[科普中国]-复折射率

复折射率，又称光纳，吸收性介质最主要的光学常数。吸收性介质最主要的光学常数。它是一个复数，符号N'，可用N'=N-iK表示。式中实数部分N为吸收性介质的折射率，它决定于光波在吸收性介质中的传播速度；虚数部分的K决定于光波在吸收性介质中传播时的衰减（光能的吸收），叫做吸收系数。

简介吸收性介质最主要的光学常数。它是一个复数，符号N'，可用N'=N-iK表示。式中实数部分N为吸收性介质的折射率，它决定于光波在吸收性介质中的传播速度；虚数部分的K决定于光波在吸收性介质中传播时的衰减（光能的吸收），叫做吸收系数。设I为入射光强，Ix为透过厚度为x的介质后的光强，λ为入射光波长，e为自然对数之底，则有Ix=Ie -4πkx/λ。即吸收系数的物理意义可理解为，光波在吸收性介质中透过λ距离后，光强降到原值的1/e4πK。当N、K值已知时，吸收性矿物的其他光学常数都可以根据它们算出，原理和计算公式已在《不透明矿物晶体光学》中基本解决1。

基于复折射率的偏振模型及其应用红外偏振成像技术近年来发展迅速，但偏振机理等方面的研究仍处于起步阶段。为深入研究红外辐射偏振特性的产生机理和影响因素，本文提出了一种基于复折射率的偏振模型。

模型基于空气－ 光滑介质表面建立，适用于吸收性介质和非吸收性介质。偏振模型以介质的复折射率为参数，观测角为输入，可以输出红外辐射水平分量和垂直分量的反射率和发射率，也可以输出反射辐射和自发辐射单独作用时的偏振度。基于提出的模型，结合MATLAB仿真，分析了反射辐射和自发辐射偏振性的产生机制，以及反射辐射和自发辐射对目标偏振特性的影响。偏振模型的建立，有助于深入理解红外偏振，并为偏振探测提供理论支持。

自1824 年，阿拉贡首次观察到发光物体辐射出的偏振光，人类对偏振光的认识已有近两百年的历史。但偏振成像技术作为一种探测手段用于目标探测和目标识别，则是始于20世纪80 年代。近年来，偏振探测技术，尤其是红外偏振探测技术发展迅速，已经逐渐从实验研究走向工程应用。

偏振现象产生的机理以及偏振特性影响因素的理论机制，作为偏振成像的基础，一直没有得到深入的研究。因此，通过建立目标表面的偏振模型，深入分析偏振产生的机理以及偏振特性影响因素的作用机制，是十分必要的。

吸收介质复折射率的一种测量方法吸收介质的折射率为复折射率，其虚部不仅决定了介质的吸收特性，还影响反射光、透射光的偏振状态。现有的复折射率测量方法主要有基于偏振技术的测量法和基于表面等离子体共振技术的测量法等。基于偏振技术的测量方法是通过测量反射光的相位和振幅来测定复折射率的实部和虚部，这种方法具有非破坏、非接触性的特点，已被广泛应用于材料的光学性质研究和分析中。基于表面等离子体共振技术的测量方法是通过测量反射率、共振角、相位差等来计算吸收介质的复折射率，这种方法具有高灵敏度、实时和无损伤探测等优点，基于该技术的传感器在医疗诊断、生化等领域的应用非常广泛。现有的复折射率测量技术在透明介质的计算中大多是用复折射率和复角代替相应参数，这种处理具有一定的局限性2。

梨花粉红外波段复折射率测定与分析花粉是生物气溶胶重要的组成部分，复折射率是研究花粉光学特性以及探测、识别生物气溶胶成分的重要参数。采用压片法对梨花粉2.5～15μm波段的反射光谱进行了测量，利用Krames－Kronig （K－K）关系计算了复折射率，并就傅里叶红外光谱仪测试压片的入射角和复折射率长波长、短波长区外推两方面对结果作了误差分析。结果表明，测试时18°入射角以及长波长、短波长区外推对梨花粉复折射率的计算结果影响不大，利用反射光谱计算花粉复折射率的方法是可行的。计算得到的复折射率谱对梨花粉光学特性的研究以及生物气溶胶成分的探测、识别有一定的参考价值。

生物气溶胶是指气溶胶中有生命活性的部分，包括空气中的细菌、真菌、病毒、尘螨、花粉、孢子、动植物碎裂分解体等具有生命活性的微小粒子稳定地悬浮于气体介质中形成的分散体系。生物气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分，与人类的生产、生活密切相关。准确的分析、鉴定生物颗粒，有效的探测和识别生物气溶胶，一直都是国内外研究的热点。

基于生物颗粒电磁特性的生物气溶胶探测、识别技术的研究工作已经开展。该方法以生物颗粒的电磁散射特性为基础，测量电磁波通过生物气溶胶的透过率以及散射光的偏振特性分析、确定气溶胶中生物颗粒的特性和种类。但是，应用这种方法的前提是必须掌握生物颗粒的复折射率，而关于生物颗粒复折射率的测定及分析的内容，可查找到的公开文献非常少，使得进行生物气溶胶探测、识别研究缺乏必备的参数支持。

表面粗糙材质的复折射率反演偏振反映了电磁波电场矢量的振动方向，是光横波特性的具体表现。光经过物质表面反射的过程中，除了产生能量、传输方向等变化外，还会产生与材质理化属性相关的偏振特性变化。目标的偏振特性可提供强度和光谱成像等不能包含的光学信息，能有效提高对目标的探测和识别能力，在对地遥感等领域具有良好的应用前景。

目标的偏振特性从宏观层面主要取决于目标的几何特征以及目标的材质；而从微观层面主要取决于材质表面的统计学面型属性及材质的复折射率。材质表面面型决定光线传输方向的分布特性；材质的复折射率决定光线的偏振特性。因此，复折射率是偏振特性产生的根本原因，研究目标偏振特性首先需要研究和测量材质的复折射率。复折射率的测量方法主要包括透射法和反射法。透射法通过测量折射角来反演材质的复折射率，仅适用于透明物质；反射法通过测量布鲁斯特角，偏振光的相位差来确定材质的复折射率，仅适用于表面绝对光滑的材质3。

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杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所