光散射原理及其應用

1、安徽大學本科畢業(yè)論文（設計、創(chuàng)作）題目: 光散射原理及其應用 學生姓名：彭果 學號： B21114051 院（系）： 物理與材料科學學院 專業(yè)： 光信息科學與技術 入學時間： 二一一 年 九月導師姓名：喻遠琴 所在單位： 安徽大學物理與材料科學學院 完成時間： 二一五年 六 月光散射原理及其應用彭果(安徽大學 物理與材料科學學院，安徽 合肥 230061)摘要：光通過不均勻物質(zhì)時朝四面八方散射的現(xiàn)象稱為光散射。本文首先簡要闡述了光散射的原理和分類；然后運用光散射的知識解釋了一些生活中常見的大氣現(xiàn)象，例如藍天、白云、朝霞、晚霞以及夕陽等；最后介紹了光散射在醫(yī)療和攝影等方面的應用。關鍵詞：光散射，

2、瑞利散射，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

3、 of optical 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晚霞滿天，一片又一片的火燒云，把天空

4、織成美麗的錦緞，真是一幅綺麗的奇景，晚霞有多少種顏色？紅色，黃色，金色，紫色，藍色，或許還有別的顏色。這是小學語文課文的火燒云，火燒云的形成其實包含了光散射的原理。在生活中光散射的現(xiàn)象隨處可見 ，藍天、白云、曉霞、彩虹、霧中光的傳播等等常見的自然現(xiàn)象中都包含著光的散射現(xiàn)象。 隨著科技的發(fā)展，光散射在各個科學技術部門中有廣泛應用。例如，根據(jù)膠體體系中光散射理論，光散射可用于判斷溶膠還是分子液體，照相補光，利用共振光散射法做DNA的定量分析，基于光散射流式細胞儀的廣泛應用，瑞利光散射光譜法研究牛血紅蛋白與鏑（）的相互作用等，復雜結(jié)構(gòu)光散射的射線跟蹤方法及其應用。光散射的應用在生活中的各方

5、面都有重要意義。1 光散射原理1.1 定義：光傳播時因與物質(zhì)中分子（原子）作用而改變其光強的空間分布、偏振狀態(tài)或頻率的過程。當光在物質(zhì)中傳播時，物質(zhì)中存在的不均勻性（如懸浮微粒、密度起伏）也能導致光的散射（簡單地說，即光向四面八方散開）。1.2 原理：光的散射是指光通過不均勻介質(zhì)時一部分光偏離原方向傳播的現(xiàn)象。偏離原方向的光稱為散射光。散射光波長不發(fā)生改變的有丁鐸爾散射、分子散射等；波長發(fā)生改變的有拉曼散射、布里淵散射和康普頓散射等。丁鐸爾散射首先由J.丁鐸爾研究，是由均勻介質(zhì)中 的懸浮粒子（如空氣中的煙霧、塵埃）以及浮濁液、膠體等引起的散射。真溶液不產(chǎn)生丁鐸爾散射，化學中常根據(jù)有無丁鐸爾散射

6、來區(qū)別膠體和真溶液。分子散射是由分子熱運動所造成的密度漲落引起的散射。波長發(fā)生改變的散射與散射物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)有關。2 光散射分類 12.1 瑞利散射 散射光的波長與入射光相同，而其強度與波長4次方成反比的散射（如圖1所示），稱瑞利散射定律，由瑞利于1871年提出。此定律成立的條件是散射微粒的線度小于波長。若入射光為自然光，不同方向散射光的強度正比于1+cos2q，q為散射光與入射光間的夾角，稱散射角。q=0或時散射光仍為自然光；q=/2時散射光為線偏振光；在其他方向上則為部分偏振光。根據(jù)瑞利散射定律可解釋天空的蔚藍色和夕陽的橙紅色。 當散射微粒的線度大于波長時，瑞利散射定律不再成立，

7、散射光強度與微粒的大小和形狀有復雜的關系。G.米和P.德拜分別于1908年和1909年以球形粒子為模型詳細計算3對電磁波的散射。米氏散射理論表明，當球形粒子的半徑al時散射光強遵守瑞利定律，a較大時散射光強與波長的關系不再明顯。用白光照射由大顆粒組成的物質(zhì)時（如天空的云層等），散射光仍為白色。氣體液化時，在臨界狀態(tài)附近由密度漲落引起的不均勻區(qū)域的線度比波長要大，所產(chǎn)生的強烈散射使原來透明的物質(zhì)變混濁，稱為臨界乳光。 圖1 瑞利散射與波長的關系2.2 拉曼散射和布里淵散射入射光與介質(zhì)的分子運動間相互作用而引起的頻率發(fā)生改變的散射。1928年C.拉曼在液體和氣體中觀察到散射光頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，稱

8、拉曼效應或拉曼散射。拉曼散射遵守如下規(guī)律：散射光中在原始入射譜線（頻率為0）兩側(cè)對稱地伴有頻率為w0±wi(i=1,2,3,)的一組譜線，長波一側(cè)的譜線稱紅伴線或斯托克斯線，短波一側(cè)的譜線稱紫伴線或反斯托克斯線，統(tǒng)稱拉曼譜線（如圖2）；頻率差wi與入射光頻率w0無關，僅由散射物質(zhì)的性質(zhì)決定。每種物質(zhì)都有自己特有的拉曼譜線，常與物質(zhì)的紅外吸收譜相吻合。在經(jīng)典理論的解釋中，介質(zhì)分子以固有頻率wi振動，與頻率為w0的入射光耦合后產(chǎn)生w0、w0wi和w0+w， 三種頻率的振動，頻率為w0的振動輻射瑞利散射光，后兩種頻率對應斯托克斯線和反斯托克斯線。拉曼散射的詮釋需用量子力學，不僅可解釋散射光

9、的頻移，還能解決諸如強度和偏振等問題。 圖2 拉曼散射 a 斯托克線 b 反斯托克線按量子力學，晶體中原子的固有振動能量是量子化的，所有原子振動形成的格波也是量子化的，稱為聲子。拉曼散射和布里淵散射都是入射光子與聲子的非彈性碰撞結(jié)果。晶格振動分頻率較高的光學支和頻率較低的聲學支，前者參與的散射是拉曼散射，后者參與的散射是布里淵散射。固體中的各種缺陷、雜質(zhì)等只要能引起極化率變化的元激發(fā)均能產(chǎn)生光的散射過程，稱廣義的拉曼散射。按習慣頻移波數(shù)在504000/厘米間為拉曼散射，在0.12/厘米間是布里淵散射。2.3 米氏散射 米氏散射是一種光學現(xiàn)象，屬于散射的一種情況。米式散射理論是由德國物理學家古斯

10、塔夫·米于1908年提出的。米氏發(fā)表了任何尺寸均勻球形粒子散射問題的嚴格解，具有極大的實用價值，可以研究霧、云、日冕、膠體和金屬懸浮液的散射等。當大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當時發(fā)生的散射稱為米氏散射。 這種散射主要由大氣中的微粒，如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起。米氏散射的程度跟波長是無關的,而且光子散射后的性質(zhì)也不會改變。如云霧的粒子大小與紅外線(0.7615um)的波長接近，所以云霧對紅外線的輻射主要是米氏散射。是故，多云潮濕的天氣對米氏散射的影響較大。 3 光散射的應用3.1 藍天紅日日暈等大氣現(xiàn)象的解釋2太陽發(fā)出的是白熾光，大氣是無色透明的，為什么晴朗的天空是透明的？日出

11、日落時的太陽是紅色的？這是空氣分子對太陽光散射的結(jié)果。藍天，是因為那些容易被散射，波長較短的藍光和紫光形成的綜合色。按照瑞利散射定律，白光中的短波成分（藍紫光）遭到的散射比長波成分（紅黃色）強烈得多。例如，紅光波長(l=760nm)為紫光波長 (l=400nm)的1.8倍，則紫光散射光強度約為紅光的1.8410倍。所以太陽的散射光則因短波的富集而呈蔚藍色。早晚陽光穿過的大氣層較其他時間厚，波長短的散射厲害，透過大氣層進入人眼中的主要是波長長的紅光，所以太陽看起來是紅色的。日暈和月暈是太陽和月亮周圍出現(xiàn)白色或彩色的光環(huán)，高空的溫度較低，會形成很多規(guī)則的小冰晶，日暈和月暈就是小冰晶對白光散色的結(jié)果

12、 3.2 復雜結(jié)構(gòu)光散射的射線跟蹤方法及其應用3 以目標涂層材料玻璃微珠反射膜為例，射線跟蹤方法的主要步驟如下： （1）根據(jù)均勻球形粒子的Mie理論遠場計算公式,推導了均勻球形粒子的振幅函數(shù)和強度函數(shù)的求解過程,計算了均勻球形粒子及雙層球形粒子的Mie理論散射結(jié)果。（2）利用費馬原理推導了反射和折射定律,以反射射線的跟蹤為例介紹了幾何光學射線跟蹤方法的推導過程;根據(jù)幾何光學彩虹理論和Airy理論,推導了N階幾何光學彩虹角與入射角和折射率的關系及Airy峰的位臵表達式,詳細闡述了一階彩虹形成的物理原因,計算了球形粒子的一、二階Airy分布。  （3）根據(jù)幾何光學原理,得到了玻

13、璃微珠最小偏轉(zhuǎn)角與折射率關系的表達式,分析了玻璃微珠回向反射特性最佳時的折射率范圍;給出了接收面上的光照度與偏轉(zhuǎn)角的關系方程。（4）根據(jù)幾何光學和等效電磁流原理,推導了幾何光學積分方程混合方法;應用射線跟蹤方法建立了玻璃微珠及反射膜的幾何模型，計算了他們的光散射特性并與Mie理論進行了比較,證明了射線跟蹤算法的科學可行性;根據(jù)玻璃微珠反射膜的結(jié)構(gòu)特點,建立了射線跟蹤的單元法。跟蹤算法的科學可行性;根據(jù)玻璃微珠反射膜的結(jié)構(gòu)特點,建立了射線跟蹤的單元法。3.3 室內(nèi)自然光和散射光的應用4開始從事新聞攝影的同志，往往為室內(nèi)拍照而作難,總覺得原有自然光線難以掌握,應用閃光燈照明,近景平淡失色,遠處漆黑

14、一片,形象不美,難以入畫。其實,室內(nèi)原有自然光,只要能獲得適當曝光,拍出來的照片,影調(diào)柔和均勻,景物真實自然,具有樸實無華之美。特別是隨著科學技術的發(fā)展,人們的居住條件在逐步改善,新的房屋建筑寬廣明亮,室內(nèi)設備完善,裝修考究,將為室內(nèi)攝影增添更多的內(nèi)容,提供許多方便。另外室外陽夭和散射光線,過去由于攝影材料落后擴拍出來的照片,往往缺乏明暗反差,影調(diào)平淡,不適于報紙制版,因此,有些人對這種光線不感興趣,甚至有人認為陰天不宜拍照。近些年來,攝影材料和技術都發(fā)生了很大變化,散射光又被人們認為是拍攝人物清動的理想光線。3.4 共振光散射法-DNA的定量分析進展 共振光散射(RLS)技術是一項在普通熒光

15、分光光度計上進行光散射檢測的分析技術。自從1993年Pasternack【7】等首次應用共振光散射法對卟啉類化合物在核酸上的聚集進行研究以來,共振光散射技術逐漸得到廣泛應用,如用于對納克級核酸進行定量分 析。其最大特點是試劑安全廉價、快速、靈敏度高和特異性強。但還存在技術方面的問題,如染料與核酸結(jié)合不穩(wěn)定。常用測定 DNA 的共振光散射試劑見圖45。 圖4: 常用的測定DNA的試劑3.5 瑞利散射光譜法研究牛血紅蛋白與鏑（）的相互作用在近生理條件pH=7.40時，牛血紅蛋白和Dy（）的光散射強度均十分微弱，當兩者相互作用后，光散射強度急劇增強，最大散射峰分別位于380nm和470nm

16、處，并研究了此反應的影響因素和適宜的反應條件；在此條件下結(jié)合紫外可見吸收光譜，發(fā)現(xiàn)牛血紅蛋白與Dy（）在不同濃度條件下相互作用，均是定量作用，并有很好的線性關系，但其光散射光譜和紫外光譜的峰值變化均有不同。 圖5為Hb-Dy（）體系的瑞利光散射光譜和紫外吸收光譜。從圖中可以看出，RLS的峰在380nm和470nm處，吸收峰在210nm和410nm處，RLS的兩個峰都位于吸收光譜的峰谷。不像共振光散射光譜，共振光散射光譜的峰位于吸收帶附近，而光散射光譜的峰位于吸收光譜的峰谷，光散射光譜的峰谷位于吸收光譜的吸收峰。這種不同現(xiàn)象可以這樣解釋：根據(jù)共振光散射理論，強度的增加由于在可見吸收區(qū)溶液散射指數(shù)

17、的增加，所以通常這種增加位于吸收帶附近。在Hb-Dy（）體系中，吸收帶沒有散射強度的增加，吸收峰對應于光散射的峰谷，所以不是共振散射現(xiàn)象。光散射光譜的峰和峰谷是由于Hb-Dy（）體系對RLS強度的吸收。這種吸收不但引起光散射光譜的峰和峰谷，還引起RLS光譜和吸收光譜的這種對稱關系。 圖5 RLS光譜和吸收光譜結(jié)束語光的散射現(xiàn)象在各個科學技術部門中有廣泛應用。通過散射光的測量可以了解到散射粒子的濃度、大小、形狀及取向等，在物理、化學、氣象等許多方面的研究中得到應用。散射光譜又可用于確定物質(zhì)分子與原子的特性。 近年來，光散射的理論與技術得到了快速的發(fā)展，出現(xiàn)了許多重要的光散射技術，如彈性光散射技術、動態(tài)光散射技術、曼散射技術以及X射線和中子的小角散射技術等,廣泛應用于物理化學、高分子化學、膠體科學和生命科學的研究；并在研究生物分子性質(zhì)及自聚集行為、表征聚合體微粒的形成與粒徑分布、探究表面/界面結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮了十分重要的作用。參考文獻1楊國楨 中國大百科全書74卷（第二版）物理學M, 中國大百科全書出版社 ，2009.07 2 張青尚 . 瑞利散射能解