光散射原理及其应用上课讲义

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：二〇一一年九月

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：二〇一五年六月

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，瑞利散射，拉曼散射，偏振

Light scattering principle and application

Pengguo

(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 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, etc

Key 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.丁铎尔研究，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[1]

2.1 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+cos2，为散射光与入射光间的夹角，称散射角。=0或π时散射光仍为自然光；=π/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。

当散射微粒的线度大于波长时，瑞利散射定律不再成立，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a≤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。

图1 瑞利散射与波长的关系

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ω0）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i与入射光频率0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i振动，与频率为0的入射光耦合后产生0、0－

i 和

+，三种频率的振动，频率为0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50～4000/厘米间为拉曼散射，在0.1～2/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1908年提出的。米氏发表了任何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[2]

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(λ=760nm)为紫光波长 (λ=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其应用[3]

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峰的位臵表达式,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[4]

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析技术。自从1993年Pasternack【7】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[5]。

图4: 常用的测定DNA的试剂

3.5 瑞利散射光谱法研究牛血红蛋白与镝（Ⅲ）的相互作用

在近生理条件pH=7.40时，牛血红蛋白和Dy（Ⅲ）的光散射强度均十分微弱，当两者相互作用后，光散射强度急剧增强，最大散射峰分别位于380nm和470nm处，并研究了此反应的影响因素和适宜的反应条件；在此条件下结合紫外可见吸收光谱，发现牛血红蛋白与Dy（Ⅲ）在不同浓度条件下相互作用，均是定量作用，并有很好的线性关系，但其光散射光谱和紫外光谱的峰值变化均有不同。

图5为Hb-Dy（Ⅲ）体系的瑞利光散射光谱和紫外吸收光谱。从图中可以看出，RLS的峰在380nm和470nm处，吸收峰在210nm和410nm处，RLS的两个峰都位于吸收光谱的峰谷。不像共振光散射光谱，共振光散射光谱的峰位于吸收带附近，而光散射光谱的峰位于吸收光谱的峰谷，光散射光谱的峰谷位于吸收光谱的吸收峰。这种不同现象可以这样解释：根据共振光散射理论，强度的增加由于在可见吸收区溶液散射指数的增加，所以通常这种增加位于吸收带附近。在Hb-Dy（Ⅲ）体系中，吸收带没有散射强度的增加，吸收峰对应于光散

射的峰谷，所以不是共振散射现象。光散射光谱的峰和峰谷是由于Hb-Dy （Ⅲ）体系对RLS强度的吸收。这种吸收不但引起光散射光谱的峰和峰谷，还引起RLS光谱和吸收光谱的这种对称关系。

图5 RLS光谱和吸收光谱

结束语

光的散射现象在各个科学技术部门中有广泛应用。通过散射光的测量可以了解到散射粒子的浓度、大小、形状及取向等，在物理、化学、气象等许多方面的研究中得到应用。散射光谱又可用于确定物质分子与原子的特性。

近年来，光散射的理论与技术得到了快速的发展，出现了许多重要的光散射技术，如弹性光散射技术、动态光散射技术、曼散射技术以及X射线和中子的小角散射技术等,广泛应用于物理化学、高分子化学、胶体科学和生命科学的研究；并在研究生物分子性质及自聚集行为、表征聚合体微粒的形成与粒径分布、探究表面/界面结构等方面发挥了十分重要的作用。

参考文献

[1]杨国桢．《中国大百科全书》74卷（第二版）物理学[M], 中国大百科全书出版社，2009.07

[2] 张青尚 . 瑞利散射能解释蓝天白云吗 [J] .承德民族师专学报 , 1997 , (2)

[3]武光玲. 复杂结构光散射的射线跟踪方法及其应用[J].西南电子科技大学， 2007.

[4]魏德忠. 光线柔和自然明暗反差适当(八)——室内自然光和散射光的应用[J].新闻爱好者， 1989，（5）

[5]武鑫 ,李生泉 ,刘金龙 .DNA的定量分析方法进展[J].山西农业大学 2009 ，（7）

[6]常希俊张莉王邃杨芳 .瑞利光散射光谱法研究牛血红蛋白与镝（Ⅲ）的相互作用[J].兰州大学学报，2004，40（2）：62-66

[7]William J.C.．《科利尔百科》中译本第33卷[M]. 团结出版社，2008