71 光和介质相互作用的经典理论 - PowerPoint Presentation.ppt
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18四种基本相互作用力页数:5
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重力 基本相互作用页数:58
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第一节 重力 基本相互作用页数:37
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高中物理课件《重力 基本相互作用》页数:89
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大学物理光学--光的干涉 ppt课件
光波是电磁波, 包含 E和 H , 对人眼或感光物质 起作用的是 E, 称 E矢量为光矢量。 相对光强 I E 2 E是电场强度振幅
2、光源 光 是原子或分子的运动
状态变化时辐射出来 的 大量处于激发态的原子自发地 - 1.5 e V - 3.4 e V
跃迁到低激发态或基态时就辐 射电磁波（光波）。
即：光具有波粒二象性
ppt课件 3
§10.1 光的相干性
1、光的电磁理论要点
光速
光波是电磁波, 电磁波在真空中的传播速度
c
1
0 0
, 介质中 v
c
r r
而
c n r r v
1 nm =10-9 m
4
可见光的波长范围 400 nm — 760 nm
ppt课件
光强 I ——电磁波的能流密度
波 动 光 学
第10章
光的干涉
ppt课件 1
光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素
光的本性是什么？
两种不同的学说 ① 牛顿的“微粒说” 光是由“光微粒”组成 的。 特征：光的直线传播 、反射、折射等 ② 惠更斯的“波动说” 光是机械振动在一种所谓“以太”的 介质中传播的机械波。
特征：光的干涉、衍射和偏振等
r2
D
P x
o
x r2 r1 d sin d tan d D
k x d 当 D ( 2k 1)
干涉加强, x 处为明纹 k=0,1,2,…
2
干涉相消, x 处为暗纹 k=1,2,3,…
11
式中 k 为条纹级次 ppt课件
明纹中心的位置
nr
2
r
基础光学第9章光波与介质的相互作用课件
【解】设介质的厚度为d，由光吸收的朗伯定律
I ( d ) = I 0 exp(- d )
可得
1
I (d )
1
d = - ln
=ln 0.5
I0
0.05
=13.86 m
9.4
光的散射
光的散射（scattering of light）是指定向传播的光束通过
光学性质不均匀的介质时，一部分光偏离原传播方向的现象。
折射率 是随波长 的
增加而减小的，这种色
散称为正常色散。
重火石玻璃
水晶
冕牌玻璃
1.5
氟化钙
1.4
0
2
4
6
λ/100 nm
8
10
正常色散的经验公式---柯西公式
n = A+
B
2
+
C
4
：波长，常量A、B、C是由材料性质所决定的常数
从电子论可以推出柯西公式
在远离共振频率的正常色散区
设阻尼系数
( / 0 ) 2 (0 / ) 2 1
一般按散射粒子的尺寸分成两类：
•粒子尺度相当于1／5～1／10入射光波长以下，称为瑞利
散射；
•粒子尺度与入射光束波长数量级相当的散射，称为大粒
子散射或米氏散射。
瑞利散射
观察混浊介质光散射圆锥体
容器
瑞利散射定律
I ( )
1
4
透
射
光
光
源
当自然光入射时，散射光强为
I ( ) = I 2 (1+ cos2 )
运动方程为：
d 2r
m 2 = - fr
dt
由此得出
I ( d ) = I 0 exp(- d )
可得
1
I (d )
1
d = - ln
=ln 0.5
I0
0.05
=13.86 m
9.4
光的散射
光的散射（scattering of light）是指定向传播的光束通过
光学性质不均匀的介质时，一部分光偏离原传播方向的现象。
折射率 是随波长 的
增加而减小的，这种色
散称为正常色散。
重火石玻璃
水晶
冕牌玻璃
1.5
氟化钙
1.4
0
2
4
6
λ/100 nm
8
10
正常色散的经验公式---柯西公式
n = A+
B
2
+
C
4
：波长，常量A、B、C是由材料性质所决定的常数
从电子论可以推出柯西公式
在远离共振频率的正常色散区
设阻尼系数
( / 0 ) 2 (0 / ) 2 1
一般按散射粒子的尺寸分成两类：
•粒子尺度相当于1／5～1／10入射光波长以下，称为瑞利
散射；
•粒子尺度与入射光束波长数量级相当的散射，称为大粒
子散射或米氏散射。
瑞利散射
观察混浊介质光散射圆锥体
容器
瑞利散射定律
I ( )
1
4
透
射
光
光
源
当自然光入射时，散射光强为
I ( ) = I 2 (1+ cos2 )
运动方程为：
d 2r
m 2 = - fr
dt
由此得出
71 光和介质相互作用的经典理论 - PowerPoint Presentation
1．经典理论的基本方程 假设只有一种分子，并且不计分子间的相互作用，每 个分子内只有一个电子作强迫振动，所构成电偶极子 的电偶极矩为
per (1)
e 是电子电荷，r 是电子离开平衡位置的距离。
1．经典理论的基本方程 如果单位体积中有 N 个分子，则单位体积中的平均 电偶极矩为
P N p N e r ( 2 )
(1 0 )
2．介质的光学特性
如果将 n 表示成实部和虚部形式, nn，则i
n 2 ( n i ) 2 ( n 2 2 ) i 2 n ( 1 1 )
2．介质的光学特性
将(11)式代入(10)式，并使等式两边的实部和虚部分 别相等，得
n2
2=1+N0em2 (02
02 2 2)2 22
后，(3)式变为
d dt2r2d drt0 2rem E (5)
d dt2r2d drt0 2rem E (5)
md2reEfrgdr (3)
dt2
dt
0 f /m g/m
1．经典理论的基本方程
d dt2r2d drt0 2rem E (5)
求解这个方程, 可以得到电子在入射光作用下的位移, 从而求出极化强度。因此, 该方程是描述光与介质相 互作用经典理论的基本方程。
E(z)E0ei knz
k 是光在真空中的波数。
2．介质的光学特性 将复折射率表示式代入,得
E ( z ) E 0 e k z e i k n z ( 1 3 )
E(z)E0ei knz
nni
2．介质的光学特性 相应的光强度为
IE(z)2I0e2kz(14)
E ( z ) E 0 e k z e ik n z( 1 3 )
物理光学PPT课件
• 例：
• 在可见光范围内，一般的光学玻璃，吸收都很小且不随波长而变， 它就是一般吸收。而有色玻璃则是在可见光范围内具有选择吸收 的媒质。例如，“红”玻璃是对红色微弱地吸收，而对绿色，蓝 色 及 紫 色 光 显 著 吸 收 的 玻第璃3页。/共若1有9页一 束 白 光 通 过 这 片 玻 璃 ， 就 只
而变。散射光强度随波长而变的关系已不是与成反
比了，而是与波长较低级次成反比，因此散射光强
度与波长的关系就不很显著。与小质点的情况相比，
散射光颜色与入射光较相近，是白色而不是蓝色，
而散射光的偏振度也随增加而减小，式中r是散射粒
子的线度，是入射光的波长。而散射光强度的角分
布随的变化则更为显著，当散射粒子的线度与光波
• 吸收和气体的压力、温度、密度等均有密切的关系， 一般是气体密度愈大，它对光的吸收也就愈严重。 在实际工作中应考虑上述因素对吸收的影响，例如 在激光通讯中，讨论大气对激光束的吸收时，就要 考虑这些问题。 第11页/共19页
5-2-6 固体和液体的吸收
• 固体和液体（包括染料溶液）对光吸收的特点，主要是具有很宽的 吸收带（即吸收系数随波长变化的曲线比较平滑），当然也有吸收 带很窄的物质。
dI adl I
l 0 I I0
I I0ea1
l
1 a
I I0 I0 e 2.72
第2页/共19页
§5-2 介质的吸收与色散
• 一般吸收：有些媒质，在一定波长范围内，吸收系数不 随波长而变（严格说来是随波长的变化可以忽略不计）， 这种吸收就称为一般吸收。
• 选择吸收：有些媒质，在一定波长范围内，吸收系数随 波长而变，这种吸收就称为选择吸收。
d
• 在实际工作中，选用光学材料时应注意其色散的大小，例如，同样
• 在可见光范围内，一般的光学玻璃，吸收都很小且不随波长而变， 它就是一般吸收。而有色玻璃则是在可见光范围内具有选择吸收 的媒质。例如，“红”玻璃是对红色微弱地吸收，而对绿色，蓝 色 及 紫 色 光 显 著 吸 收 的 玻第璃3页。/共若1有9页一 束 白 光 通 过 这 片 玻 璃 ， 就 只
而变。散射光强度随波长而变的关系已不是与成反
比了，而是与波长较低级次成反比，因此散射光强
度与波长的关系就不很显著。与小质点的情况相比，
散射光颜色与入射光较相近，是白色而不是蓝色，
而散射光的偏振度也随增加而减小，式中r是散射粒
子的线度，是入射光的波长。而散射光强度的角分
布随的变化则更为显著，当散射粒子的线度与光波
• 吸收和气体的压力、温度、密度等均有密切的关系， 一般是气体密度愈大，它对光的吸收也就愈严重。 在实际工作中应考虑上述因素对吸收的影响，例如 在激光通讯中，讨论大气对激光束的吸收时，就要 考虑这些问题。 第11页/共19页
5-2-6 固体和液体的吸收
• 固体和液体（包括染料溶液）对光吸收的特点，主要是具有很宽的 吸收带（即吸收系数随波长变化的曲线比较平滑），当然也有吸收 带很窄的物质。
dI adl I
l 0 I I0
I I0ea1
l
1 a
I I0 I0 e 2.72
第2页/共19页
§5-2 介质的吸收与色散
• 一般吸收：有些媒质，在一定波长范围内，吸收系数不 随波长而变（严格说来是随波长的变化可以忽略不计）， 这种吸收就称为一般吸收。
• 选择吸收：有些媒质，在一定波长范围内，吸收系数随 波长而变，这种吸收就称为选择吸收。
d
• 在实际工作中，选用光学材料时应注意其色散的大小，例如，同样
光在各向异性介质中的传播ppt课件
P2后有最大光强经 过 当外加电压为零时无光经过P2
使δ=π的电压，称为半波电压V λ/2，其值越小越好
〔3〕运用 可作为高速开关、光调制器 优点：无时间延迟，相应快〔10-10s〕
§7 旋光景象及其运用 7．1 旋光景象及实验规律
单色 平行光
线偏
偏振片p1
石英晶体
消光 有光出射 偏振片p2⊥p1
7．2 菲涅耳对旋光景象的解释
菲涅耳的唯象解释：
ωω
ED O
ED E
EL
νD= νL δoD=δoL
VD = VL
根据运动学中的一个 原理—— 任何一个直线简谐运 动都可以分解为两个 频率一样，初位相一 样，而反向旋转的匀 速圆周运动。
1．菲涅耳假设 入射线偏振光
右旋圆偏振光〔速度VD 〕 左旋圆偏振光〔速度VL 〕
〔2〕实验规律
感生折射率差 n(nxny)no3E
其 中 :n o K D P 晶 体 未 加 电 压 时 O 光 折 射 率
电 光 系 数
可见Δn与Ｅ成正比，故称为一次电光效应。
从晶体出射两光的位相差
2 nd
从检偏器后出射的光强〔P1⊥P2，θ=45°〕
II0sin22I0sin2 no3V
优点：无毒、电压低仅为克尔盒的1/5~1/10
2.克尔效应 〔1〕实验安装与景象
电极、外加电压
光
轴 方
硝基苯
d
P1
向
P2
l
P1⊥P2
光轴方向与电场方向一致 电介质为液体
景象：不加电压克尔盒内液体呈各向同性P2后无光 加高电压克尔盒内液体呈各向异性P2后有光 似单轴晶体。〔1875苏格兰科学家克尔发现〕
隧道显微镜下的近晶相层状液晶
使δ=π的电压，称为半波电压V λ/2，其值越小越好
〔3〕运用 可作为高速开关、光调制器 优点：无时间延迟，相应快〔10-10s〕
§7 旋光景象及其运用 7．1 旋光景象及实验规律
单色 平行光
线偏
偏振片p1
石英晶体
消光 有光出射 偏振片p2⊥p1
7．2 菲涅耳对旋光景象的解释
菲涅耳的唯象解释：
ωω
ED O
ED E
EL
νD= νL δoD=δoL
VD = VL
根据运动学中的一个 原理—— 任何一个直线简谐运 动都可以分解为两个 频率一样，初位相一 样，而反向旋转的匀 速圆周运动。
1．菲涅耳假设 入射线偏振光
右旋圆偏振光〔速度VD 〕 左旋圆偏振光〔速度VL 〕
〔2〕实验规律
感生折射率差 n(nxny)no3E
其 中 :n o K D P 晶 体 未 加 电 压 时 O 光 折 射 率
电 光 系 数
可见Δn与Ｅ成正比，故称为一次电光效应。
从晶体出射两光的位相差
2 nd
从检偏器后出射的光强〔P1⊥P2，θ=45°〕
II0sin22I0sin2 no3V
优点：无毒、电压低仅为克尔盒的1/5~1/10
2.克尔效应 〔1〕实验安装与景象
电极、外加电压
光
轴 方
硝基苯
d
P1
向
P2
l
P1⊥P2
光轴方向与电场方向一致 电介质为液体
景象：不加电压克尔盒内液体呈各向同性P2后无光 加高电压克尔盒内液体呈各向异性P2后有光 似单轴晶体。〔1875苏格兰科学家克尔发现〕
隧道显微镜下的近晶相层状液晶
现代光学课程讲义：第5章 光波与介质的相互作用
第5章 光波与介质的相互作用除了真空，没有一种介质对光波或电磁波是绝对透明的。
光通过介质时，一部分能量被介质吸收而转化为介质的热能或内能，从而引起光的强度随传播距离增大而减小，这种现象称为介质对光的吸收。
介质的不均匀性将导致定向传播的光，部分偏离原来的传播方向，分散到各个方向，这种现象称为光的散射，光的散射也会造成光强随传播距离增大而减小。
另一方面，光在介质中的传播速度一般要小于真空中的光速，而且介质中的光速与光的频率或波长有关，即介质对不同波长的光有不同的折射率，这种现象称作光的色散。
光的吸收、散射和色散是光在介质中传播时所发生的普遍现象，并且它们是相互联系的。
光在介质中的传播过程，就是光与介质相互作用的过程。
光在介质中的吸收、色散和散射现象，实际上就是光与介质相互作用的结果。
因此，要正确地认识光的吸收、色散和散射现象，就应深入地研究光与介质的相互作用。
大体上说，介质对光的吸收、色散和散射，均系分子尺度上光与物质的相互作用，故三者曾并称为分子光学。
研究这类现象，一方面有助于了解光和物质的相互作用，另一方面还可得到许多有关物质结构的重要知识。
严格地讲，光与物质的相互作用应当用量子理论去解释，但是，把光波作为一种电磁波，把光和物质的相互作用看成是组成物质的原子或分子受到光波电磁场的作用，由此得到的一些结论，仍然是非常重要和有意义的。
§1 光与物质相互作用的经典理论麦克斯韦电磁理论的最重要成就之一就是将电磁现象与光现象联系起来，利用这个理论正确地解释了光在介质中传播时的许多重要性质，例如光的干涉、衍射以及光与介质相互作用的一些重要现象：法拉第效应、克尔效应等。
但是，麦克斯韦电磁理论在说明光的传播现象时，对介质的本性作了过于粗略的假设，即把介质看成是连续的结构，得出了介质中光速不随光波频率变化的错误结论，因此，在解释光的色散现象时遇到了困难。
为了克服这种困难，必须要考虑组成介质的原子、分子的电结构，光与物质相互作用是一个微观过程，它的运动规律与宏观现象的运动规律不同，要正确地描述介质中原子和分子的运动规律，应该采用量子理论。
优选光学第七章光与物质相互作用Ppt
0
斯托克斯线 反斯托克斯线
0 -j
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17页，共21页。
第四节 激 光
第18页，共21页。
1. 激光的特点：
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
单色性好。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。
N2 慢
E1
N1
E1
N1
N3 > N2
N2 > N1
第21页，共21页。
e 0
Ne2
me 0
1
2 02
i
电极化率与相对介电常数之间的关系为：
1 e
第3页，共21页。
第一节 光辐射理论
1. 介质中的光波
从上面分析可以看出，电极化率是个复数，为了与实数介电常数相区别，定 义复介电常数
1 e
1
Ne2
m 0
1
2 02
i
参照介电常数与折射率的关系，定义复折射率：
n
Ne2 1
2m 0
1
2 02 i
令
n in
Ne 2
n 1 2m 0
2 0 2
(
2
2 0
)2
2
2
n
Ne 2
2m 0
( 2 0 2 )2 2 2
第4页，共21页。
1. 介质中的光波
第一节 光辐射理论
这样介质中的最后电场的传播方程就可以写成：
E
E ei (tx / v) 0
Ei h ~~~~ Ek
光波在各向同性介质界面的反射和折射 ppt课件
ppt课件
17
(2)大角度入射(掠射)的反射特性
由图1-24(a)，有
n1＜n2，光疏到光密。θ 1≈900的掠射情况。
rs 0, rp 0
在入射点处，反射光矢量Er与入射光矢量Ei方向近似相 反，将产生半波损失。 n1>n2，光密到光疏。掠射θ 1≈900>θ c。全反射。 在入射点处，反射光产生半波损失的条件：
ki sin i kr sin r , ki sin i kt sin t n1 sin i n1 sin r , n1 sin i n2 sin t
反射定律
T 1-21
折射定律
描述光在介质面上的传播方向
ppt课件 3
1.2.2 菲涅耳公式
描述入射光、反射光和折射光 之间的振幅、相位关系。 1.s分量和p分量 垂直入射面的振动分量- -s分量 T 1-23 平行入射面的振动分量- -p分量 规定分量和分量的正方向如图所示 2.反射系数和透射系数 定义：s分量、p分量的反射系数、透射系数分别为
① n1＜n2，光疏到光密。先考察θ 1=00的正入射情况。 由图1-24(a)，有
rs 0, rp 0
考虑P30 T1-23，有关光场振动正方向的规定，则有
可见：在入射点处，合成的反射光矢量Er相对入射光场Ei反 向，相位发生π突变，或半波损失。 对于θ 1非零、小角度入射时，都将近似产生π相位突变，或 半波损失。
入射光中s分量和p分量的透射率(不相同)为
n2 cos 2 2 sin 21 sin 2 2 Ts ts n1 cos1 sin 2 (1 2 )
n2 cos 2 2 sin 21 sin 2 2 Tp tp 2 n1 cos1 sin (1 2 ) cos2 (1 2 )
光与介质的相互作用
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
光 光
方解石 晶体
纸面
光 光
方解石 晶体
纸面
光 光
方解石 晶体
纸面
光 光
方解石 晶体
放玻璃板时看到一个字。
第四章 材料的光学性能
顾修全
中国矿业大学 材料科学与工程学院
本章内容
光的基本性质 光与介质的相互作用
光学测试技术
介质的光发射
第二节 光与介质的相互作用
相互作用类型
材料的折射率
材料的透射率
材料的反射率
材料的吸收率
1. 相互作用类型
光电效应
吸收
康普顿散射效应
透射
折射
光热效应(光-热转换)
b. 影响材料透过率的因素
1．吸收系数 对于陶瓷、玻璃等电介质材料，其吸收率或吸收系 数α在可见光范围内是比较低的。 2．相对折射率 材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。 3．散射系数 这一因素最影响陶瓷材料的透光率。 ① 材料宏观及显微缺陷 ② 晶粒排列方向 ③ 气孔引起的散射损失
c. 提高材料透光性的措施
二次反射波
表面
表面
二次透射波
一次透射波
入射 = 反射+透射+吸收
a. 反射系数的推导
式中
与A分别为反射波与入射波的振幅。
光与物质相互作用ppt
06
光与物质相互作用的未来发展
探索新材料
研究新的光与物质相互作用需要不断探索新的材料，发现具有新奇物理性质的材料，如拓扑材料、自旋电子材料等。
发现新物理效应
除了探索新的材料，还需要关注新的物理效应。例如，研究光与物质的相互作用可能会产生一些新的量子效应，如量子隧穿、量子相干性等。
新材料和新物理效应的探索
03
荧光现象的研究和应用涉及化学、生物学、医学和环境科学等领域。例如，荧光染料被用于生物显微镜和免疫分析中，以增强检测的灵敏度和特异性。
03
光与物质相互作用的实验技术
激光光谱学
激光光谱学是一种研究物质与光相互作用的技术，通过测量光谱线的频率、宽度和强度等参数，可以获得物质的结构、组成和状态等信息。
当光在物质中传播时，会与物质的分子或原子相互作用，使它们获得能量并改变其振动或旋转状态，从而产生散射。
拉曼散射可以提供关于物质结构、分子振动和旋转状态等重要信息。
01
当光照射某些物质时，它们会吸收光能并释放出较小的能量，产生荧光现象。
荧光现象
02
荧光现象是由于物质的分子或原子吸收光能后，电子从基态跃迁到激发态，当它们返回基态时释放出光子。
总结词
同步辐射光源具有高亮度、宽波段、高相干性和高偏振度等优点，可以用于研究物质的原子结构、分子结构、化学反应和物理过程等。通过对同步辐射光源的测量和分析，可以获得物质的结构、组成和状态等信息。
详细描述
同步辐射光源
04
光与物质相互作用的应用
激光冷却
激光可以用来冷却原子，使得原子速度降低到非常低的温度，甚至达到纳开尔文级别。这种技术可用于研究量子力学和统计物理中的特异现象。
突破经典物理限制
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麦克斯韦电磁理论的最重要成就之一就是将电磁现 象与光现象联系起来，利用这个理论正确地说明了 光在介质中传播时的许多重要性质。
2021/2/16
7.1 光与介质相互作用的经典理论 (Classical theory of
interaction between light and medium)
麦克斯韦电磁理论在说明光的传播现象时,对介质的 本性作了过于粗略的假设,即把介质看成是连续的结 构，在解释光的色散现象时遇到了困难。
数，若用 n 表示复折射率，则有
n 2r 1 1 N 0 e m 2(0 21 2 ) i
(1 0 )
2021/2/16
2．介质的光学特性
如果将 n 表示成实部和虚部形式, nn，则i
n 2 ( n i) 2 ( n 2 2 ) i 2 n( 1 1 )
2021/2/16
(02 2)i
EE (z)eit (4)
2．介质的光学特性 由电磁场理论，极化强度与电场的关系为
P0E (7)
将该式与(6) 式进行比较，可以得到描述介质极化特
性的电极化率 的表达式。
2021/2/16
2．介质的光学特性
是复数，可表示为 ＝＋i，其实部和虚部分
别为
N 0e m 2(0 2 0 22 ) 2+ 222 (8)
第7章 光的吸收、色散和散射 (The absorption, dispersion and scattering of light )
前面几章讨论了光在均匀介质中传播时，因光的波 动性所产生的一系列现象和规律。实际上，由于光 在传播过程中与介质的相互作用，还会使光的特性 发生某些变化。
2021/2/16
2021/2/16
7.1 光与介质相互作用的经典理论 (Classical theory of
interaction between light and medium)
洛仑兹的电子论假定:组成介质的原子或分子内的带 电粒子被准弹性力保持在它们的平衡位置附近,并且 具有一定的固有振动频率。
2021/2/16
第7章 光的吸收、色散和散射 (The absorption, dispersion and scattering of light )
本章只介绍光与介质相互作用的经典理论，对于处 理光与介质相互作用的严格理论—量子理论，因超 出本教材的要求, 不予讨论。
2021/2/16
第7章 光的吸收、色散和散射 (The absorption, dispersion and scattering of light )
2021/2/16
7.1 光与介质相互作用的经典理论 (Classical theory of
interaction between light and medium)
在此，只介绍洛仑兹提出的电子论,利用这种建立在 经典理论基础上的电子论来解释光的吸收、色散和 散射，虽然比较粗浅，却能定性地说明问题。
P qr
q 是电荷电量, r 是从负电荷中心指向正电荷中心的矢 径。
2021/2/16
+－
1．经典理论的基本方程 同时,这个电偶极子将辐射次波。利用这种极化和辐 射过程，可以描述光的吸收、色散和散射。
2021/2/16
1．经典理论的基本方程 假设只有一种分子，并且不计分子间的相互作用，每 个分子内只有一个电子作强迫振动，所构成电偶极子 的电偶极矩为
第7章 光的吸收、色散和散射 (The absorption, dispersion and scattering of light )
因介质对光波的吸收, 会使光强度减弱;不同波长的 光在介质中传播速度不同, 并按不同的折射角散开， 会发生光的色散; 光在介质中传播时, 会产生散射。
2021/2/16
1．经典理论的基本方程 在入射光的作用下，介质发生极化、带电粒子依入 射光频率作强迫振动。
2021/2/16
1．经典理论的基本方程
由于带正电荷的原子核质量比电子大许多倍,可视正 电荷中心不动,而负电荷相对于正电荷作振动。正,负 电荷电量的绝对值相同，构成了一个电偶极子。
2021/2/16
1．经典理论的基本方程 电偶极矩为
md2reEfrgdr (3)
dt2
dt
0 f /m g/m
2021/2/16
1．经典理论的基本方程
d dt2r2d drt0 2rem 在入射光作用下的位移, 从而求出极化强度。因此, 该方程是描述光与介质相 互作用经典理论的基本方程。
2021/2/16
per (1)
e 是电子电荷，r 是电子离开平衡位置的距离。
2021/2/16
1．经典理论的基本方程 如果单位体积中有 N 个分子，则单位体积中的平均 电偶极矩为
P N p N e r ( 2 )
2021/2/16
1．经典理论的基本方程 根据牛顿定律，作强迫振动的电子的运动方程为
md dt2r2eEfrgd drt (3)
等号右边的三项分别为电子受到的入射光电场强迫 力、准弹性力和阻尼力。
2021/2/16
1．经典理论的基本方程 E 是入射光场，且
EE (z)eit (4)
引入衰减系数=g/m,电子的固有振动频率 0 f /m
后，(3)式变为
d dt2r2d drt0 2rem E (5)
2021/2/16
d dt2r2d drt0 2rem E (5)
N 0e m 2(0 22 )2+22 (9)
2021/2/16
N 0e m 2(0 2 0 22 ) 2+ 222 (8)
N 0e m 2(0 22 )2+22 (9)
2021/2/16
P0E (7) P(0 2 N e22/)m iE(z)eit (6)
2．介质的光学特性
由折射率与电极化率 的关系可知，折射率也应为复
2．介质的光学特性
电子在光场作用下的位移r为
e
r
m
E(z)eit
(02 2)i
将该位移表示式代入(2)式中，可得极化强度的表示式
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Ne2
P(02m2)iE(z)eit (6)
Ne2
P(02m2)iE(z)eit (6)
2021/2/16
P N p N e r(2 )
e
r
m
E(z)eit
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7.1 光与介质相互作用的经典理论 (Classical theory of
interaction between light and medium)
麦克斯韦电磁理论在说明光的传播现象时,对介质的 本性作了过于粗略的假设,即把介质看成是连续的结 构，在解释光的色散现象时遇到了困难。
数，若用 n 表示复折射率，则有
n 2r 1 1 N 0 e m 2(0 21 2 ) i
(1 0 )
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2．介质的光学特性
如果将 n 表示成实部和虚部形式, nn，则i
n 2 ( n i) 2 ( n 2 2 ) i 2 n( 1 1 )
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(02 2)i
EE (z)eit (4)
2．介质的光学特性 由电磁场理论，极化强度与电场的关系为
P0E (7)
将该式与(6) 式进行比较，可以得到描述介质极化特
性的电极化率 的表达式。
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2．介质的光学特性
是复数，可表示为 ＝＋i，其实部和虚部分
别为
N 0e m 2(0 2 0 22 ) 2+ 222 (8)
第7章 光的吸收、色散和散射 (The absorption, dispersion and scattering of light )
前面几章讨论了光在均匀介质中传播时，因光的波 动性所产生的一系列现象和规律。实际上，由于光 在传播过程中与介质的相互作用，还会使光的特性 发生某些变化。
2021/2/16
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7.1 光与介质相互作用的经典理论 (Classical theory of
interaction between light and medium)
洛仑兹的电子论假定:组成介质的原子或分子内的带 电粒子被准弹性力保持在它们的平衡位置附近,并且 具有一定的固有振动频率。
2021/2/16
第7章 光的吸收、色散和散射 (The absorption, dispersion and scattering of light )
本章只介绍光与介质相互作用的经典理论，对于处 理光与介质相互作用的严格理论—量子理论，因超 出本教材的要求, 不予讨论。
2021/2/16
第7章 光的吸收、色散和散射 (The absorption, dispersion and scattering of light )
2021/2/16
7.1 光与介质相互作用的经典理论 (Classical theory of
interaction between light and medium)
在此，只介绍洛仑兹提出的电子论,利用这种建立在 经典理论基础上的电子论来解释光的吸收、色散和 散射，虽然比较粗浅，却能定性地说明问题。
P qr
q 是电荷电量, r 是从负电荷中心指向正电荷中心的矢 径。
2021/2/16
+－
1．经典理论的基本方程 同时,这个电偶极子将辐射次波。利用这种极化和辐 射过程，可以描述光的吸收、色散和散射。
2021/2/16
1．经典理论的基本方程 假设只有一种分子，并且不计分子间的相互作用，每 个分子内只有一个电子作强迫振动，所构成电偶极子 的电偶极矩为
第7章 光的吸收、色散和散射 (The absorption, dispersion and scattering of light )
因介质对光波的吸收, 会使光强度减弱;不同波长的 光在介质中传播速度不同, 并按不同的折射角散开， 会发生光的色散; 光在介质中传播时, 会产生散射。
2021/2/16
1．经典理论的基本方程 在入射光的作用下，介质发生极化、带电粒子依入 射光频率作强迫振动。
2021/2/16
1．经典理论的基本方程
由于带正电荷的原子核质量比电子大许多倍,可视正 电荷中心不动,而负电荷相对于正电荷作振动。正,负 电荷电量的绝对值相同，构成了一个电偶极子。
2021/2/16
1．经典理论的基本方程 电偶极矩为
md2reEfrgdr (3)
dt2
dt
0 f /m g/m
2021/2/16
1．经典理论的基本方程
d dt2r2d drt0 2rem 在入射光作用下的位移, 从而求出极化强度。因此, 该方程是描述光与介质相 互作用经典理论的基本方程。
2021/2/16
per (1)
e 是电子电荷，r 是电子离开平衡位置的距离。
2021/2/16
1．经典理论的基本方程 如果单位体积中有 N 个分子，则单位体积中的平均 电偶极矩为
P N p N e r ( 2 )
2021/2/16
1．经典理论的基本方程 根据牛顿定律，作强迫振动的电子的运动方程为
md dt2r2eEfrgd drt (3)
等号右边的三项分别为电子受到的入射光电场强迫 力、准弹性力和阻尼力。
2021/2/16
1．经典理论的基本方程 E 是入射光场，且
EE (z)eit (4)
引入衰减系数=g/m,电子的固有振动频率 0 f /m
后，(3)式变为
d dt2r2d drt0 2rem E (5)
2021/2/16
d dt2r2d drt0 2rem E (5)
N 0e m 2(0 22 )2+22 (9)
2021/2/16
N 0e m 2(0 2 0 22 ) 2+ 222 (8)
N 0e m 2(0 22 )2+22 (9)
2021/2/16
P0E (7) P(0 2 N e22/)m iE(z)eit (6)
2．介质的光学特性
由折射率与电极化率 的关系可知，折射率也应为复
2．介质的光学特性
电子在光场作用下的位移r为
e
r
m
E(z)eit
(02 2)i
将该位移表示式代入(2)式中，可得极化强度的表示式
2021/2/16
Ne2
P(02m2)iE(z)eit (6)
Ne2
P(02m2)iE(z)eit (6)
2021/2/16
P N p N e r(2 )
e
r
m
E(z)eit