ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Квантовая и лазерная оптика Квантовая теория излучения из "Основы оптики " Электрическое поле распространяющейся в веществе световой волны взаимодействует с частицами среды и вызывает переизлучение энергии. Если среда не вполне однородна, возникает рассеяние, то есть разброс направлений волновых векторов к при сохранении полной энергии световой волны. При этом световой поток в первонача 1ьном направлении ослабевает (рис. 15.1). [c.235] В качестве рассеивателей могут выступать частицы различной формы и размеров, от единиц ангстрем до тысяч нанометров, наконец, оптические неоднородности (посторонние включения, дефекты структуры, упругие колебания решетки, флуктуации плотности). Если размер рассеивателя а менее к/15, наблюдается рэле-евское рассеяние, если более — рассеяние Ми. [c.235] При а - X эффекты рассеяния постепенно переходят Б дифракционные. [c.235] Поскольку вдоль своей оси диполь не излучает, интенсивность рассеяния вдоль ОХ равна нулю, а вдоль ОУ и 01 максимальна (рис. 15.3, а). Длина отрезка / (0) отсекаемого на индикатрисе, определяет относительную интенсивность рассеяния в заданном направлении. Видно, что от азимутального угла ф рэлеевское рассеяние не зависит. [c.236] Показанное на рисунке сечение индикатрисы плоскостью XOZ получило название бабочки Рэлея (ср. с рис. 13.2), Такую же форму имеет и сечение XOY. Как следует из (15.1), рэлеевское рассеяние происходит с равной интенсивностью вперед, назад, вбок и линейно поляризовано в плоскостях, проходящих через ось ОХ (см. раздел 10.1). Нулевая интенсивность наблюдается только в направлении оси ОХ, а сечение индикатрисы YOZ являстся круговым. Таким образом, общая форма индикатрисы — почти тороил, у которого в п,снтре не отверстие, а нулевая точка, в которую стягивается поверхность индикатрисы (рис. 15.4). [c.236] Пунктиром внутри диаграммы показаны индикатрисы рассеяния для ортогональных компонент поляризации — в плоскости рр1сунка и перпендикулярно ей. Итоговая индикатриса во всех направлениях п.т10ск0сти XOY будет иметь единичную ширину, а в направлении оси 0Z — удвоенную. Это легко получить и из формулы (15.2) для углов 0 = к/2 и 0 = О, к. Таким образом, рэлеевское рассеяние неполяризованного света симметрично и максимально вперед и назад, а под прямым углом к направлению распространения имеет вдвое меньшую интенсивность. [c.237] Фарадеем была предложена изящная демонстрация оптической активности (см. раздел 12.7) с использованием рэлеевского рассеяния. В раствор сахара, обладающий способностью вращать плоскость поляризации, добавляют несколько капель молока (рассеиватель). При наблюдении поперек кюветы, легко заметить винтовую модуляцию интенсивности рассеяния (рис. 15.5), поэтому эффект был назван винт Фарадея . [c.237] Если размеры рассеивателя оказываются сравнимы с длиной волны падающего излучения, то приближения теории Рэлея не выполняются возникающий на каждом рассеивателе фазовый сдвиг зависит от формы, размеров и оптических свойств частицы. Кроме того, сами злемрнтярные диполи, находящиеся на конечных расстояниях друг от друга, оказываются под воздействием различных нолей в результате нереизлучений. [c.238] Теория рассеяния Ми предсказывает для ряда простейших случаев (преломляющие или отражающие частицы круглой или эллиптической формы) интуитивно понятную трансформацию индикатрис рассеяния при изменении размеров рассеивателей. Индикатрисы теряют свою симметричность (рассеяние вперед может превосходить рассеяние назад, и наоборот) и постепенно становятся многолепестковыми, причем боковые максимумы подчиняются дифракционным соотношениям а пд = Х (рис. 15.6). [c.238] Математическую основу теории Ми составляет разложение уравнений для переизлученной электромагнитной волны по малому параметру а = Аа = 2т1а/Х. При возрастании этого параметра приходится учитывать все больше членов разложения по степеням а. Частотная зависимость интенсивности рассеяния Г также изменяется и становится более медленной, чем следует из закона Рэлея. [c.238] Примерами рассеяния Ми являются облака, тучи, клубы дыма, рассеяние туманами, проявление трассового следа реактивных самолетов и т. д. По мере удаления из оптической среды посторонных примесей и включений, индикатрисы рассеяния становятся все уже, интенсивность рассеяния ослабевает, уступая место когерентному переизлучению вперед. Однако даже в идеально чистых средах наблюдается так называемое молекулярное рассеяние за счет тепловых флуктуаций плотности атомов или молекул и, следовательно, флуктуаций показателя преломления. [c.238] Таким образом, гармоническая амплитудная модуляция приводит к возникновению в спектре iini uja комбинационных частот, отличаюицгхся от несущей частоты СОо на величину Q (рис. 15.8), которые и наблюдаются в рассеянном свете. [c.239] По квантовым представлениям, стоксова компонента с частотой oq - Q возникает, когда энергия фотона Ш уменьшается на величину, равную энергР1и колебательного возбуждения молекулы антистоксова ( Oq + Q) — когда квант энергии hQ первоначально возбужденной молекулы передается излучению. Поскольку отношение чртсла возбужденных и невозбужденных молекул ехр( - hQ/kT) 1, интенсивность антистоксовой компоненты оказывается много меньше интенсивности стоксовой. Комбинационное рассеяние является мощным средством исследования структуры и свойств молеку г. [c.239] Предположим, чю в среде распространяется упругая волна с частотой длиной волны А и волновым вектором К (рис. 15.9). Периодические изменения плотности среды приводят к появлению динамической ди([)ракционнпй решетки, перемещающейся в направлении к со скоростью 1 =С1/К. Условие дифракционных максимумов для такой решетки сводится к соотношению для волновых векторов к =к + К, где к — волновой вектор падающей, к — рассеянной вov ны. Знак - соответствует красному смешению частоты, возникающему при остром угле между векторами к и К (рис. 15.9, а). Знак соответствует фиолетовому сдвигу частоты при тупом угле между векторами к и К (рис. 15.9, б). [c.240] С квантовой точки зрения рассеяние Мандельштама—Брил л юэна представляет собой рассеяние фотона исходного светового пучка с испусканием или ни-глощением кванта упругих колебаний среды — фонона, представляющего собой квазичастицу с энергией Ш и импульсом ЬК (рис. 15.10). [c.240] При этом рассеяние происходит с соблюдением законов сохранения энергии Лсо НИ - Ло) и импульса Ак йК = йк. [c.240] Все рассмотрершые в предыдущих главах оптические явления (за исключением неупругого рассеяния) имеют вполне удовлетворительное волновое описание. Даже дискретный характер атомарных спектров допускает классическую трактовку на я зыке затухающих колебание . [c.242] Излучение телами электромагнитных волн (свечение тел) требует энергетических затрат и может осуществляться за счет различных видов энергии. Если свечение происходит за счет внутренней (тепловой) энергии тела, оно называется тепловым излучением. Все остальные виды свечения, возбуждаемые за счет любого другого вида энергии, кроме теплово , называются люминесценцией. В первую очередь, к ним относятся хемилюминесценция (свечение вещества при некоторых химических превращениях), электролюминесценция (свечение газового разряда под действием соударений заряженных частиц), фотолюминесценция (излучение, вызываемое предварительным освещением тела) и т. д. [c.242] Вернуться к основной статье