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光的散射

作者:Andy 瀏覽: 發表時間:2018-04-08 15:44:54 來源:來自何卓銘科學網博客

前面幾期,我們多次提到了光的幹涉,其他光的傳播方式還包括反射、折射、衍射、散射等。那麼今天,我們就來講講其中的一種光學現象:光的散射。
     c如果我們從光頻率是否改變的角度來分,可以分為二種:彈性散射和非彈性散射。所謂彈性散射是指光的波長(頻率)不會發生改變,入射是什麼波長的光,散射後還是什麼波長的光,例如米氏散射、瑞利散射等。而非彈性散射即指散射前後光的波長發生了改變,例如拉曼散射、布裏淵散射、康普頓散射等。

瑞利散射

瑞利散射是彈性散射的一種,通常需要滿足的條件是微粒尺度遠小於入射光波長,一般要小於波長的1/10,且各個方向的散射強度不一緻,該強度與波長的4次方成反比
     那瑞利散射在日常生活中有什麼表現呢?比如我們平常看到天是藍色的,海水也是藍色的,這是因為天空和海水本來就是藍色的嗎?當然不是。天空本來是沒有顏色的,隻是由於大氣分子的存在,當太陽光入射到地球上的時候被散射了。前面提到,瑞利散射的強度與波長的4次方成反比,也就是說,波長越短,散射強度越強(關於光的波長,詳見第3期:詳解電磁輻射第一部分),所以藍紫光被散射得最厲害,因此,天空呈現蔚藍色。那又有人要問了,為啥不是紫色?是因為紫光被大氣吸收了,且人眼對紫光不敏感。另外,如果地球沒有大氣層,那麼你看到的天空應該跟宇宙星空是一緻的,一片黑除了恒星之外。


1 碧水藍天(圖片來源於網絡)

同理,海水的藍色也是因為水分子的散射造成的,如果你走近了看,海水是透明無色的。另外,離得越遠越深的海水,藍色也越深甚至發黑,那是因為遠/深處海水的散射光被你接收到的光變少了,所以呈現出深黑色。
     講到這裏,我又想到了另外一個問題,如果你站在海邊,你能看到的海水能有多遠?100 m,1 km,10 km還是更遠?好吧,那就讓我們用中學的數學知識簡單計算一下。


2 你到底能看多遠

首先大家都知道,地球的半徑為6371 km,假設一個人身高1.8 m,那麼他能看到最遠的距離是多少?公式說明一切(請自行用計算器計算):square(6371.0018^2-6371^2)=4.789 km。如果再考慮地球不完全是圓形,那按照地球極半徑6357 km計算,結果是:square(6357.0018^2-6357^2)= 4.784 km。看來,地球的半徑對你看得是否遠,影響不是很大,接下來再假設身高隻有1.5 m,那麼結果是:square(6371.0015^2-6371^2)=4.372 km。比剛才變化略大一點,這說明身高高還是有一點優勢的。咳,好像偏離主題了,回來繼續。

米氏散射

好,接下來我們再來看看另一種彈性散射:米氏散射。前面提到,瑞利散射的顆粒一般遠小於光波長,當顆粒增加直到光波長量級(λ)甚至達到10λ,那麼就符合米氏散射的規律了。米氏散射的強度與光波長的2次方成反比,且隨著顆粒的增大,散射強度隨波長變化的起伏變弱,如圖3所示。這也是為什麼你看到的雲(圖1)是白色的原因。當然,如果顆粒尺寸再增加,大於50λ,那麼就不能再以散射模型來分析,而是直接以幾何光學模型來討論了。


3 米氏散射與瑞利散射的區別(圖片來源於網絡)

彈性散射中還有一種中學裏介紹過的現象:丁達爾效應。其實它也是一種很常見的散射現象,例如光透過雲層的時候,早晨透過森林的時候,甚至霧霾時車燈發出的光束,都能看到光的線條。當然如果沒有散射的話,你是根本看不到任何光束的,比如你直接看水或者溶液,它都是透明的,沒有任何光線。


4 丁達爾現象(圖片來源於網絡)

拉曼散射

前面介紹了彈性散射,現在我們再來看看非彈性散射,所謂非彈性散射就是“不是彈性的散射”(這是一句廢話嗎?),即光的頻率在散射前後發生了改變。


5 拉曼散射與瑞利散射的區別(圖片來源於網絡)

從圖5可以看出,拉曼散射是由於樣品分子振動等相互作用引起入射光頻率發生變化的散射。假設用虛能級來表示,當處於振動基態/激發態的分子在光子作用下,激發到高能級又回落到激發態/基態,散射光的能量會發生改變,產生斯托克斯光和反斯托克斯光。最重要的是,拉曼譜線由分子振動決定,與入射光頻率無關。這意味著可以利用這一效應來檢測和鑒定物質組成成分,包括鑒寶(劇透:下一期主題)。


6 拉曼散射機製(圖片來源於網絡)

另外需要注意的是,由於拉曼散射強度是非常小的,大約隻占整個散射光(瑞利散射等)的0.01%。而瑞利散射又隻占入射光強度的0.1%,可想而知拉曼光譜信號是非常弱的。所以,我們經常看到一種技術:表面增強拉曼光譜。通過利用表面等離子體增強機製,極大地增強拉曼光譜的信號,從而成為我們常用的分析工具。

布裏淵散射

布裏淵散射也是非彈性散射的一種,本質上也屬於拉曼效應(注:此處表述不妥當,感謝邵鵬老師指正!),是由於光在介質中受到激發後產生不同頻率的散射光。原理如下:一個泵浦光子轉換成一個新的頻率較低的斯托克斯光子並同時產生一個新的聲子;同樣地,一個泵浦光子吸收一個聲子的能量轉換成一個新的頻率較高的反斯托克斯光子,其實原理類同於拉曼散射(此處妥當,應該隻能說類似)布裏淵散射目前大量應用於分布式光纖傳感當中,而且由於它在溫度、應變測量上達到的測量精度、範圍以及空間分辨率明顯高於基於瑞利散射/拉曼散射的傳感技術,所以得到了廣泛的研究與關注。


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