《光散射原理及其应用上课讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光散射原理及其应用上课讲义（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光散射原理及其应用安徽大学本科毕业论文（设计、创作）题 目：光散射原理及其应用学生姓名：彭果 学号：B21114051 院（系）：物理与材料科学学院专业：光信息科学与技术入学时间：二0一年九 月 导师姓名：喻远琴 所在单位：安徽大学物理与材料科学学院完成时间：二0五年 六 月光散射原理及其应用彭果（安徽大学物理与材料科学学院，安徽合肥230061）摘要：光通过不均匀物质时朝四面八方散射的现象称为光散射。本文 首先简要阐述了光散射的原理和分类；然后运用光散射的知识解释了 一些生活中常见的大气现象，例如蓝天、白云、朝霞、晚霞以及夕阳 等；最后介绍了光散射在医疗和摄影等方面的应用。关键词：光散射，瑞
2、利散射，拉曼散射，偏振Light scattering principle and applicationPengguo（School of Physics & Material Science, Anhui University, Hefei 230061, China）Abstract: Light scattering by the light passing through the inhomogeneous material is called light scattering. In this paper, the principle and classification of o
3、ptical scattering are briefly introduced. Introduces the application of light scattering in the phenomenon of life, and the application of light scattering in medical treatment, photography, etcKey words: Light scattering and Rayleigh scattering, Raman scattering, polarization晚霞满天，一片又一片的火烧云，把天空织成美丽的
4、锦缎，真是一幅绮丽 的奇景，晚霞有多少种颜色？红色，黄色，金色，紫色，蓝色，或许还有别的 颜色。这是小学语文课文的火烧云，火烧云的形成其实包含了光散射的原 理。在生活中光散射的现象随处可见，蓝天、白云、晓霞、彩虹、雾中光的 传播等等常见的自然现象中都包含着光的散射现象。随着科技的发展，光散射在各个科学技术部门中有广泛应用。例如，根据胶 体体系中光散射理论，光散射可用于判断溶胶还是分子液体，照相补光，利用 共振光散射法做DNA的定量分析，基于光散射流式细胞仪的广泛应用，瑞利光散射光谱法研究牛血红蛋白与镝（III）的相互作用等，复杂结构光散射的射线跟踪方法及其应用。光散射的应用在生活中的各方面都有
5、重要意义。1光散射原理1.1定义：光传播时因与物质中分子（原子）作用而改变其光强的空间分布、偏振状 态或频率的过程。当光在物质中传播时，物质中存在的不均匀性（如悬浮微 粒、密度起伏）也能导致光的散射（简单地说，即光向四面八方散开）。1.2原理：光的散射是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。偏离 原方向的光称为散射光。散射光波长不发生改变的有丁铎尔散射、分子散射 等；波长发生改变的有拉曼散射、布里渊散射和康普顿散射等。丁铎尔散射首 先由J.T铎尔研究，是由均匀介质中的悬浮粒子（如空气中的烟雾、尘埃） 以及浮浊液、胶体等引起的散射。真溶液不产生丁铎尔散射，化学中常根据有 无丁铎尔散射
6、来区别胶体和真溶液。分子散射是由分子热运动所造成的密度涨 落引起的散射。波长发生改变的散射与散射物质的微观结构有关。2光散射分类12.1瑞利散射散射光的波长与入射光相同，而其强度与波长4次方成反比的散射（如图 1所示），称瑞利散射定律，由瑞利于1871年提出。此定律成立的条件是散射 微粒的线度小于波长。若入射光为自然光，不同方向散射光的强度正比于1+C0S2为散射光与入射光间的夹角，称散射角。=0或n时散射光仍为自然光；=n/2时散射光为线偏振光；在其他方向上则为部分偏振光。根据瑞 利散射定律可解释天空的蔚蓝色和夕阳的橙红色。1瑞利散射与波长的关系当散射微粒的线度大于波长时，瑞利散射定律不再成
7、立，散射光强度与微 粒的大小和形状有复杂的关系。G.米和P.德拜分别于1908年和1909年以球形 粒子为模型详细计算3对电磁波的散射。米氏散射理论表明，当球形粒子的半 径aW 时散射光强遵守瑞利定律，a较大时散射光强与波长的关系不再明显。 用白光照射由大颗粒组成的物质时（如天空的云层等），散射光仍为白色。气 体液化时，在临界状态附近由密度涨落引起的不均匀区域的线度比波长要大， 所产生的强烈散射使原来透明的物质变混浊，称为临界乳光。2.2拉曼散射和布里渊散射入射光与介质的分子运动间相互作用而引起的频率发生改变的散射。1928 年C.拉曼在液体和气体中观察到散射光频率发生改变的现象，称拉曼效应或
8、拉 曼散射。拉曼散射遵守如下规律：散射光中在原始入射谱线（频率为3。）两侧 对称地伴有频率为0 i（i=1,2,3，）的一组谱线，长波一侧的谱线称红伴线 或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线，统称拉曼谱线（如 图2）；频率差与入射光频率无关，仅由散射物质的性质决定。每种物质 都有自己特有的拉曼谱线，常与物质的红外吸收谱相吻合。在经典理论的解释 中，介质分子以固有频率|振动，与频率为。的入射光耦合后产生、。-顶口 + ,三种频率的振动，频率为的振动辐射瑞利散射光，后两种频 率对应斯托克斯线和反斯托克斯线。拉曼散射的诠释需用量子力学，不仅可解 释散射光的频移，还能解决诸如强度和偏振等
9、问题。图2拉曼散射 a斯托克线b反斯托克线按量子力学，晶体中原子的固有振动能量是量子化的，所有原子振动形成 的格波也是量子化的，称为声子。拉曼散射和布里渊散射都是入射光子与声子 的非弹性碰撞结果。晶格振动分频率较高的光学支和频率较低的声学支，前者 参与的散射是拉曼散射，后者参与的散射是布里渊散射。固体中的各种缺陷、 杂质等只要能引起极化率变化的元激发均能产生光的散射过程，称广义的拉曼 散射。按习惯频移波数在5 4/厘米间为拉曼散射，在.1 2/厘米间是布 里渊散射。2.3米氏散射米氏散射是一种光学现象，属于散射的一种情况。米式散射理论是由德国物 理学家古斯塔夫米于198年提出的。米氏发表了任何
10、尺寸均匀球形粒子散射 问题的严格解，具有极大的实用价值，可以研究雾、云、日冕、胶体和金属悬 浮液的散射等。当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射称为米氏 散射。这种散射主要由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。米 氏散射的程度跟波长是无关的,而且光子散射后的性质也不会改变。如云雾的粒 子大小与红外线（0.7615um）的波长接近，所以云雾对红外线的辐射主要是米氏 散射。是故，多云潮湿的天气对米氏散射的影响较大。3光散射的应用3.1蓝天红日日晕等大气现象的解释太阳发出的是白炽光，大气是无色透明的，为什么晴朗的天空是透明的？ 日出日落时的太阳是红色的？这是空气分子对太阳光散射的
11、结果。蓝天是因 为那些容易被散射，波长较短的蓝光和紫光形成的综合色。按照瑞利散射定 律，白光中的短波成分（蓝紫光）遭到的散射比长波成分（红黄色）强烈得 多。例如，红光波长（入=760nm）为紫光波长（入=400nm）的1.8倍，则紫光散射 光强度约为红光的1.84=10倍。所以太阳的散射光则因短波的富集而呈蔚蓝 色。早晚阳光穿过的大气层较其他时间厚，波长短的散射厉害，透过大气层进 入人眼中的主要是波长长的红光，所以太阳看起来是红色的。日晕和月晕是太阳和月亮周围出现白色或彩色的光环，高空的温度较低， 会形成很多规则的小冰晶，日晕和月晕就是小冰晶对白光散色的结果3.2复杂结构光散射的射线跟踪方法及
12、其应用以目标涂层材料玻璃微珠反射膜为例，射线跟踪方法的主要步骤如下：(1) 根据均匀球形粒子的Mie理论远场计算公式，推导了均匀球形粒子的振幅 函数和强度函数的求解过程，计算了均匀球形粒子及双层球形粒子的Mie理论散 射结果。(2) 利用费马原理推导了反射和折射定律，以反射射线的跟踪为例介绍了几何 光学射线跟踪方法的推导过程;根据几何光学彩虹理论和Airy理论，推导了 N阶 几何光学彩虹角与入射角和折射率的关系及Airy峰的位铭表达式，详细阐述了 一阶彩虹形成的物理原因，计算了球形粒子的一、二阶Airy分布。(3) 根据几何光学原理，得到了玻璃微珠最小偏转角与折射率关系的表达式，分 析了玻璃微
13、珠回向反射特性最佳时的折射率范围;给出了接收面上的光照度与偏 转角的关系方程。(4) 根据几何光学和等效电磁流原理，推导了几何光学积分方程混合方法;应用 射线跟踪方法建立了玻璃微珠及反射膜的几何模型，计算了他们的光散射特性 并与Mie理论进行了比较，证明了射线跟踪算法的科学可行性;根据玻璃微珠反 射膜的结构特点，建立了射线跟踪的单元法。跟踪算法的科学可行性;根据玻璃 微珠反射膜的结构特点，建立了射线跟踪的单元法。3.3室内自然光和散射光的应用开始从事新闻摄影的同志，往往为室内拍照而作难，总觉得原有自然光线难 以掌握，应用闪光灯照明，近景平淡失色,远处漆黑一片，形象不美，难以入画。其 实，室内原
14、有自然光，只要能获得适当曝光,拍出来的照片，影调柔和均匀，景物真 实自然，具有朴实无华之美。特别是随着科学技术的发展,人们的居住条件在逐 步改善，新的房屋建筑宽广明亮,室内设备完善，装修考究,将为室内摄影增添更 多的内容,提供许多方便。另外室外阳夭和散射光线，过去由于摄影材料落后扩 拍出来的照片，往往缺乏明暗反差，影调平淡，不适于报纸制版,因此，有些人对这 种光线不感兴趣，甚至有人认为阴天不宜拍照。近些年来,摄影材料和技术都发 生了很大变化，散射光又被人们认为是拍摄人物清动的理想光线。3.4共振光散射法DNA的定量分析进展共振光散射(RLS)技术是一项在普通荧光分光光度计上进行光散射检测的分
15、析技术。自从1993年Pasternack等首次应用共振光散射法对卟啉类化合物 在核酸上的聚集进行研究以来,共振光散射技术逐渐得到广泛应用，如用于对纳 克级核酸进行定量分析。其最大特点是试剂安全廉价、快速、灵敏度高和特 异性强。但还存在技术方面的问题，如染料与核酸结合不稳定。常用测定DNA 的共振光散射试剂见图4。图4:常用的测定DNA的试剂试制观J定否段pil值J. K心岭link线性疽限文献iig ml. 11-1.3成16S4 g0-04 3, 1U11 a7. Ji7. 647QO 】.卫F魅辎整crDNAy. 2 !U . 55129145 J孔E石绿ctUN.V9. 50482O. 02160. 0640EJ2. 212910孔0|47|tlDNA2. 02. IS30V00- 6HU9 一 35467C.O25-7. 000(4J5. 333400-03*3.O(50)* rriPNA2. A330心吼4E J2,20y. 150 . t 40L O152t tlNA3- S351；O.ODDIct
