激光散射色譜儀主要功能

拉曼散射和布里淵散射為研究分子結(jié)構(gòu)或晶體結(jié)構(gòu)提供了重要手段。借助于拉曼散射可快速定出分子振動(dòng)的固有頻率，并可決定分子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性、分子內(nèi)部的力等。激光問(wèn)世以來(lái)，關(guān)于激光的拉曼散射的研究更得到迅速發(fā)展。強(qiáng)激光引起的非線(xiàn)性效應(yīng)導(dǎo)致了新的拉曼散射現(xiàn)象，如在強(qiáng)激光作用下產(chǎn)生的受激拉曼散射，可獲得高強(qiáng)度的多個(gè)新波長(zhǎng)的相干輻射，用于大氣污染的測(cè)量(見(jiàn)拉曼光譜學(xué)、受激光散射)。

散射與通信技術(shù)關(guān)系也很密切，如利用對(duì)流層、電離層以及流星余跡的散射可對(duì)上百乃至幾百公里距離的定點(diǎn)進(jìn)行微波或超短波通信，是跨越不能設(shè)中繼站的地段進(jìn)行通信的有力措施。此外，微波特別是毫米波穿越雨云和雨幕時(shí)，水滴乃至分子的散射與吸收所引起的衰減是不能忽視的。

對(duì)流層中隨時(shí)存在著尺度不同(約10~100m)的湍流區(qū)。湍流區(qū)內(nèi)與周?chē)橘|(zhì)的折射率有10-6數(shù)量級(jí)的差別。這些湍流區(qū)如同浸在均勻大氣中的介質(zhì)塊，在投射被照射下，其極化電流的輻射場(chǎng)即是散射場(chǎng)，團(tuán)塊極化電流的相位沿著投射波的傳播方向逐漸落后。類(lèi)似行波天線(xiàn)的原理，其前向散射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于背向散射。利用這種前向散射可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。有效的散射區(qū)是收、發(fā)天線(xiàn)主波瓣端部相交的區(qū)域，見(jiàn)圖。由于團(tuán)塊的運(yùn)動(dòng)、生滅和分布都是隨機(jī)的，因而接收信號(hào)的幅度和相位也都是隨機(jī)起伏的。由于團(tuán)塊內(nèi)外折射指數(shù)相差甚微，必須使用較高的頻率(常用微波)和相當(dāng)大的發(fā)射功率，才能引起可觀的極化電流。收、發(fā)天線(xiàn)也必須有較高的增益。

在電離層中也經(jīng)常存在著電子濃度與周?chē)胁町惖膱F(tuán)塊。由于頻率越高等離子體的折射指數(shù)越接近于真空，所以利用電離層的不均勻性進(jìn)行散射通信時(shí)只能用米波，而且信號(hào)頻帶受到限制。

太陽(yáng)系大量微粒和流星以12~-72km/s的相對(duì)速度與地球相遇時(shí)，大多數(shù)情形因灼熱而氣化，飛出的原子與大氣分子碰撞而引起電離，選就是流星的電離余跡，它是細(xì)長(zhǎng)的等離子體柱。肉眼能觀察到高度約100km的流星，其余跡上每米長(zhǎng)有1014個(gè)以上的自由電子，能在1秒乃至幾分鐘時(shí)間內(nèi)散射米波，在高空風(fēng)作用下先變形而后散失。估計(jì)每一晝夜約有108個(gè)這種流星進(jìn)入大氣，所以這種電離余跡是經(jīng)常存在的，只是要在發(fā)現(xiàn)余跡出現(xiàn)后立即進(jìn)行斷續(xù)通信。其散射的方向性較強(qiáng)，與電離層不均性散射相比，同樣的發(fā)射功率下，通信容量增大至10倍或10倍以上。

由于衛(wèi)星通信的使用，散射通信的必要性已很小，但衛(wèi)星數(shù)量加多必終致發(fā)生信道擁擠;空間武器的發(fā)展使通信衛(wèi)星在戰(zhàn)爭(zhēng)中難免被破壞，散射通信或?qū)⒃俣仁苤匾暋?

對(duì)衛(wèi)星通信和直接廣播影響最明顯的是散射衰減。水珠、雪片乃至大氣分子在電磁波照射下，其極化電流的輻射把照射波的能流轉(zhuǎn)化為散射能流和質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)能，因而使照射波受到衰減。在厘米波段，每一水滴如同一個(gè)電偶極子。雨滴散射的散射衰減隨頻率提高而加大。在毫米波段則進(jìn)入散射的諧振區(qū)。散射衰減隨頻率增大較快，例如每小時(shí)12.5mm的降水中，每公里的衰減分貝數(shù)，λ=3cm時(shí)約為0.285，λ=1cm時(shí)約為2.73，λ=6mm時(shí)約為4.72，而λ=3mm時(shí)則約為6.72。水蒸汽和氧分子對(duì)于毫米波的某些頻率也有強(qiáng)烈的衰減:水汽對(duì)于λ=1.35cm的波約有2dB/km的衰減，氧對(duì)于λ=5mm和2.5mm的波衰減分別達(dá)到3.4和14dB/km。因此對(duì)于毫米波通信和廣播必須選用衰減峰之間的頻率，以避免過(guò)大的衰減;在計(jì)算發(fā)射功率時(shí)，必須留出足夠的余量以彌補(bǔ)傳播途徑中的衰減。

入射光與介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)間相互作用而引起的頻率發(fā)生改變的散射。1928年C.拉曼在液 體和氣體中觀察到散射光頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，稱(chēng)拉曼效應(yīng)或拉曼散射。拉曼散射遵守如下規(guī)律:散射光中在原始入射譜線(xiàn)(頻率為ω0)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)地伴有頻率為ω0±ωi(i=1,2,3,…)的一組譜線(xiàn)，長(zhǎng)波一側(cè)的譜線(xiàn)稱(chēng)紅伴線(xiàn)或斯托克斯線(xiàn)，短波一側(cè)的譜線(xiàn)稱(chēng)紫伴線(xiàn)或反斯托克斯線(xiàn)，統(tǒng)稱(chēng)拉曼譜線(xiàn);頻率差ωi與入射光頻率ω0無(wú)關(guān)，僅由散射物質(zhì)的性質(zhì)決定。每種物質(zhì)都有自己特有的拉曼譜線(xiàn)，常與物質(zhì)的紅外吸收譜相吻合。在經(jīng)典理論的解釋中，介質(zhì)分子以固有頻率ωi振動(dòng)，與頻率為ω0的入射光耦合后產(chǎn)生ω0、ω0-ωi和ω0+ωi三種頻率的振動(dòng)，頻率為ω0的振動(dòng)輻射瑞利散射光，后兩種頻率對(duì)應(yīng)斯托克斯線(xiàn)和反斯托克斯線(xiàn)。拉曼散射的詮釋需用量子力學(xué)，不僅可解釋散射光的頻移，還能解決諸如強(qiáng)度和偏振等問(wèn)題。

按量子力學(xué)，晶體中原子的固有振動(dòng)能量是量子化的，所有原子振動(dòng)形成的格波也是量子化的，稱(chēng)為聲子。拉曼散射和布里淵散射都是入射光子與聲子的非彈性碰撞結(jié)果。晶格振動(dòng)分頻率較高的光學(xué)支和頻率較低的聲學(xué)支，前者參與的散射是拉曼散射，后者參與的散射是布里淵散射。固體中的各種缺陷、雜質(zhì)等只要能引起極化率變化的元激發(fā)均能產(chǎn)生光的散射過(guò)程，稱(chēng)廣義的拉曼散射。按習(xí)慣頻移波數(shù)在50-1,000/厘米間為拉曼散射，在0.1-2/厘米間是布里淵散射。