儒斯特定律：入射角等于布儒斯特角入射角等于布儒斯特角iB时，时，反射光是线偏振光反射光是线偏振光(只存在只存在s分量分量)，布儒斯特角为，布儒斯特角为图图3.1-9 自然光以布儒斯特角入射时的反射和折射自然光以布儒斯特角入射时的反射和折射iBE1pE1sk1iBE1sk1iB
11、k2E2pE2sn2n16.布儒斯特定律布儒斯特定律1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射布儒斯特角又称为布儒斯特角又称为起偏角起偏角或或者者全偏振角全偏振角第15页，共68页，编辑于2022年，星期五 自自然然光光以以布布儒儒斯斯特特角角入入射射时时，反反射射光光为为只只有有s分分量量的的线线偏偏振振光光，透透射射光光变变为为部部分分偏振光偏振光。说说 明：明：线线偏偏振振光光以以布布儒儒斯斯特特角角入入射射时时，反反射射光光为为只只有有s s分分量量的的线线偏偏振振光光，折折射射光光也也是是线线偏偏振振光光；若若入入射射光光的的振振动动面面与与入入射射
12、面面垂垂直直，则则反反射射光光和和透透射射光光均均为为振振动动面面垂垂直直于于入入射射面面的的线线偏偏振振光光；若若入入射射光光振振动动面面与与入入射射面面平平行行，则则反反射射光光强强度度为为0，即即全全部透射部透射。圆圆偏偏振振光光以以布布儒儒斯斯特特角角入入射射时时，反反射射光光仍仍为为只只有有s分分量量的的线线偏偏振振光光，透透射射光光变变为为椭椭圆偏振光圆偏振光。1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射第16页，共68页，编辑于2022年，星期五例例1将一介质平板放在水中将一介质平板放在水中,板面与水平面的夹角为板面与水平面的夹角为，如图。已知折射
13、率，如图。已知折射率n水水=1.333，n介质介质=1.681，要使水面和介质面反射光均为线偏振光，要使水面和介质面反射光均为线偏振光,求求 又又又又根据布儒斯特定律可得：根据布儒斯特定律可得：解：如图所示，解：如图所示，第17页，共68页，编辑于2022年，星期五例例2自然光以布儒斯特角入射到折射率为自然光以布儒斯特角入射到折射率为1.51.5的平板玻璃上时，求折射光的偏振度的平板玻璃上时，求折射光的偏振度(忽略玻璃对光的忽略玻璃对光的吸收）？吸收）？1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射解：已知解：已知n1=1.0，n2=1.5，自然光的，自然光的,折
14、射光的偏振度为：折射光的偏振度为：又：又：iBE1pE1sk1iBE1sk1iBk2E2pE2sn2n1得：得：折射光的偏振度很低，反射光虽然是线偏振光，但是光能较入射光很弱折射光的偏振度很低，反射光虽然是线偏振光，但是光能较入射光很弱第18页，共68页，编辑于2022年，星期五特点：可对入射光的偏振态及振幅进行调制。特点：可对入射光的偏振态及振幅进行调制。玻片堆的应用：起偏器，检偏器，偏振分束器，偏振激光器等。玻片堆的应用：起偏器，检偏器，偏振分束器，偏振激光器等。图图3.1-10 玻片堆玻片堆iB自然光自然光I0Ip忽略玻璃吸收忽略玻璃吸收1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向
15、同性介质界面上的反射和折射玻片堆玻片堆反射镜反射镜布儒斯特窗布儒斯特窗图图3.1-12 带布儒斯特窗的激光谐振腔带布儒斯特窗的激光谐振腔图图3.1-11 偏振分束棱镜偏振分束棱镜sp自然光自然光等效于玻片堆等效于玻片堆的多层介质膜的多层介质膜第19页，共68页，编辑于2022年，星期五1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射大小一般不同大小一般不同同时相同时相位位也将发生变化也将发生变化A）自然光入射：）自然光入射：正入射：反射、折射光仍然为正入射：反射、折射光仍然为自然光自然光布儒斯特角入射：反射光为布儒斯特角入射：反射光为线偏振线偏振，透射光为，透射光为
16、部分偏振部分偏振。其它情况两者皆为。其它情况两者皆为部分偏振部分偏振。B）圆偏振入射：）圆偏振入射：一般情况，由于一般情况，由于S、P分量的振幅反射率不同，分量的振幅反射率不同，反射光为反射光为椭圆偏振光椭圆偏振光7.反射、折射时的偏振态变化反射、折射时的偏振态变化C）椭圆偏振光入射：）椭圆偏振光入射：一般仍然为一般仍然为椭圆偏振光椭圆偏振光。全反射时全反射时：P、S之间的位相差之间的位相差因此因此反射光为椭圆偏振光反射光为椭圆偏振光。D）线偏振光入射：）线偏振光入射：一般仍为一般仍为线偏振光线偏振光。i1p1k1i1p1k1k2n2n1xzOi2s1s1s2p2第20页，共68页，编辑于20
17、22年，星期五例例3 一右旋圆偏振光正入射到一玻璃表面，试确定反射光的偏振态。一右旋圆偏振光正入射到一玻璃表面，试确定反射光的偏振态。解：将右旋圆偏振光分解成两互相垂直的振动解：将右旋圆偏振光分解成两互相垂直的振动 ,在入射面内，在入射面内，垂直于入射面。垂直于入射面。入射光的振动方程为：入射光的振动方程为：其中，其中，由菲涅尔公式：由菲涅尔公式：得：得：所以反射光是左旋圆偏振光所以反射光是左旋圆偏振光第21页，共68页，编辑于2022年，星期五1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射和折射本节重点本节重点1.垂垂直直入入射射时时的的振振幅幅反反射射比比和和振振幅
18、幅透透射射比比、强强度度反反射射率率与能流反射率与能流反射率2.斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系3.布儒斯特定律及其应用布儒斯特定律及其应用4.反射和折射时偏振态的改变反射和折射时偏振态的改变第22页，共68页，编辑于2022年，星期五2 光的吸收光的吸收第23页，共68页，编辑于2022年，星期五1.吸收定律吸收定律2.介质吸收的特点介质吸收的特点3.吸收光谱及其应用吸收光谱及其应用主要内容主要内容2 光的吸收光的吸收第24页，共68页，编辑于2022年，星期五光吸收的特点：光吸收的特点：吸收是介质的普遍性质。除真空外，没有任何一种介质吸收是介质的普遍性质。除真空外，没有任何一种介质对任何波
19、长的电磁波均完全透明。对任何波长的电磁波均完全透明。一般介质只能对某些波长范围内的光一般介质只能对某些波长范围内的光波透明，而对另外一些波长范围的光波不透明或部分透明。波透明，而对另外一些波长范围的光波不透明或部分透明。光吸收的基本概念：光波在介质中传播时，其强度随传播距离衰减的现象。光吸收的基本概念：光波在介质中传播时，其强度随传播距离衰减的现象。1.吸收定律吸收定律2 光的吸收光的吸收第25页，共68页，编辑于2022年，星期五布格尔实验结果：布格尔实验结果：a a：介质的吸收系数，与入射光的波：介质的吸收系数，与入射光的波长有关长有关意义：意义：均匀介质中，光强度的衰减量正比于入射光强度
20、和介质薄层厚度均匀介质中，光强度的衰减量正比于入射光强度和介质薄层厚度。(1)朗伯定律朗伯定律朗伯定律朗伯定律：光波透过整个介质后的强度：光波透过整个介质后的强度：I0：入射光强度；：入射光强度；l：光波穿过的介质厚度：光波穿过的介质厚度 2 光的吸收光的吸收图图3.2-1 光的吸收光的吸收0zzlz+dzI0I第26页，共68页，编辑于2022年，星期五比尔实验结果：比尔实验结果：透明透明溶液的吸收系数溶液的吸收系数a a 正比于溶液的浓度正比于溶液的浓度C:比尔定律：比尔定律：A：与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收物质分子的特征。：与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收物质分子的特征。
21、说说明明：比比尔尔定定律律仅仅适适用用于于稀稀溶溶液液（物物质质分分子子的的吸吸收收本本领领不不受受其其邻邻近近分分子子影影响响时时才才成成立立）。对对于于稀稀溶溶液液，根根据据比比尔尔定定律律，在在A已已知知的的情情况况下下，可可以以通通过过溶溶液液的的吸吸收收特特征征来来确确定定溶溶液液的的浓浓度度（溶溶液液中中吸吸收收物物质质含含量量）。当当溶溶液液浓浓度度很很大大时时，分分子子间间的的相相互互作作用用不不可可忽忽略略，比比尔尔定定律律不不再再成成立立，但但朗朗伯伯定定律律始始终终成成立立。此此外外，朗朗伯伯定定律律仅仅描描述述了了介介质质在在一一般般光光源源产产生生的的光光辐辐射射下下
22、的的线线性性吸吸收收，对对于于强强激激光光辐辐射射下下的的非线性吸收，非线性吸收，朗伯朗伯定律不再成立。定律不再成立。(2)比尔定律比尔定律2 光的吸收光的吸收第27页，共68页，编辑于2022年，星期五普遍吸收普遍吸收（均匀吸收，一般吸收）：（均匀吸收，一般吸收）：介质对某些波长范围光辐射的均匀吸收。介质对某些波长范围光辐射的均匀吸收。普遍吸收的特点：普遍吸收的特点：吸收系数很小，且对于给定波段内各种波长成分具有相同程度的吸收吸收系数很小，且对于给定波段内各种波长成分具有相同程度的吸收系数系数。选选择择吸吸收收：介介质质对对某某些些波波长长范范围围的的剧剧烈烈吸吸收收。由由于于所所吸吸收收光
23、光子子的的能能量量对对应应着着介介质质的的某个跃迁能级，故又称某个跃迁能级，故又称共振吸收共振吸收。选择吸收的特点：选择吸收的特点：吸收系数很大，且随波长的不同而剧烈地变化吸收系数很大，且随波长的不同而剧烈地变化。说说明明：任任何何物物质质，既既存存在在普普遍遍吸吸收收，又又存存在在选选择择吸吸收收。普普遍遍吸吸收收的的结结果果导导致致介介质质的的局局部部温温度度升升高高，选选择择吸吸收收的的结结果果导导致致介介质质能能级级发发生生跃跃迁迁。不不同同物物质质对对不不同同波波长长范范围围的的光光辐辐射射具具有有不不同同的的吸吸收收特特性性。对对于于可可见见光光波波段段，普普遍遍吸吸收收意意味味着
24、着光光波波透透过过该该介介质时不变色，选择吸收则意味着光波透过该介质时的颜色将发生改变质时不变色，选择吸收则意味着光波透过该介质时的颜色将发生改变。2.介质吸收的特点介质吸收的特点2 光的吸收光的吸收第28页，共68页，编辑于2022年，星期五光学材料光学材料波长范围波长范围/nm光学材料光学材料波长范围波长范围/nm冕玻璃3502000岩盐（NaCl）17514500火石玻璃3802500氯化钾（KCl）18023000石英玻璃1804000氟化锂（LiF）1107000萤石（CaF2）1259500表表3.2-1 常用光学材料的透光波段常用光学材料的透光波段石英玻璃石英玻璃在紫外和可见光区
25、具有普遍（均匀）吸收特性在紫外和可见光区具有普遍（均匀）吸收特性 2 光的吸收光的吸收第29页，共68页，编辑于2022年，星期五(1)吸收光谱吸收光谱 具具有有连连续续光光谱谱分分布布的的光光，通通过过有有选选择择吸吸收收的的介介质质之之后后，某某些些波波段段或或某某些些波波长长成成分分的的光光能能量量被被介介质质部部分分或或全全部部吸吸收收，剩剩余余的的经经分分光光仪仪器器进进行行光光谱谱展展开开后后，原原来来连连续续分分布布的的光光谱谱中中将将出出现现一些一些暗区或暗线暗区或暗线吸收光谱。吸收光谱。发射光谱与吸收光谱发射光谱与吸收光谱：物质在较高温度下的发射光谱与在较低温度下的吸物质在较
26、高温度下的发射光谱与在较低温度下的吸收光谱对应收光谱对应。前者表现为暗背景下的一组亮带或亮线前者表现为暗背景下的一组亮带或亮线，后者则表现为连续后者则表现为连续光谱下的一组暗带或暗线。光谱下的一组暗带或暗线。带状光谱与线状光谱带状光谱与线状光谱：由于物质分子或原子间相互作用的影响，一般情况：由于物质分子或原子间相互作用的影响，一般情况下，下，流体、固体物质的吸收波段很宽流体、固体物质的吸收波段很宽，吸收光谱为，吸收光谱为具有一定宽度的带状分具有一定宽度的带状分布布。稀薄气体的吸收波段很窄稀薄气体的吸收波段很窄，吸收光谱为，吸收光谱为一系列明锐的暗线一系列明锐的暗线。3.吸收光谱及其应用吸收光谱
27、及其应用2 光的吸收光的吸收第30页，共68页，编辑于2022年，星期五2 光的吸收光的吸收镁原子的能级图镁原子的能级图第31页，共68页，编辑于2022年，星期五2 光的吸收光的吸收原子的吸收光谱原子的吸收光谱第32页，共68页，编辑于2022年，星期五太太阳阳光光谱谱：较较宽宽的的连连续续光光谱谱，其其中中99.9的的能能量量集集中中在在红红外外、可可见见光光及及紫紫外外区区。由由于于地地球球大大气气中中臭臭氧氧、水水汽汽和和其其他他大大气气分分子子的的强强烈烈吸吸收收，短短于于295nm和和大大于于2500nm波波长长的的太太阳阳辐辐射射不不能能到到达达地地面面，故故在在地地面面上上观观
28、测测的的太太阳阳辐辐射射的的波波段段范范围围大大约约为为2952500nm。夫夫琅琅禾禾费费线线：太太阳阳辐辐射射的的连连续续光光谱谱背背景景上上呈呈现现出出的的暗暗线线，源源于于太太阳阳周周围围温温度度较较低低的的太太阳阳大气中的原子对更加炽热的内核发射的连续光谱选择吸收的结果大气中的原子对更加炽热的内核发射的连续光谱选择吸收的结果。表表3.2-2 太阳吸收光谱中较强的夫琅禾费线太阳吸收光谱中较强的夫琅禾费线符号符号波长波长/nm吸收元素吸收元素符号符号波长波长/nm吸收元素吸收元素A759.4-762.1Ob1518.362MgB686.7-688.4OF486.133HC656.282H
29、G430.791FeD1589.592NaG430.774CaD2588.995Nag422.673CaD3587.562HeH396.849CaE526.954FeK393.368Ca2 光的吸收光的吸收第33页，共68页，编辑于2022年，星期五太阳光谱太阳光谱2 光的吸收光的吸收第34页，共68页，编辑于2022年，星期五 物物质质中中杂杂质质元元素素含含量量的的定定量量分分析析：极极少少量量混混合合物物或或化化合合物物中中原原子子含含量量的的变变化化在在光光谱谱吸吸收收中中将将反反映映为为吸吸收收系系数数的的很很大大变变化化，通通过过对对其其吸吸收收光光谱谱的的分分析析，可可以以定定量
30、量确确定定出出该该元元素的含量及变化规律。素的含量及变化规律。(2)吸收光谱的应用吸收光谱的应用 气气象象预预报报：大大气气中中的的主主要要吸吸收收气气体体为为水水蒸蒸气气、二二氧氧化化碳碳及及臭臭氧氧等等，通通过过对对这这些些成成分分的的光光谱谱吸吸收收特特性性的的分分析析，可可获获知知其其含含量量的的变变化化，从从而而为为气气象象预预报报提提供供必必要要的的参考资料。参考资料。2 光的吸收光的吸收 分分子子结结构构分分析析：不不同同分分子子或或同同一一分分子子的的不不同同同同质质异异构构体体，具具有有明明显显不不相相同同的的红红外外吸吸收收光光谱谱。通通过过分分析析分分子子的的红红外外吸吸
31、收收光光谱谱，可可以以获获取取分分子子结结构构的的信信息。息。第35页，共68页，编辑于2022年，星期五 太太阳阳大大气气分分析析：太太阳阳光光极极为为宽宽阔阔的的连连续续谱谱以以及及数数以以万万计计的的吸吸收收线线和和发发射射线线，是是极极为为丰丰富富的的太太阳阳信信息息宝宝藏藏。利利用用太太阳阳光光谱谱，可可以以探探测测太太阳阳大大气气的的化化学学成成分分、温温度度、压压力力、运运动动、结结构构模模型型以以及及各各种种活活动动现现象象的的产产生生机机制制与与演演变变规规律律，认认证证辐辐射射谱谱线线和和确确认认各各种种元元素素的的丰丰度度。太太阳阳发发生生爆爆发发时时，太太阳阳极极的的紫
32、紫外外和和软软X射射线线都都会会出出现现很很大大的的变化。利用这些波段的光谱变化特征可以研究太阳的多种活动现象。变化。利用这些波段的光谱变化特征可以研究太阳的多种活动现象。2 光的吸收光的吸收第36页，共68页，编辑于2022年，星期五1.朗伯定律与比尔定律及应用朗伯定律与比尔定律及应用2.普遍吸收与选择吸收的特点和区别普遍吸收与选择吸收的特点和区别本节重点本节重点2 光的吸收光的吸收第37页，共68页，编辑于2022年，星期五3 光的色散与群速度光的色散与群速度第38页，共68页，编辑于2022年，星期五1.色散的概念色散的概念 2.色散曲线的特征色散曲线的特征 主要内容主要内容3 3 光的
33、色散与群速度光的色散与群速度第39页，共68页，编辑于2022年，星期五色散：介质的折射率随波长（频率）不同而变化色散：介质的折射率随波长（频率）不同而变化 色散率色散率D：D=dn/dl l，介质的折射率随波长的变化率，介质的折射率随波长的变化率 1.色散的概念色散的概念3 3 光的色散与群速度光的色散与群速度三棱镜的色散三棱镜的色散第40页，共68页，编辑于2022年，星期五(1)正常色散曲线正常色散曲线 图图3.3-1 常用光学材料的色散曲线常用光学材料的色散曲线nl l(nm)萤石萤石冕牌玻璃冕牌玻璃石英玻璃石英玻璃轻火石玻璃轻火石玻璃重火石玻璃重火石玻璃100008006004002
34、001.401.501.801.601.70不不同同介介质质的的色色散散曲曲线线没没有有简简单的相似关系单的相似关系 特点：在普遍吸收区域内特点：在普遍吸收区域内 2.色散曲线的特征色散曲线的特征3 3 光的色散与群速度光的色散与群速度波长变化范围不太大时：波长变化范围不太大时：A，B，C：与介质有关的常数，：与介质有关的常数，需由实验数据确定需由实验数据确定 柯西柯西经验公式：经验公式：因而色散率公式为：因而色散率公式为：第41页，共68页，编辑于2022年，星期五在在选选择择吸吸收收区区，折折射射率率随随波波长长出出现现突突变变。在在选选择择吸吸收收区区两两侧侧，折折射射率率随随波波长长迅
35、迅速速变变化化。远远离离吸吸收收区区处处，折折射射率率随波长的变化表现为正常色散特征。随波长的变化表现为正常色散特征。结结论论：反反常常色色散散反反映映了了介介质质在在选选择择吸吸收收区区及及其其附附近近的的色色散散特特征征。如如果果介介质质在在某某一一光光谱谱区区出出现现反反常常色色散散，则则一一定定表表明明介介质质在在该该波波段段具具有有强强烈烈的的选选择择吸吸收收特特性性。而在正常色散的光谱区，介质则表现为均匀吸收特性。而在正常色散的光谱区，介质则表现为均匀吸收特性。特点：特点：(2)反常色散曲线反常色散曲线3 3 光的色散与群速度光的色散与群速度图图3.3-4 介质的色散曲线介质的色散
36、曲线ln吸收带吸收带第42页，共68页，编辑于2022年，星期五全部色散曲线：全部色散曲线：各波段的正常色散曲线与反常色散曲线之总和各波段的正常色散曲线与反常色散曲线之总和 图图3.3-5 一种介质的全部色散曲线一种介质的全部色散曲线l l01l l03l l02可见光可见光近紫外近紫外近红外近红外远红外远红外无线电波无线电波X射线射线远紫外远紫外0l lnl(3)全部色散曲线全部色散曲线3 3 光的色散与群速度光的色散与群速度第43页，共68页，编辑于2022年，星期五本节重点本节重点1.介质色散特性的定量表示介质色散特性的定量表示 2.正常色散、反常色散的特点及其与吸收的关系正常色散、反常
37、色散的特点及其与吸收的关系 3.色散曲线的特征色散曲线的特征 4.柯西色散公式的数学表述柯西色散公式的数学表述 3 3 光的色散与群速度光的色散与群速度第44页，共68页，编辑于2022年，星期五4 光的散射光的散射第45页，共68页，编辑于2022年，星期五4 4 光的散射光的散射1.散射的一般概念散射的一般概念2.瑞利散射瑞利散射3.米氏散射米氏散射主要内容主要内容第46页，共68页，编辑于2022年，星期五光散射：光波在透明介质光散射：光波在透明介质(固体、液体或者气体固体、液体或者气体)中传播时，有部分光波偏离原来的中传播时，有部分光波偏离原来的传播方向向四面八方传播的现象称为光的散射
38、。偏离原来方向的光称为散射光。传播方向向四面八方传播的现象称为光的散射。偏离原来方向的光称为散射光。1.散射的一般概念散射的一般概念4 4 光的散射光的散射散射现象分类：散射现象分类：散射光的波长不变化散射光的波长不变化：瑞利散射、米氏散射和分子散射：瑞利散射、米氏散射和分子散射 散射光的波长变化散射光的波长变化：拉曼散射、布里渊（拉曼散射、布里渊（Brillouin）散射、康普顿散射）散射、康普顿散射 散散射射产产生生的的原原因因：物物质质中中的的杂杂质质微微粒粒或或不不规规则则排排列列的的物物质质微微粒粒在在光光波波作作用用下下产产生生受受迫迫振振动动，进进而而产产生生次次级级辐辐射射，因
39、因彼彼此此间间无无固固定定的的相相位位关关系系，各各微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。粒所发出的次波在空间各点发生非相干叠加，形成散射光。第47页，共68页，编辑于2022年，星期五(1)瑞利的实验结果瑞利的实验结果 图图3.4-1 瑞利散射实验瑞利散射实验xlz散射光散射光散射物质散射物质 白光白光实验：平行自然白光入射于牛奶与水的混合液中实验：平行自然白光入射于牛奶与水的混合液中 正侧向（正侧向（x方向）散射光：青蓝色方向）散射光：青蓝色短波成分居多短波成分居多 平行向（平行向（z方向）透射光：偏红色方向）透射光：偏红色长波成分居多长波成分居多 2.瑞利散射瑞利散射4
40、 4 光的散射光的散射散射粒子的横向几何线度远小于入射光波散射粒子的横向几何线度远小于入射光波长时的散射称为瑞利散射（长时的散射称为瑞利散射（）第48页，共68页，编辑于2022年，星期五 v瑞瑞利利散散射射要要求求散散射射微微粒粒的的线线度度小小于于光光波波波波长长，当当散散射射微微粒粒的的线线度度接接近近或或大大于于光光波波长时，如高空中云层的散射，瑞利散射定律将不再适用。波波长时，如高空中云层的散射，瑞利散射定律将不再适用。(2)瑞利散射定律瑞利散射定律说明：说明：4 4 光的散射光的散射 波长越短，散射越强。波长越短，散射越强。当当散散射射微微粒粒的的几几何何线线度度远远小小于于波波长
41、长时时（），散散射射过过程程不不改改变变入入射射光光的的波波长长，但但散散射射光光的的强强度度随随入入射射光光的的波波长长不不同同而而不不同同,散散射射光光的的强强度反比于度反比于l l4。第49页，共68页，编辑于2022年，星期五 单色平行自然光入射时单色平行自然光入射时 透射光或其反方向：透射光或其反方向：自然光自然光 正侧向（正侧向（x或或y方向）：方向）：振动面垂直于透射光方向的线偏振光振动面垂直于透射光方向的线偏振光 其他方向：其他方向：部分偏振光部分偏振光散射光强度：散射光强度：（Q：散射光方向）散射光方向）线偏振光入射时线偏振光入射时 各向散射光：各向散射光：线偏振光线偏振光散
42、射光强度：散射光强度：（Q：散射光方向）散射光方向）zQ Qx散射光方向散射光方向入入射射光光方方向向 Ip/2p/2I I(Q Q)图图3.4-3 自然光产生的散射光强的分布自然光产生的散射光强的分布图图3.4-2 自然光产生的散射光的偏振态自然光产生的散射光的偏振态zxy4 4 光的散射光的散射第50页，共68页，编辑于2022年，星期五 对对于于足足够够大大的的粒粒子子（al l），散散射射光光强强基基本本上上与与波波长长无无关关，并并且且散散射射光光强强随随a/l l值值的的增增大大出出现现起起伏伏，交交替替达达到到极极大大值值和和极极小小值值。这这种种起起伏伏的的幅幅度度亦亦随随a/
43、l l的的增大而逐渐减小。此时的散射叫做米氏散射。增大而逐渐减小。此时的散射叫做米氏散射。3.米氏散射米氏散射4 4 光的散射光的散射图图3.4-4 瑞利散射和米氏散射瑞利散射和米氏散射散散射射光光强强a/l l米氏区米氏区瑞瑞利利区区2461080第51页，共68页，编辑于2022年，星期五第52页，共68页，编辑于2022年，星期五1.瑞利散射的特点、散射定律及适用范围瑞利散射的特点、散射定律及适用范围2.米氏散射米氏散射本节重点本节重点4 4 光的散射光的散射第53页，共68页，编辑于2022年，星期五本章总结本章总结1 1 光在各向同性介质界面上的反射和折射光在各向同性介质界面上的反射
44、和折射1.1.菲涅耳公式菲涅耳公式第54页，共68页，编辑于2022年，星期五2.2.反射、折射时的相位跃迁（相移）反射、折射时的相位跃迁（相移）本章总结本章总结反射光反射光折射光相对于入射光无相位跃迁折射光相对于入射光无相位跃迁第55页，共68页，编辑于2022年，星期五3.3.斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系本章总结本章总结光从介质光从介质1射入介质射入介质2：振幅反射率：振幅反射率：rs、rp，振幅透射率：振幅透射率：ts、tp光从介光从介质质2射入介射入介质质1：振幅反射率：振幅反射率：rs、rp，振幅透射率：，振幅透射率：ts、tp 第56页，共68页，编辑于2022年，星期五p分量
45、分量s分量分量振幅反射率振幅反射率光强反射率光强反射率能流反射率能流反射率振幅透射率振幅透射率光强透射率光强透射率能流透射率能流透射率4.4.各种反射率和透射率的定义（重要）各种反射率和透射率的定义（重要）本章总结本章总结第57页，共68页，编辑于2022年，星期五布儒斯特角布儒斯特角：反射光：反射光p p分量为零时对应的入射角，或者折射光线与反射光线正交分量为零时对应的入射角，或者折射光线与反射光线正交 时的入射角时的入射角iB 布儒斯特定律：布儒斯特定律：入射角等于布儒斯特角入射角等于布儒斯特角iB时，时，反射光是线偏振光反射光是线偏振光(只存在只存在s分量分量)，布儒斯特角为，布儒斯特角
46、为图图3.1-9 自然光以布儒斯特角入射时的反射和折射自然光以布儒斯特角入射时的反射和折射iBE1pE1sk1iBE1sk1iBk2E2pE2sn2n15.5.布儒斯特定律布儒斯特定律本章总结本章总结第58页，共68页，编辑于2022年，星期五A）自然光入射：）自然光入射：正入射：反射、折射光仍然为正入射：反射、折射光仍然为自然光自然光布儒斯特角入射：反射光为布儒斯特角入射：反射光为线偏振线偏振，透射光为，透射光为部分偏振部分偏振。其它情况两者皆为。其它情况两者皆为部分偏振部分偏振。B）圆偏振入射：）圆偏振入射：一般情况，由于一般情况，由于S、P分量的振幅反射率不同，反射光为分量的振幅反射率不
47、同，反射光为椭圆偏振光椭圆偏振光6.6.反射、折射时的偏振态变化反射、折射时的偏振态变化C）椭圆偏振光入射：）椭圆偏振光入射：一般仍然为一般仍然为椭圆偏振光椭圆偏振光。全反射时全反射时：P、S之间的位相差之间的位相差因此因此反射光为椭圆偏振光反射光为椭圆偏振光。D）线偏振光入射：）线偏振光入射：一般仍为一般仍为线偏振光线偏振光。本章总结本章总结第59页，共68页，编辑于2022年，星期五2 2 光的吸收光的吸收本章总结本章总结图图3.2-1 光的吸收光的吸收0zzlz+dz(1)朗伯定律朗伯定律朗伯定律朗伯定律：光波透过整个介质后的强度：光波透过整个介质后的强度：I0：入射光强度；：入射光强度
48、；l：光波穿过的介质厚度：光波穿过的介质厚度 第60页，共68页，编辑于2022年，星期五稀释溶液的吸收系数稀释溶液的吸收系数a a 正比于溶液的浓度正比于溶液的浓度C:比尔定律：比尔定律：A：与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收物质分子的特征。：与溶液浓度无关的常数，反映了溶液中吸收物质分子的特征。说说明明：比比尔尔定定律律仅仅适适用用于于稀稀释释溶溶液液（物物质质分分子子的的吸吸收收本本领领不不受受其其邻邻近近分分子子影影响响时时才才成成立立）。当当溶溶液液浓浓度度很很大大时时，分分子子间间的的相相互互作作用用不不可可忽忽略略，比比尔尔定定律律不不再再成成立立，但但朗朗伯伯定定律律始始终
49、终成成立立。此此外外，朗朗伯伯定定律律仅仅描描述述了了介介质质在在一一般般光光源源产产生生的的光光辐辐射射下下的的线线性性吸吸收收，对对于于强强激激光光辐辐射射下下的的非非线线性性吸吸收收，朗朗伯伯定定律律不不再成立。再成立。(2)比尔定律比尔定律本章总结本章总结第61页，共68页，编辑于2022年，星期五普遍吸收普遍吸收（均匀吸收，一般吸收）：（均匀吸收，一般吸收）：介质对某些波长范围光辐射的均匀吸收。介质对某些波长范围光辐射的均匀吸收。普遍吸收的特点：普遍吸收的特点：吸收系数很小，且对于给定波段内各种波长成分具有相同程度吸收系数很小，且对于给定波段内各种波长成分具有相同程度的吸收系数的吸收
50、系数。选选择择吸吸收收：介介质质对对某某些些波波长长范范围围的的剧剧烈烈吸吸收收。由由于于所所吸吸收收光光子子的的能能量量对对应应着着介介质质的某个跃迁能级，故又称的某个跃迁能级，故又称共振吸收共振吸收。选择吸收的特点：选择吸收的特点：吸收系数很大，且随波长的不同而剧烈地变化吸收系数很大，且随波长的不同而剧烈地变化。说明：说明：任何物质，既存在普遍吸收，又存在选择吸收任何物质，既存在普遍吸收，又存在选择吸收。2.介质吸收的特点介质吸收的特点本章总结本章总结第62页，共68页，编辑于2022年，星期五(1)吸收光谱吸收光谱 发射光谱与吸收光谱发射光谱与吸收光谱：物质在较高温度下的发射光谱与在较低