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1、8.4 光的散射光的散射光光学学性性质质不不均均匀匀：气气体体中中有有随随机机运运动动的的分分子子、原原子子或或烟烟雾雾、尘尘埃埃，液液体体中中混混入入小小微微粒粒，晶晶体体中中掺掺入杂质或缺陷等。入杂质或缺陷等。 光光的的散散射射：光光束束通通过过光光学学性性质质不不均均匀匀的的介介质质时时，其其能能量量将将向向整整个个空空间间4p p立立体体角角内内散散开开，从从而而在在垂垂直于传播方向上的强度不为直于传播方向上的强度不为0。 1 散射的一般概念散射的一般概念分类：分类： 按不均匀团块性质：按不均匀团块性质：悬浮质点的散射和分子散射悬浮质点的散射和分子散射 散散射射光光波波长长是是否否变变
2、化化：瑞瑞利利散散射射、米米氏氏散散射射、拉曼散射和布里渊（拉曼散射和布里渊（Brillouin）散射）散射 等等原原因因：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，各各微微粒粒所所发发出出的的次次波在空间各点发生非相干叠加，形成散射光。波在空间各点发生非相干叠加，形成散射光。 (1) 散射产生的原因及分类散射产生的原因及分类瑞瑞利利散散射射和和米米氏氏散散射射属属于于悬悬浮浮质质点点散散射射，主主要要由由介介质质中中的的杂杂质
3、质微微粒粒引引起起，与与温温度度变变化化无无关关；分分子子散散射射主主要要由由介介质质分分子子的的热热运运动动造造成成的的局局部部密密度度涨涨落落引引起起，随随温温度度的的升升高高而而增增大大。拉拉曼曼散散射射和和布布里里渊渊散散射射属属于于非非线性散射线性散射，严格的解释需要非线性光学理论。，严格的解释需要非线性光学理论。即即使使十十分分纯纯净净的的介介质质，仍仍然然存存在在着着或或多多或或少少的的分分子子散散射射，特特别别是是在在临临界界点点（相相变变点点），分分子子密密度度涨涨落落很很大大，分分子子散散射射可可能能很很强强，但但散散射射规规律律类类似似瑞瑞利利散散射射，可以用瑞利散射规律
4、解释。可以用瑞利散射规律解释。 说明：说明： 散散射射无无定定向向性性，遵遵守守统统计计规规律律。直直射射、反反射射及及折折射具有定向性，遵守直线传播、反射及折射定律。射具有定向性，遵守直线传播、反射及折射定律。(2) 散射与直射、反射、折射的区别散射与直射、反射、折射的区别严严格格讲讲，反反折折射射定定律律成成立立的的条条件件是是介介质质界界面面为为光光学学光光滑滑面面。然然而而，任任何何介介质质的的表表面面都都不不可可能能是是理理想想的的光光滑滑几几何何面面。并并且且，由由于于分分子子的的热热运运动动，其其表表面面的的微微观结构还处于不断的变化中。观结构还处于不断的变化中。当当表表面面上上
5、不不规规则则区区域域的的线线度度远远小小于于波波长长时时，不不规规则则性性可可忽忽略略，可可视视其其为为光光学学光光滑滑表表面面，光光波波在在其其上上发发生生反反射射和和折折射射；当当表表面面上上不不规规则则区区域域的的线线度度略略小小于于或或与与波波长长大大小小相相当当时时，其其不不规规则则性性不不能能忽忽略略，被被视视为为光光学粗糙表面，将导致入射光波发生散射学粗糙表面，将导致入射光波发生散射。 (3) 散射与漫射的区别散射与漫射的区别 漫漫射射产产生生于于物物体体的的表表面面( (如如墙墙壁壁、地地面面、人人体体皮皮肤肤等等）。这这些些表表面面从从宏宏观观上上看看非非常常粗粗糙糙，但但从
6、从微微观观上上看看则则可可以以视视为为许许多多方方位位随随机机分分布布而而线线度度远远大大于于波波长长的的微微小镜面的集合小镜面的集合。对对于于每每一一个个微微小小镜镜面面，其其非非均均匀匀区区域域的的线线度度远远小小于于光光波波长长，但但每每个个镜镜面面的的几几何何线线度度却却又又远远大大于于光光波波长长，且且方方位位取取向向随随机机排排列列。因因而而，尽尽管管每每个个微微小小镜镜面面均均对对入入射射光光产产生生定定向向反反射射或或折折射射，但但所所有有镜镜面面构构成成的的整整个个物体表面的反射或折射却漫无规则物体表面的反射或折射却漫无规则。 (4) 散射与衍射的区别散射与衍射的区别 衍衍射
7、射对对应应于于介介质质表表面面或或体体内内个个别别几几何何线线度度与与波波长长相相当当的的非非均均匀匀区区域域，散散射射对对应应于于大大量量排排列列无无规规则则且且几几何线度略小于波长的非均匀区域的集合何线度略小于波长的非均匀区域的集合。一一般般情情况况下下，每每个个非非均均匀匀区区域域均均有有衍衍射射发发生生，但但各各个个区区域域所所产产生生的的衍衍射射光光波波，因因其其不不规规则则的的初初相相位位分分布布而而发发生生非非相相干干叠叠加加，从从而而在在整整体体上上无无衍衍射射现现象象发发生生。也也就就是是说说，散散射射是是无无穷穷多多微微粒粒衍衍射射光光波波的的非非相相干干叠叠加加结果结果。
8、 (1) 瑞利散射实验瑞利散射实验 瑞利散射实验瑞利散射实验xlz散射光散射光散射物散射物质质 白光白光平行自然白光入射于牛奶与水的混合液中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：方向）散射光：青蓝色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：方向）透射光：偏红色偏红色长波成分居多长波成分居多 2 瑞利散射瑞利散射 单色平行自然光入射时，单色平行自然光入射时，入射方向或其反方向仍为入射方向或其反方向仍为自然光；自然光；正侧向为线偏振正侧向为线偏振光；光；其他方向为其他方向为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
9、方向） 线偏振光入射时，各向散射光线线偏振光入射时，各向散射光线偏振光偏振光 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 ) )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zxy当当散散射射微微粒粒线线度度远远小小于于波波长长时时，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不同。其散射光强反比于而不同。其散射光强反比于l l4。 v可可较较好好地地解解释释瑞瑞利利的的实实验验结结果果以以及及大大气气的的散散射射现现
10、象象。散散射射光光强强度度反反比比于于波波长长的的四四次次方方，故故短短波波更更容易引起散射，因而长波比短波有较强的穿透力容易引起散射，因而长波比短波有较强的穿透力。 v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波波长长时时，如如高高空空中中云云层层的的散散射射，瑞利散射定律将不再适用。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：米氏散射：米氏散射：根据电磁方程对球形粒子的散射过程得出：根据电磁方程对球形粒子的散射过程得出： 散散射射粒粒子子的的横横向向几几何何线线度度与与入入射射光光波波长长之之比
11、比很很小小时时，散射光强与入射光波长的关系服从瑞利散射定律。散射光强与入射光波长的关系服从瑞利散射定律。 当当该该比比值值较较大大时时，散散射射光光强强与与波波长长的的依依赖赖关关系系逐逐渐渐减减弱弱，并并且且，当当该该比比值值增增大大到到一一定定程程度度后后，散散射射光光强强随随该该比比值值的的增增大大出出现现起起伏伏。起起伏伏的的幅幅度度亦亦随随该该比值的增大而逐渐减小。比值的增大而逐渐减小。 对对于于足足够够大大的的粒粒子子，散散射射光光强强基基本本上上与与波波长长无无关关，此此时时的的散散射射称称为为大大粒粒子子散散射射，可可看看作作是是米米氏氏散散射射的的极限状态。极限状态。 3 米
12、氏散射米氏散射图图7.3-4 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(1) 拉曼的实验结果（拉曼的实验结果（1928） 拉曼实验：拉曼实验：观察到频率发生改变的散射现象观察到频率发生改变的散射现象入射光频率：入射光频率：n n 0散射光频率：散射光频率：n n 0 , n n 0n n 1 , n n 0n n 2 , 斯托克斯线：斯托克斯线：长波散射光（长波散射光（红伴线红伴线）反斯托克斯线：反斯托克斯线：短波散射光（短波散射光（紫伴线紫伴线） n n0+n n1拉曼散射线拉曼散射线n n0n nn n0-n n14 拉曼散射与布
13、里渊散射拉曼散射与布里渊散射(2) 拉曼散射规律拉曼散射规律 同一散射物质，其同一散射物质，其散射光的频移与入射光波长无关散射光的频移与入射光波长无关 长波散射光强度大于短波长波散射光强度大于短波 不同散射物质的散射光与入射光的波长差不同不同散射物质的散射光与入射光的波长差不同，反映，反映了物质分子振动的固有频率了物质分子振动的固有频率 (3) 拉曼散射的解释拉曼散射的解释经典电磁理论的解释：经典电磁理论的解释：散射物质分子与入射光波电散射物质分子与入射光波电磁场的相互作用结果。磁场的相互作用结果。 入射光电场：入射光电场： 感生电（偶极）矩：感生电（偶极）矩： ：分子极化率。：分子极化率。
14、为常数为常数 此时仅有瑞利散射此时仅有瑞利散射 如果分子以固有频率如果分子以固有频率 振动振动分子固有频率不止一个时，得到不止一对拉曼谱线。分子固有频率不止一个时，得到不止一对拉曼谱线。经典电磁理论无法解释反斯托克斯线出现较少而且经典电磁理论无法解释反斯托克斯线出现较少而且强度很弱的现象。强度很弱的现象。：瑞利谱线；：瑞利谱线； ：拉曼谱线：拉曼谱线量子论观点：量子论观点：散射物质分子与入射光子的相互作用散射物质分子与入射光子的相互作用 瑞利散射：瑞利散射：散射分子与入射光子无能量交换，因而散射分子与入射光子无能量交换，因而不改变入射光子的频率不改变入射光子的频率 斯斯托托克克斯斯线线：散散射
15、射分分子子与与光光子子发发生生能能量量交交换换并并吸吸收收了一个光学声子能量了一个光学声子能量 反斯托克斯线：反斯托克斯线：散射分子与光子发生能量交换并散射分子与光子发生能量交换并放放出了一个光学声子能量出了一个光学声子能量 光学声子：光学声子：散射分子的一些处于光频量级的固有频率散射分子的一些处于光频量级的固有频率布里渊散射：布里渊散射：入射光子与声学声子相互作用过程产生的入射光子与声学声子相互作用过程产生的散射现象散射现象(4) 布里渊散射布里渊散射声学声子：声学声子：分子的一些处于声频量级的较低固有频率分子的一些处于声频量级的较低固有频率布布里里渊渊散散射射的的特特点点：所所产产生生的的
16、散散射射光光子子的的频频移移要要比比拉拉曼散射小很多曼散射小很多 v由于散射光的频率是入射光的频率与散射分子固由于散射光的频率是入射光的频率与散射分子固有频率联合而成，故拉曼散射又称为联合散射有频率联合而成，故拉曼散射又称为联合散射。 v拉拉曼曼散散射射或或布布里里渊渊散散射射中中，一一个个光光子子每每次次只只能能与与一一个个声声子子交交换换能能量量，故故散散射射光光子子的的频频率率改改变变量量取取一一些些分分立立值值，这这个个值值正正好好对对应应着着散散射射分分子子的的某某个个固固有有频频率率。利利用用拉拉曼曼散散射射或或布布里里渊渊散散射射可可以以研研究究物物质质的的结结构构特特性性，并并且且也也可可以以此此作作为为原原理理制制作作出出大范围的分布式光纤温度传感器。大范围的分布式光纤温度传感器。 说明：说明：
