瑞利散射 Rayleigh scattering

2022-10-27 14:47:48 浏览:321

定义

散射中心处的光散射远小于波长。

瑞利散射是一种常见的散射光学现象,以英国物理学家瑞利勋爵的名字命名。它是光在散射中心的线性散射,其远小于光的波长。在这种情况下,散射的强度与入射的光学强度成正比,与反波长的四次方成正比,并且1 + cos2θ,其中 θ 是散射角。前向和后向散射(θ = 0 和 θ = π)同样强。

较大中心的散射可以用米氏散射理论(以古斯塔夫·米耶命名)来描述。在这里,特征是不同的;例如,前向散射的散射幅度更强,并且波长依赖性不同。

瑞利散射的散射中心可以是单个原子或分子。然而,人们也可以描述大气中的瑞利散射,例如,由微观密度波动引起的,这是由空气中分子的随机分布引起的。

请注意,对于在多个粒子或散射中心散射,不能简单地添加单个中心散射的功率,因为存在干扰效应:必须添加振幅。因此,在完全纯净和规则的晶体中不会有瑞利散射光。此外,由于上述随机密度波动,空气中的瑞利散射是可能的。

如果假设散射光丢失,则散射实际上会导致传播损耗。例如,在单模光纤的情况下,任何散射光都将以包层模式结束,并且实际上会丢失。

光纤中的散射损耗

在硅玻璃等非晶光学材料中,由于不规则的微观结构,总是存在随机的密度波动。它们甚至比通常在室温下要强得多,因为在纤维制造过程中,纤维在玻璃软化温度附近发生的密度波动被“冻结”。只有在有限的程度上,可以通过退火工艺来减少波动。

瑞利散射为光纤中的传播损耗设定了下限。当然,额外的损失可能会导致例如不规则的芯/包层界面(特别是在折射率对比度高的情况下),杂质的散射和吸收,以及宏观和微观弯曲。针对长距离光纤通信进行了优化的二氧化硅光纤具有非常低的传播损耗,接近瑞利散射给出的极限。对于远低于常用的1.5μm区域的波长,仅瑞利散射就高于这些光纤在1.5μm波长下的实际损耗。在更长的波长下,瑞利散射会较弱,但二氧化硅的红外吸收开始。

原则上,人们可以拥有由其他玻璃(例如氟化物纤维)制成的中红外光纤,其损耗甚至更低,但实际上二氧化硅纤维已达到最佳数字。

光纤中的大部分瑞利散射光从侧面离开光纤。只有一小部分散射光被散射回来,使其再次被引导到光纤芯中。因此,光纤器件的回波损耗一般很高;光纤设置的总回波损耗通常是由光纤末端、机械接头或光纤连接器等接口处的反射引起的。

由于光纤中经常发生的高光学强度,也可能发生拉曼散射和布里渊散射等非线性散射过程。瑞利散射是一个线性过程,在低光强度下同样重要。

基础光学

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