光与物质相互作用
光与物质相互作用的非线性效应
光与物质相互作用的非线性效应光与物质的相互作用是一个非常有趣且复杂的领域。
在此领域中，我们经常会遇到一种现象，即光与物质之间的相互作用呈现出非线性效应。
这种效应不仅存在于基础研究中，也有着广泛的应用价值。
在传统的线性光学中，光的行为可以简化为按照一定的速度和强度通过物质的传输。
然而，当光与物质的相互作用越来越强烈时，非线性现象就会出现。
这种现象是由于光子与物质中的电子之间的相互作用引起的。
非线性效应最常见的例子就是光的散射现象。
在线性散射中，入射光只会发生改变方向，但其频率和振幅并不会发生变化。
然而，在非线性散射中，入射光的频率和振幅可能会发生改变。
一个重要的非线性效应是光的自相位调制。
当光与物质中的非线性介质相互作用时，光的频率和相位会发生变化。
这种现象可以用于制备超快光调制器，用于光通信和光存储。
除了自相位调制外，非线性效应还可以产生新的光信号，例如频率倍增和混频。
这些现象在光学频标和激光器中有着重要的应用。
此外，非线性效应还可以用于产生光的非常镜和光的散焦等现象。
通过使用非线性晶体或液体，我们可以实现光的聚焦和调制，这对于纳米技术和超分辨率显微镜等领域具有重要意义。
在光与物质的非线性相互作用中，还有一个非常重要的效应，即光的自聚焦。
当光与一些非线性材料相互作用时，会形成一个自聚焦效应区域。
在这个区域内，光束会变得更加强烈并集中在一起，形成一个非线性光子束。
自聚焦现象可以用于实现激光切割、激光雷达和医学成像等应用。
除了上述现象，非线性效应还可以在超冷原子和量子光学等领域中起到重要作用。
在超冷原子中，非线性效应可以导致玻色-爱因斯坦凝聚的形成。
在量子光学中，通过光的非线性特性可以实现单光子控制和量子纠缠等效应。
总之，光与物质的相互作用中的非线性效应具有广泛的应用价值。
它们不仅可以用于光学通信和激光器等领域，还可以在纳米技术、超分辨率显微镜和医学成像等领域发挥重要作用。
通过深入研究非线性效应，我们可以更好地理解光与物质的相互作用，并且为实现更多的光学应用提供基础。
第14章 光与物质相互作用
第14章 光与物质相互作用光通过物质时，由于和物质相互作用，传播情况会发生变化。
这种变化主要表现在两个方面：第一，随着光束深入物质，光强越来越弱，这是因为光的一部分能量被物质吸收，一部分光向各个方向散射所造成的；第二，光在物质中传播的速度小于真空中的光速，而且与频率有关，这就是光的色散现象。
光的散射、吸收和色散是光在介质中传播时的普遍现象，并且是相互联系的。
研究光和物质的相互作用，不仅可以对各种光学现象和光的性质有进一步的理解，而且可以通过对光现象的分析，了解物质的原子、分子结构，测定分子常数等。
§14－1 分子光学的基本概念一 电偶极子模型光是电磁波，物质由分子原子组成，光和物质的相互作用，就是电磁波与原子分子的作用。
或者说是原子分子中的带电粒子，在电磁波的作用下作受迫振动，形成振荡电偶极子。
设光波的频率为ω，作用在原子分子中的带电粒子上的有效电场强度为t E E ωc o s 0= 对于各向同性的介质，带电粒子所受的电场力为t F t qE qE F ωωcos cos 001===此外，每一个带电粒子还受其它电荷的作用，当带电粒子在平衡位置附近做微小振动时，这个力可以等效为准弹性力kr F -=2式中，r 为振移，k 是弹性系数。
另外，电偶极子在振荡时，会不断向外辐射电磁波，这种能量损失可以等效为辐射阻尼力的作用td r d F γ-=3 根据牛顿定律，带电粒子的运动方程为22321td r d m F F F =++ 由此得到微分方程t f r td r d t d r d ωωβc o s 202022=++ 式中，m r 2=β称为阻尼系数，m k =0ω是偶极子的固有频率， mqE m F f 000==。
在第4章中我们已经知道，带电粒子在频率为ω的简谐策动力的作用下作受迫振动，到达稳态时，粒子也以ω (不是其固有频率0ω)的角频率作简谐振动；其表达式为)c o s (ϕω+=t A r式中222200)2()(βωωω+-=f A ，2202tan ωωβωϕ-= 在电场作用下，带电粒子的感生偶极矩 )cos()2()(2222002ϕωβωωω++-==t m E q qr p比较，发现分子的感生电偶极矩与光波的策动电场间存在相位差。
化学光学光与物质的相互作用
化学光学光与物质的相互作用化学光学是研究光与物质相互作用的一个分支学科。
在这个领域中，我们探索了光的性质以及它与化学反应的关系。
通过分析和理解光与物质之间的相互作用，我们可以揭示化学反应的机制，并从中获得有关物质结构和性质的重要信息。
本文将介绍化学光学的基本原理和应用。
光与物质相互作用的基本原理光的电磁波特性光既有波动性又有粒子性。
光是一种电磁波，其传播速度是固定的，并且具有特定的频率和波长。
根据量子理论，光也可以被看作是由一系列能量量子（光子）组成的粒子流。
光谱学光谱学是研究物质与光相互作用时所产生的光谱现象的科学。
通过观察样品发射或吸收特定频率（波长）的光，我们可以对物质进行分析和表征。
光与物质相互作用的实验方法吸收光谱测量吸收光谱是最常见且广泛应用于化学分析和物质表征的技术之一。
通过测量样品在不同波长下吸收光线的强度变化，我们可以得到有关样品组成、结构和浓度等方面信息。
荧光和磷光测量荧光和磷光是物质在受到激发后发射出来的特定波长的光。
这种技术被广泛应用于检测、分析和追踪许多化学及生物体系中的物质。
散射光谱测量散射光谱是通过观察样品中散射出来或散射通过去其他材料中的光，来分析样品组成及大小等方面信息的一种方法。
其他方法除了上述常见方法外，还有许多其他技术可用于研究光与物质相互作用。
例如：拉曼散射、红外吸收、荧光寿命测量等。
化学光学在材料科学中的应用波导材料波导材料是一类可以将电磁能量从一个地方传输到另一个地方而无需电子参与的材料。
化学光学提供了设计和制备新型波导材料所需的基础知识和技术。
先进材料表征化学光学提供了一种非侵入性和高灵敏度的材料表征方法。
通过使用各种光谱测量技术，我们可以了解材料结构、形貌、电荷转移等方面信息，以进一步优化材料性能。
传感器技术具有响应特定化合物或环境变化能力的传感器对于监测和检测目标物质至关重要。
化学光学提供了一种高灵敏度和高选择性的传感器设计方法，使得准确、快速地检测目标物质成为可能。
光与物质的粒子体系相互作用的过程是
光与物质的粒子体系相互作用的过程是一直以来，光与物质的相互作用一直是自然科学和物理学领域中的重要研究课题。
光作为一种电磁波，具有粒子性质，而物质则由分子、原子和基本粒子等构成。
当光与物质相互作用时，光的粒子性质与物质的粒子体系之间发生一系列的相互作用过程。
1.第一步：光的射入与吸收当光照射到物质上时，它会与物质的分子或原子相互作用。
这种相互作用过程，最基本的表现就是光的吸收。
光的能量被吸收后，被物质的粒子转化为热能或其他形式的能量。
当光被吸收时，物质的电子会吸收光的能量，跃迁到更高能级，从而改变了物质的能级结构。
2.第二步：光的散射与透射除了吸收，光还可以在物质中发生散射和透射。
散射是指光在物质中的粒子上发生的随机散射现象。
当光的波长与物质粒子的尺寸相当时，光的能量会被物质粒子吸收并再次辐射出去，形成散射现象。
透射则是指光通过物质而不被吸收或散射，使得光线能够穿透物质并传播。
3.第三步：光的激发与辐射当物质吸收光能量后，物质的原子或分子的电子会跃迁到激发态。
在激发态下，电子具有较高的能量级，随后会发生自发辐射或受激辐射过程。
自发辐射是指电子从激发态跃迁到较低的能级时，释放出光子的能量。
受激辐射是指电子在受到外界的光激励后，跃迁到较低的能级，并释放出与激发光子相同频率的光子。
4.第四步：光的干涉与衍射当光通过物质或在物质表面发生反射时，会产生干涉和衍射现象。
干涉是指光的波前相遇并相互叠加，形成明暗交替的干涉条纹。
干涉可以通过干涉仪或薄膜等实验现象来观察和研究。
衍射是指光通过物体的缝隙或边缘时发生的弯曲和扩散现象。
衍射现象在光的波动性研究和光的粒子性质验证方面具有重要意义。
总结回顾：光与物质的粒子体系相互作用过程是复杂而多样的。
从光的射入与吸收开始，光的能量被物质的粒子吸收并转化为其他形式的能量。
接下来，光的散射与透射使得光与物质发生相互作用，从而产生散射和透射现象。
随后，物质的电子跃迁到激发态，产生自发辐射和受激辐射的过程。
光与物质的粒子体系相互作用
光与物质的粒子体系相互作用光与物质的粒子体系相互作用，是研究光学和物质科学的重要课题之一、在物理学中，光可以被看作是由许多粒子组成的光子流动，而物质则由分子、原子和更小的粒子组成。
那么当光与物质相互作用时，会产生怎样的现象呢？最常见的光与物质的相互作用现象之一就是折射。
当光从一个介质传播到另一个介质时，会因为介质的折射率不同而改变传播方向。
这是由于光在介质中的传播速度发生变化，而根据物质的密度和光的频率，光在介质中传播的速度会有所变化，从而导致光线的弯曲。
这一现象在我们日常生活中非常常见，比如当我们将一支笔插入水中时，看起来笔似乎断了一样，这就是光与水相互作用时发生的折射现象。
除了折射之外，光与物质的相互作用还可以导致反射现象。
当光从介质中射到表面上时，一部分光被表面反射回来，这就是我们所熟知的镜面反射。
反射现象的发生是因为光在介质与表面之间发生了界面的折射，从而改变了光的传播方向。
而反射现象不仅仅发生在平面表面上，相同的现象也会发生在曲面上，比如凹镜或凸镜上。
光与物质相互作用还可以导致吸收现象。
当光照射到物质上时，物质会吸收一部分光的能量而发生变化。
这一现象在化学反应中非常常见，比如光照射到一些化学物质时会引发光化学反应。
吸收光的能量还可以导致物质的温度升高，这就是我们在阳光下感到温暖的原因。
此外，光与物质相互作用还可以导致散射现象。
当光碰到物质表面上的微小颗粒时，光的传播方向发生变化，这就是散射现象。
散射会导致光线的弯曲以及颜色的变化，这在大自然中可以观察到，比如蓝天就是由于空气中的微小颗粒将太阳光中的蓝光散射到各个方向所致。
除了以上所述的常见现象，光与物质的相互作用还涉及到一些更复杂的现象，比如干涉和衍射。
干涉是指两束或多束光相遇时产生的明暗干涉条纹，它与光的波动性质密切相关。
而衍射是指光通过有限大小的孔或障碍物时的传播现象，它会导致光的波前发生弯曲和扩散。
这些现象的理解和应用广泛地运用在日常生活和各个科学领域中。
光和物质的相互作用
• 在电偶极近似下，场对物质的作用就表现在 原子发生了电偶极化。极化了的物质会对场 施以反作用，使得原来作用于它的场发生变 化。 • 原子电偶极矩的量子力学描述：在量子力学 中，原子的状态是用波函数来描述的，外场 对原子的作用便表现为外场使原子的波函数 发生了变化。这一变化有可能使得原子体系 的电偶极矩的量子力学平均值不再为零。
4.2 原子自发辐射的经典模型
• 物理模型：按简谐振动或阻尼振动规律运动 的电偶极子，称为简谐振子。 • 简谐振子模型认为，原子中的电子被与位移 成正比的弹性恢复力束缚在某一平衡位置 x=0（原子中的正电中心）附近振动（假设 一维运动情况），当电子偏离平衡位置而具 有位移时，就受到一个恢复力f=-Kx的作用。
1 自然加宽（natural broadening） 自然加宽（natural broadening）
•在不受外界影响时，受激原子并非永远处于 激发态，会自发地向低能级跃迁，因而受激 原子在激发态上具有有限的寿命。这一因素 造成原子跃迁谱线的自然加宽。
• 在经典模型中，原子中作简谐运动的电子由 于自发辐射而不断消耗能量，因而电子振动 的振幅服从阻尼振动规律
γ
γ
γ=? 设在初始时刻t=0时能级E2上有n20个原子，则自发辐 射功率随时间的变化规律可写为
p(t ) = − ex (t ) = −ex0e
γ
− t 2 iω 0t
− t 2 iω 0t
Hale Waihona Puke γγe= p0e
− t 2 iω 0t
γ
e
• 上述简谐偶极振子发出的电磁辐射可表示为
E = E0 e
− t 2 iω 0t
e
τr =
1
γ
定义为简谐振子的辐 射衰减时间
2-2 光与物质相互作用
n2(t) n20 e
A21t
理学院 物理系
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式 2—E2能级平均寿命，定义：E2上粒子数变为初 始值1/e所需时间，则：
1 A21 2 n20 n20 e e
因此：
A21
1
2
理学院 物理系
A21—自发辐射几率；自发辐射爱因斯坦系数。
理学院 物理系
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式
热平衡状态下：自发辐射和受激辐射光强比为：
I sp I ste
A21 e B21
h kT
1
2014年6月10日星期二
理学院 物理系
B21—受激辐射爱因斯坦系数。
理学院 物理系
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式 二、爱因斯坦三系数A21，B12，B21关系 热平衡状态下，E1、E2能级上原子数密度保持不变：
Байду номын сангаас
dn21 dn21 dn12 ( ) sp ( ) st ( ) st dt dt dt
即：
A21 n2 B21 ( ) n2 B12 ( ) n1
ν
⑵受激辐射跃迁几率w21
2014年6月10日星期二 理学院 物理系
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式
dn 21 1 w 21 ( )st dt n2
⑶受激辐射特点 a.必须在外界辐射场作用下进行； b.受激辐射跃迁几率w21与原子本身性质和外界辐射 场有关；
w21 B21 ( )
§2.2光与物质相互作用.玻色爱因斯坦关系式 一. 三种相互作用 1.自发辐射 ⑴定义：处于高能级的一个原子，在没有外来光子 的情况下，自发向E1跃迁，并发射出一个能量为 hν 的光子。 E2 E1
光与物质的相互作用
光与物质的相互作用光与物质的相互作用主要可以分为传播和相互作用两个过程。
既有光的传播过程，也有光的相互作用过程。
光的传播是指光线在真空或介质中直线传播的过程，而光的相互作用是指光线与物质接触后所产生的光与物质相互影响的现象。
在光的相互作用中，光与物质之间会发生反射、折射、透射、散射、吸收、发射等现象。
其中，反射是指光线在与物体相交时，一定程度上会被物体反射，反射后的光线会与入射光线沿着相同的角度反射回去；折射是指光线入射到介质中时，由于光在介质中传播速度的变化而产生偏折；透射是指光线在穿过介质时不改变方向的现象；散射是指光线经过物体或介质后的随机分散现象；吸收是指光在物体中的能量被物体吸收，导致光线变弱或消失；发射是指物质在光线的作用下释放出能量，放出光线。
除了以上这些现象，光还可以与物体的表面纹理、颜色等特性相互作用。
比如光在不同颜色的物体表面上的表现是不同的，不同颜色物体之间对光的反射和吸收程度也不同。
此外，物体表面的光滑度、粗糙度、斜率等特性都会对光的反射和折射产生影响。
在实际应用中，光与物质的相互作用可以产生各种不同的效果。
在电子学领域，光与半导体材料的相互作用产生的效应是光电效应；在光学领域，光与光学元件的相互作用可以产生透视、成像等效应；在材料科学中，光与材料的相互作用可以产生光敏效应、荧光效应等等。
总之，光与物质的相互作用是一种普遍存在于自然界的现象，涉及到物理学、化学、材料科学等多个学科。
对光与物质相互作用的研究，不仅有助于深化对物质结构和性质的认识，也对研究在生物、通信、能源等领域的应用具有重要意义。
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—— 电磁辐射阻尼力
d2 r F2 F2 F3 m dt2
d2 r dr 2 2 0 r f 0 cos t dt2 dt
k 0 m
2m
固有频率 阻尼系数
稳态解
r (t ) Acos(t )
qE0 f0 m
1
稳态解
r t A cos t
大颗粒媒质散射对波长无选择
散射概率
瑞利散 射区
a
云层中的水汽对所有波长的光散射相同，故看到的是白色的云。
5
为什么我们看到 的天是蓝色的？
宇航员在太空看 到的天空和太阳。
傍晚
中午
散射！
清晨
在地球上，清晨阳光穿过大气的距离较中午长，所 以被散射掉的短波成分更多——朝阳、夕阳呈红色。
6
宇航员看到的太空为什么是黑色的？为什么天空总是蔚蓝色的？为什么早晨 或傍晚看到的太阳呈红色而正午的太阳呈白色？如果地球表面没有大气，天 空将是什么样子？宇航员在太空中看到的天空又是什么样子？
当光束通过光学性质均匀的介质（如玻璃、纯水）时，在光束的侧面观察，几乎看不 到光，但当一束太阳光射入有烟雾的室内或混浊的水中时，我们从侧面也可以看到光 束的行径，这是由于光被混浊物质中的小微粒向各个方向散射所致。大雾天能见度低 是由于空气中的液体粒子多而引起的强烈散射的结果。光的散射是指由于介质中存在 微小粒子或分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向而向四周传播的现象。 从太阳射来的光被大气分子和天空的尘埃散射。蓝光比红光散射更强烈，故散射光中 蓝光占优势，仰望晴朗的天空，主要就是这些散射光进入眼内，这正是天空呈蔚蓝色 的原因。早晨或傍晚看到太阳呈红色，是因为此时太阳光几乎平行于地面，穿过的大 气层最厚，散射效应显著，蓝光被强烈散射，仅剩下红光到达地面，所以见到火红的 朝阳或夕阳。中午太阳光穿过大气层最薄，散射效应相对较弱，看起来太阳呈白色。 如果地球表面没有大气层，就没有大气分子来散射太阳光，因而白天的天空将是一片 漆黑，这时仰望天空，只能看见光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的天空，还能看到闪烁的 星星，这与宇航员在太空中看到的景象一样。 我们周围的大部分物体如红花、绿叶、青砖、黑瓦等能呈现它们各自颜色的原因是什 么呢？这是由于它们对各种颜色光的选择吸收所致。例如：红花中含有一种有机色素， 它可以吸收除红光以外的所有颜色的光，只把红光漫反射出来，故而呈红色。绿叶中 含有叶绿素，它可以吸收除绿光外其他颜色的光，只把绿光反射出来，所以叶子呈现 7 绿色。
朗伯特定律
I I 0e
a s x
对于均匀介质（常温下的液体和固体），光强衰减主要是真吸收； 对于非均匀介质和稀薄气体，衰减光能量主要是由于散射。 媒质对各种波长的光的吸收程度相同，则为普遍吸收； 9 媒质对不同波长的光的吸收程度不一样，则为选择吸收。
15.4 光的色散(Dispersion of light)
媒质的折射率随光的波长而变化的现象称为色散
n
棱镜光谱
1、任何光学材料都有色散。
2、正常色散： n 3、反常色散：处于吸收带 附近。
0
10
三. 拉曼散射
光源
光谱仪
散射物质
3 2 1 1 2 3
1 0
1 0
紫伴线 红伴线
0——分子的固有频率。 分子的固有频率不止一个， 所以拉曼光谱中还有 2、 3 ； 2、 3
经典解释：散射分子无光照射时，也有分子电矩，并以固有频 率振动；当有光照射时，光波的电场和固有电矩耦合就会有拉 曼散射现象发生。
qE00/ m f
2 tan 2 0 2
A
22 2来自0 2 p qr
2
感生电偶极矩
q 2 E 0 cos t m
2
2 2 0
2
2
当 0
电偶极矩振幅最大
2
二、 带电粒子分类
重粒子 —— 原子核、离子 惯性大，在频率较低 的红外光中才能振动。 轻粒子——电子 能在紫外光、可见光照射下振动。
15.2 光的散射 当光束通过光学性质不均匀的物质时，从侧
(Scattering of light) 面可以看到光，这个现象称作光的散射。
散 射 一. 纯净媒质的分子散射
散射媒质的不均匀度 a << 的媒质散射——瑞利散射 由于气体分子的无规则热运动，次级波源的分布杂乱无 序，因此破坏了各波相位的相关性，产生散射。散射光 是非相干的。 1
8
15.3 光的吸收(Absorption of light)
经 dx距离后光强增量 dI：
I0
dI Id x
I
I -dI x
d I I d x
0 x
x+dx
Id
I0
I I
dx
x 0
a s
真吸收 散射
II e
ln
I x x I0 0
一般电偶极矩 p e 0 E
各向同性介质： e 是常数
e: 分子的极化率 p // E
各向异性介质： e 与外电场方向有关，是张量。
p、E 方向关系复杂。
物质中大量靠得很近的原子分子，被同一列入射光激 发，形成的偶极子振动所辐射的诸次波是相干的，次波与 3 入射波也是相干的。
Is 4
太阳光通过大气层，空气中分子对短波部分散射强度大， 因此看天空是蓝色。 清晨和傍晚，阳光通过大气层的距离较中午长，短波被充 4 分散射掉后，人们见到的太阳就是红彤彤的。
二. 浑浊媒质的散射 在均匀气体或液体 中，分布着大颗粒的液体或固体质 元；这些质元的线度与光的波长相同或是更大些，这种混 合物体称为浑浊媒质。
第 15 章 光与物质相互作用
光与物质相互作用：光的散射、吸收和色散 15.1 分子光学的基本概念(Concepts of molecule optics) 一、 电偶极子模型
F1 qE0 cos t —— 电场力
带电粒 子受力
F2 kr dr F3 dt
—— 其他电荷给的弹性力