光学基础知识大讲堂

——第8期：光的散射

前面几期，我们多次提到了光的干涉，其他光的传播方式还包括反射、折射、衍射、散射等。那么今天，我们就来讲讲其中的一种光学现象：光的散射。
     光的散射是指光线通过不均匀介质一部分偏离原来传播方向的现象。显然，如果光入射的是均匀介质，那么光只会发生发射、折射，不会产生散射。光的散射有很多种，例如米氏散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等。如果我们从光频率是否改变的角度来分，可以分为二种：弹性散射和非弹性散射。所谓弹性散射是指光的波长（频率）不会发生改变，入射是什么波长的光，散射后还是什么波长的光，例如米氏散射、瑞利散射等。而非弹性散射即指散射前后光的波长发生了改变，例如拉曼散射、布里渊散射、康普顿散射等。

瑞利散射

瑞利散射是弹性散射的一种，通常需要满足的条件是微粒尺度远小于入射光波长，一般要小于波长的1/10，且各个方向的散射强度不一致，该强度与波长的4次方成反比。
     那瑞利散射在日常生活中有什么表现呢？比如我们平常看到天是蓝色的，海水也是蓝色的，这是因为天空和海水本来就是蓝色的吗？当然不是。天空本来是没有颜色的，只是由于大气分子的存在，当太阳光入射到地球上的时候被散射了。前面提到，瑞利散射的强度与波长的4次方成反比，也就是说，波长越短，散射强度越强（关于光的波长，详见第3期：详解电磁辐射第一部分），所以蓝紫光被散射得最厉害，因此，天空呈现蔚蓝色。那又有人要问了，为啥不是紫色？是因为紫光被大气吸收了，且人眼对紫光不敏感。另外，如果地球没有大气层，那么你看到的天空应该跟宇宙星空是一致的，一片黑除了恒星之外。

图1 碧水蓝天（图片来源于网络）

同理，海水的蓝色也是因为水分子的散射造成的，如果你走近了看，海水是透明无色的。另外，离得越远越深的海水，蓝色也越深甚至发黑，那是因为远/深处海水的散射光被你接收到的光变少了，所以呈现出深黑色。
     讲到这里，我又想到了另外一个问题，如果你站在海边，你能看到的海水能有多远？100 m，1 km，10 km还是更远？好吧，那就让我们用中学的数学知识简单计算一下。

图2 你到底能看多远

首先大家都知道，地球的半径为6371 km，假设一个人身高1.8 m，那么他能看到最远的距离是多少？公式说明一切（请自行用计算器计算）：square(6371.0018^2-6371^2)=4.789 km。如果再考虑地球不完全是圆形，那按照地球极半径6357 km计算，结果是：square(6357.0018^2-6357^2)= 4.784 km。看来，地球的半径对你看得是否远，影响不是很大，接下来再假设身高只有1.5 m，那么结果是：square(6371.0015^2-6371^2)=4.372 km。比刚才变化略大一点，这说明身高高还是有一点优势的。咳，好像偏离主题了，回来继续。

米氏散射

好，接下来我们再来看看另一种弹性散射：米氏散射。前面提到，瑞利散射的颗粒一般远小于光波长，当颗粒增加直到光波长量级（λ）甚至达到10λ，那么就符合米氏散射的规律了。米氏散射的强度与光波长的2次方成反比，且随着颗粒的增大，散射强度随波长变化的起伏变弱，如图3所示。这也是为什么你看到的云（图1）是白色的原因。当然，如果颗粒尺寸再增加，大于50λ，那么就不能再以散射模型来分析，而是直接以几何光学模型来讨论了。

图3 米氏散射与瑞利散射的区别（图片来源于网络）

弹性散射中还有一种中学里介绍过的现象：丁达尔效应。其实它也是一种很常见的散射现象，例如光透过云层的时候，早晨透过森林的时候，甚至雾霾时车灯发出的光束，都能看到光的线条。当然如果没有散射的话，你是根本看不到任何光束的，比如你直接看水或者溶液，它都是透明的，没有任何光线。

图4 丁达尔现象（图片来源于网络）

拉曼散射

前面介绍了弹性散射，现在我们再来看看非弹性散射，所谓非弹性散射就是“不是弹性的散射”（这是一句废话吗？），即光的频率在散射前后发生了改变。

图5 拉曼散射与瑞利散射的区别（图片来源于网络）

从图5可以看出，拉曼散射是由于样品分子振动等相互作用引起入射光频率发生变化的散射。假设用虚能级来表示，当处于振动基态/激发态的分子在光子作用下，激发到高能级又回落到激发态/基态，散射光的能量会发生改变，产生斯托克斯光和反斯托克斯光。最重要的是，拉曼谱线由分子振动决定，与入射光频率无关。这意味着可以利用这一效应来检测和鉴定物质组成成分，包括鉴宝（剧透：下一期主题）。

图6 拉曼散射机制（图片来源于网络）

另外需要注意的是，由于拉曼散射强度是非常小的，大约只占整个散射光（瑞利散射等）的0.01%。而瑞利散射又只占入射光强度的0.1%，可想而知拉曼光谱信号是非常弱的。所以，我们经常看到一种技术：表面增强拉曼光谱。通过利用表面等离子体增强机制，极大地增强拉曼光谱的信号，从而成为我们常用的分析工具。

布里渊散射

布里渊散射也是非弹性散射的一种，本质上也属于拉曼效应（注：此处表述不妥当，感谢邵鹏老师指正！），是由于光在介质中受到激发后产生不同频率的散射光。原理如下：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子，其实原理类同于拉曼散射（此处妥当，应该只能说类似）。布里渊散射目前大量应用于分布式光纤传感当中，而且由于它在温度、应变测量上达到的测量精度、范围以及空间分辨率明显高于基于瑞利散射/拉曼散射的传感技术，所以得到了广泛的研究与关注。