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5. 光波与物质的电磁相互作用

5. 光波与物质的电磁相互作用. 布儒斯特定律. 主要内容. 反射光 完全偏振. 介质界面. 菲涅耳 4 公式 , 折、反射时的偏振现象. 光波与物质的电磁相互作用. 旋光现象. o 光、 e 光特点. 各向异性介质. 晶体双折射. 应用. 1/2 、 1/4 波片. 光弹性效应. 电光效应. 用棱镜分离 o 光和 e 光. 各向同性色散介质. 光的吸收，光的散射，光的色散. 非线性介质. 非线性光学. 复习要点及主要公式：. 1. 光的吸收. 对介质 — 遵从朗伯定律. 对液体 — 遵从比尔定律.

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5. 光波与物质的电磁相互作用

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  1. 5. 光波与物质的电磁相互作用 布儒斯特定律 主要内容 反射光 完全偏振 介质界面 菲涅耳4公式, 折、反射时的偏振现象 光波与物质的电磁相互作用 旋光现象 o光、e光特点 各向异性介质 晶体双折射 应用 1/2、1/4波片 光弹性效应 电光效应 用棱镜分离o光和e光 各向同性色散介质 光的吸收，光的散射，光的色散 非线性介质 非线性光学

  2. 复习要点及主要公式： 1.光的吸收 对介质—遵从朗伯定律 对液体—遵从比尔定律 瑞利散射（d <λ/ 20） 2.光的散射 米— 德拜，廷德尔散射 ( d >λ/20 ). 拉曼、布里渊散射 （非弹性散射） 3.光的色散 柯西公式： 孔脱定律：有选择吸收的地方，必有色散.

  3. 菲涅耳公式 光 电磁波 电磁场与物质的相互作用 光与物质的相互作用 一切经典的光现象（干涉、衍射、偏振、反射、折射、色散、成像等） 都可用电磁场理论解释 方法：解 麦克斯韦方程组+边界条件+物质方程 法向分量连续

  4. n1 n2 n1 n2 x x O O y y z z S 光反射与折射时的电磁矢量 切向分量连续 Ref. 附录1.3 P光反射与折射时的电磁矢量

  5. 1.菲涅耳4公式 结 果

  6. 接近正入射 接近掠入射 p p s s p rs>0 rs>0 p rp>0 rp<0 n1>n2 s 无相位突变 无相位突变 s 光疏介质 光密介质 p s s p rs<0 rs<0 p s rp<0 rp>0 n1<n2 有相位突变 有相位突变 s p 光密介质 光疏介质 2.半波损失的解释 Ref. P. 83, 表1-2 反射光的相位关系

  7. 结论：光疏介质 光密介质，反射光有半波损失 折射光无半波损失 验证实验：劳埃德镜、劈尖、牛顿环等．

  8. 肥皂泡产生的干涉

  9. 光弹性效应  光测弹性仪 均匀透明介质 应力 异性透明介质（形成no、ne） 检验 ：透明材料内部的应力分布. 如： 天文望远镜镜头，玻璃、塑料工件的质量 实验表明 （s : 应力, C: 材料系数） 光测 弹性学：进行(解决)工程设计中 介质的应力分析 ( 问题).

  10. 电光效应  电光调制器，高速光开关 均匀透明介质电场各向异性透明介质（形成no、ne） 如：立方晶系单轴晶体 ； 单轴晶体双轴晶体 二次电光 (kerr) 效应(铁电晶体中较强). 实验表明: E：电场强度 ，K：克尔常数 ( 四阶张量) 克尔盒： 一次（线性）电光效应（普克尔斯效应）： γ: 电光系数, 与晶体取向有关 (m/V），是一个三阶张量

  11. 旋光现象 某此物质 线偏振光入射 出射光振动面发生旋转的现象。 （沿晶轴方向） 线偏振光左、右旋圆偏振光沿晶体光轴传播时速度各不相同出射晶体后叠加振动面发生旋转 原因: 入射光: 晶体中 z一定，右旋顺时针转，垂直振动超前水平振动. 菲涅耳旋光理论（又称为圆双折射或椭圆双折射）

  12. 出射光 令： 左旋 右旋 定义：迎着光传播方向观察振动面旋转 (出射晶体后 ) 顺时针旋转, 右旋物质 注意：入射光通过晶体后, 再反射回晶体, 出射光不偏转. 逆时针旋转, 左旋物质 理解：晶体内部存在非中心对称的螺旋结构, 这些螺旋结构对左、右旋光的作用不同. ( 如: DNA双螺旋结构)

  13. 旋光现象的实验定律： （1） 对晶体: |y |= a ·d (沿光轴方向入射) 旋光率： 定义！ a 与波长、温度有关： a > 0 右旋体, a < 0 左旋体. 如：石英晶片 NaCl 晶体

  14. 为什么没有左旋型？ （2） 对液体: |y |=a ·c ·d d: 液体厚度 [ dm ] c: 液体浓度 [ g/cm3 , g/ml ] a : 旋光率 [度/cm] 与温度、波长有关. a > 0 右旋体, a < 0 左旋体. 左旋体：果糖（水溶液）、山道年（酒精溶液）、氯霉素（天然）、尼古丁、松脂. 右旋体:石英、氯化钠、蔗糖（水溶液）、麦芽糖液、葡萄糖（天然）、 DNA分子。

  15. 磁致旋光 —— 法拉第旋光效应 磁致光振动面旋转角：j =KLB K韦尔代(Verdet)常量，与物质性质、波长有关. 如：含铅玻璃，二硫化碳，汽油等。 j 顺时针转：为顺、抗磁性物质 特点:j 与光线方向无关 j 逆时针转：必为 顺磁性物质 即：偏振光来回经过磁旋光物质时q 加倍 应用:激光技术中作为光学隔离器. 理解： 外加磁场时，使物质的原子或分子中的电子发生进动从而使左、右旋圆偏振光产生不同的折射率。

  16. 偶极辐射场 平均辐射能流密度( 波强度 ): I 讨论: q a 能量守恒定律 ( r : 振子至观察点的距离 ) 散射光 余弦定律 瑞利散射定律

  17. 解释1：均匀介质中的直线传播定律. i. 分子线度很小（d ~10-8cm, λ~10-5cm) . 在一个分子的不同部分上, 入射光的位相差可以忽略不计. ii. 分子作受迫振动ω，发出电磁波(偶极振子模型) iii. 可证明.只要分子的密度是均匀的,次波相干迭加的结果只剩下遵从几何光学规律的光线. 沿其余的振动干涉相消 用半波带概念. iv. 用惠更斯 — 菲涅耳原理可解释. 但此处的“次波”有真实的振源.

  18. n1 布儒斯特角 线偏振光 解释2：反射、折射定律 介质不同, 辐射阻尼力不同, 故在不同介质中有不同的波速（相速）造成合成波等相位面的改变. 解释3：布儒斯特定律 反射光：

  19. 光的吸收 光通过介质时 散射 吸收 ① 强度减小 ② 成彩色. 色散 n(ω0,ω) (ω入射光频率) ③ 弯曲. n 不同. 折、反射 一. 一般吸收和选择吸收 1. 一般吸收：对各个波长的光, 吸收都相同. 2. 选择吸收：对个别波长、波段的光, 有强烈吸收.

  20. 玻璃：对可见光透明，对紫 外、红外不透明 ( 吸收 ) 橡皮：对可见光不透明（吸收），对红外光透明. 混泥土：对可见光不透明（吸收），对无线电波透明. 树木: 对绿光反射，对其它光吸收. 二. 吸收定律： i.对介质—遵从朗伯定律（或布格尔定律）. aa 吸收系数 对空气： 对玻璃：

  21. ii.对液体—遵从比尔定律 aa = Ac c 溶液浓度 条件：浓度较小，忽略分子间的相互作用. 检测混合物中的微量元素. 三. 吸收光谱 大气窗口：1~15 mm之间有7个。反映大气中水蒸汽、二氧化碳和臭氧的含量. 选择 吸收的微观解释: 入射光频率与偶极振子固有频率相同时产生共振吸收. (固有频率对应原子能级)

  22. 太阳辐射谱 ——大气层外的太阳辐射曲线同5900K的黑体辐射曲线类似。太阳光穿入大气层时被大气吸收，水汽和二氧化碳在红外区有强烈吸收，而臭氧则在紫外区有强烈吸收.

  23. 光的散射 散射： 光通过非均匀介质时从侧面看到光的现象. a衰减系数 1. 非均匀介质中散射的经典图象 介质的不均匀性，使介质粒子发出的次波相位不恒定，造成非相干迭加，在各处不会干涉相消，从而形成散射光. 稳定非均匀介质 a 不变, 弹性散射( 瑞利散射、米氏散射） 不稳定非均匀介质 a 变, 非弹性散射 ( 拉曼、布里渊散射）

  24. 产生衍射（即散射）. 2. 散射、反射、漫射、衍射的区别 散射. d <λ. 无序 衍射. d≥λ “次波”发射中心的排列： 一定有序 漫射. d >λ. 完全有序 反射. d >>λ. 直线传播 机理：介质中的电子在光波电磁场作用下作受迫振动,消耗能量, 发射次波，由于介质的小范围的不均匀性.

  25. 3. 瑞利散射（d <λ/ 20） 例：朝阳、夕阳、蓝天、红路灯、青烟. 即: 1) 稀薄气体的散射： 各气体分子发出次波的非相干叠加造成. 例1.南北极探险用： “太阳罗盘”（利用阳光散射的偏振性） 辨别方向（因磁罗盘在南北极无用）. 例2.蜜蜂靠天空光的偏振性辨别方向（蜜蜂的眼睛中有对偏振 敏感的器官） 2) 纯净气体或液体的散射（分子散射）

  26. 分子热运动，引起密度起伏，形成非均匀的小 “区域” ，发出次波，造成非相干迭加。 4. 米— 德拜，廷德尔散射( d >λ/20 ). 散射光强与λ无关 白光散射,也可以为是衍射的结果. 例:白云、雾、白烟. 即: 1） 悬浮质点的散射. 如悬浮液 、乳状液中的各悬浮粒子发出次波，非相干迭加的散射. 2）临界乳光. 如在气液二相点时，分子密度起伏很大，形成的散射.

  27. 5. 散射光强及其偏振性 光沿x轴传播，在xoz平面观察:

  28. 余弦定律 ∴ I是部分偏振光. 为线偏振光. 石蜡 双散射： 1906年巴拉克用来证明X射线是横波，而不是纵波或粒子流. 电子、质子、π介子都可用双散射来研究其偏振性 !

  29. 弹性散射 (d) (a) (b) (c) 斯托克斯-拉曼散射 RS 反斯托克斯- 拉曼散射 RS 布里渊散射 BS 布里渊散射 BS RS RS BS BS 弹性散射 非弹性散射 6. 拉曼、布里渊散射 （非弹性散射） P.504 斯托克斯 — 拉曼散射 l 大 反斯托克斯 — 拉曼散射 l 小 布里渊散射: 晶体中的声波参与了能量交换.

  30. 光的色散 真空中, 与频率无关, 都是c. 1. 光速 u 介质中, 与频率有关. 因而产生色散现象. 2. 衡量色散大小的物理量 单位波长间隔两谱线的角距离. 角色散率： 棱镜：

  31. 柯西公式： 负号表示: △λ> 0 时， △n < 0 说明: 棱镜光谱是 非匀排光谱: （对光栅： 与λ无关，是 匀排光谱 ）

  32. n 重火石玻璃 1.70 轻火石玻璃 可见光 1.60 水晶 冕玻璃 1.50 荧石 1.40 0 200 400 600 800 1000 介质的色散曲线 3. 实验曲线 介质的色散曲线

  33. 正常: ( 紫端色散大) 4. 色散类型 反常: ( 红端色散大) 孔脱定律：有选择吸收的地方，必有色散. 对一般的“透明”物质, 反常色散总是发生在不可见光波段, ( 因可见光部分无吸收 ) . 因此, 在可见光区见到的都是正常色散.

  34. n 0 柯西公式 可见光区域 吸收带 一种透明物质（如石英）在红外区的反常色散. P.399 孔脱定律：有选择吸收的地方，必有反常色散.

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