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什麼是“瑞利散射”

作者:東譜科技 瀏覽: 發表時間:2021-08-09 11:00:05 來源:光電資訊

瑞利散射是一種光的散射,散射中心遠小於波長。瑞利散射是一種很常見光學現象,是以英國物理學家瑞利伯爵命名的。它是光的線性散射,散射中心遠小於光的波長。

在這種情況下,散射光振幅正比於入射光振幅、波長倒數的四次方和1 + cos2 θ,其中θ是散射角。前向和後向散射(分別為θ = 0和θ = π)通常相等。
散射中心更大時的散射可由Mie散射理論描述(以Gustav Mie命名)。這時散射特性與瑞利散射不同,例如,前向散射的振幅更大,並且與波長的關系也不同。

瑞利散射中心可以是單個原子或分子。也可以描述空氣中的瑞利散射,是由微觀密度的漲落引起的,而圍觀密度漲落則是來自於空氣中分子的隨機分布。

需要注意的是,考慮多個粒子或散射中心的散射時,不能簡單的將單個中心散射的功率簡單相加,因為它們存在幹涉效應:需要將振幅疊加。因此,在完全純淨和規則的晶體中不存在瑞利散射。並且,空氣中的瑞利散射可能隻是來自於如上所述的隨機密度漲落。

光纖中的散射損耗

在一些非晶材料例如二氧化矽中,由於其微觀結構的不規則,總是存在隨機的密度漲落。並且在室溫時漲落比預想的要強,由於在光纖製備過程中,玻璃軟化溫度附近的密度漲落被凍結的緣故。

瑞利散射對光纖的傳播損耗起了一定的限製作用。不規則的纖芯/包層界面(尤其是折射率差很大時)、雜質的散射和吸收、宏觀和圍觀彎曲都會引起附加損耗。

經過優化的應用於光纖通信中的二氧化矽光纖具有很低的傳播損耗,接近於瑞利散射的極限值。

當波長遠低於常采用的1500 nm時,單單瑞利散射本身都大於光纖在1500nm波長處的總損耗。而對於很長的波長時,瑞利散射會更弱,但是這時二氧化矽會吸收紅外光。

理論上可以采用其它玻璃(例如,氟化物光纖)製備中紅外光纖,並且具有更低的損耗,但是實際中二氧化矽光纖已經達到了良好的性能。

光纖中大部分的瑞利散射光都會從光纖的另一側逸出,隻有一小部分的散射光被散射回來並且在光纖纖芯中傳播。

因此,光纖裝置的回波損耗比較大;光纖裝置的總回波損耗常常是由界面處的反射引起的,例如光纖端面,機械焊接點或者光纖連接器。

光纖中由於光強很高,所以存在非線性相互作用,例如拉曼散射和布裏淵散射。瑞利散射是一種線性過程,即使在低光強時也很重要。


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