光波在大氣中的傳播.ppt

光電子技術(shù) PhotoelectronicTechnique光束的傳播主講 周自剛助教 范宗學 光源 傳輸 2 1光波在大氣中的傳播2 2光波在電光晶體中的傳播2 3光波在聲光晶體中的傳播2 4光波在磁光介質(zhì)中的傳播 2 5光波在光纖波導中的傳播2 6光波在非線性介質(zhì)中的傳播 章節(jié)內(nèi)容 主要講授激光光波在各種介質(zhì)中的傳播規(guī)律與分析方法 1 基本要求牢固掌握光波在常見電介質(zhì)中的傳播規(guī)律 2 重點 難點重點 光波在大氣 電光晶體 聲光晶體 和磁光介質(zhì)中的傳播特性難點 光波在電光晶體和聲光晶體的傳播特性 知識要點 光電子技術(shù) PhotoelectronicTechnique光束在大氣中的傳播主講 周自剛助教 范宗學馮杰 大氣激光通信 探測等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信道 光波在大氣中傳播時 大氣氣體分子及氣溶膠的吸收和散射會引起的光束能量衰減 空氣折射率不均勻會引起的光波振幅和相位起伏 當光波功率足夠大 持續(xù)時間極短時 非線性效應(yīng)也會影響光束的特性 1 大氣衰減 激光輻射在大氣中傳播時 部分光輻射能量被吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?如熱能等 部分能量被散射而偏離原來的傳播方向 即輻射能量空間重新分配 吸收和散射的總效果使傳輸光輻射強度的衰減 設(shè)強度為I的單色光輻射 通過厚度為dl的大氣薄層 不考慮非線性效應(yīng) 光強衰減量dI正比與I及dl 即dI I I I I dl 積分后得大氣透過率 假定可以簡化為 大氣衰減系數(shù) 1 km 此描述大氣衰減的朗伯定律 表明光強隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減 因為衰減系數(shù) 描述了吸收和散射兩種獨立物理過程對傳播光輻射強度的影響 所以 可表示為 km和 m分子的吸收和散射系數(shù) ka和 a氣溶膠的吸收和散射系數(shù) 對大氣衰減的研究可歸結(jié)為對上述四個基本衰減參數(shù)的研究 衰減系數(shù)常用單位為 1 km 或 dB km 二者之間的換算關(guān)系為 dB km 4 343 1 km 大氣分子的吸收 大氣分子 極化 受迫振動 吸收 分子的固有吸收頻率由分子內(nèi)部的運動形態(tài)決定 極性分子 電子運動 原子振動 轉(zhuǎn)動 相應(yīng)的共振吸收頻率分別與光波的紫外和可見光 近紅外和中紅外以及遠紅外區(qū)相對應(yīng) 因此 分子的吸收特性強烈的依賴于光波的頻率 大氣中N2 O2 可見光和紅外區(qū)幾乎不表現(xiàn)吸收 遠紅外和微波吸收 大氣中He Ar Xe O3 Ne等 可見光和近紅外有吸收譜線 大氣中的含量甚微 不考慮吸收 在高空處 其余衰減因素都已很弱 吸收作用 大氣中H2O和CO2分子 特別是H2O分子在近紅外區(qū)有寬廣的振動 轉(zhuǎn)動及純振動結(jié)構(gòu) 因此是可見光和近紅外區(qū)最重要的吸收分子 表1 可見光和近紅外區(qū)主要吸收譜線 表1 可見光和近紅外區(qū)主要吸收譜線 對某些特定的波長 大氣呈現(xiàn)出極為強烈的吸收 光波幾乎無法通過 根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性 一般把近紅外區(qū)分成八個區(qū)段 將透過率較高的波段稱為 大氣窗口 在這些窗口之內(nèi) 大氣分子呈現(xiàn)弱吸收 目前常用的激光波長都處于這些窗口之內(nèi) 大氣分子散射 大氣中總存在著局部的密度與平均密度統(tǒng)計性的偏離 密度起伏 破壞了大氣的光學均勻性 一部分輻射光會向其他方向傳播 從而導致光在各個方向上的散射 在可見光和近紅外波段 輻射波長總是遠大于分子的線度 這一條件下的散射為瑞利散射 瑞利散射光的強度與波長的四次方成反比 波長越長 短 散射越弱 強 由于分子散射波長的四次方成反比 波長越長 散射越弱 波長越短 散射越強烈 故可見光比紅外光散射強烈 藍光又比紅光散射強烈 在晴朗天空 其他微粒很少 因此瑞利散射是主要的 又因為藍光散射最強烈 故明朗的天空呈現(xiàn)藍色 3 大氣氣溶膠的衰減 大氣氣溶膠 大氣中有大量的粒度在0 03 m到2000 m之間的固態(tài)和液態(tài)微粒 它們大致是塵埃 煙粒 微水滴 鹽粒以及有機微生物等 由于這些微粒在大氣中的懸浮呈膠溶狀態(tài) 所以通常又稱為大氣氣溶膠 氣溶膠對光波的衰減包括氣溶膠的散射和吸收 當光的波長相當于或小于散射粒子尺寸時 即產(chǎn)生米 德拜散射 米 德拜散射則主要依賴于散射粒子的尺寸 密度分布以及折射率特性 與波長的關(guān)系遠不如瑞利散射強烈 可以近似認為與波長無關(guān) 氣溶膠微粒的尺寸分布極其復雜 受天氣變化的影響也十分大 表2 2霾 云和降水天氣的物理參數(shù) 霧和霾 霾 也稱灰霾 煙霞 空氣中的灰塵 硫酸 硝酸 有機碳氫化合物等粒子也能使大氣混濁 視野模糊并導致能見度惡化 如果水平能見度小于10000米時 將這種非水成物組成的氣溶膠系統(tǒng)造成的視程障礙稱為霾 Haze 或灰霾 Dust haze 香港天文臺稱煙霞 Haze 霧 霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng) 是近地面層空氣中水汽凝結(jié) 或凝華 的產(chǎn)物 霧的存在會降低空氣透明度 使能見度惡化 如果目標物的水平能見度降低到1000米以內(nèi) 就將懸浮在近地面空氣中的水汽凝結(jié) 或凝華 物的天氣現(xiàn)象稱為霧 Fog 而將目標物的水平能見度在1000 10000米的這種現(xiàn)象稱為輕霧或靄 Mist 1 相對濕度 水分含量達到90 以上的叫霧 水分含量低于80 的叫霾 80 90 之間的 是霧和霾的混合物 但主要成分是霾 2 能見度 如果目標物的水平能見度降低到1千米以內(nèi) 就是霧 水平能見度在1 10千米的 稱為輕霧 水平能見度小于10千米 且是灰塵顆粒造成的 就是霾或灰霾 3 厚度 霧的厚度只有幾十米至200米 霾則有1 3千米 4 顏色 霧的顏色是乳白色 青白色或純白色 霾則是黃色 橙灰色 5 邊緣輪廓 霧的邊界很清晰 過了 霧區(qū) 可能就是晴空萬里 但是霾則與周圍環(huán)境邊界不明顯 霧和霾 2 大氣湍流效應(yīng) 大氣是一種均勻混合的單一氣態(tài)流體 其運動形式分為層流運動和湍流運動 層流運動 流體質(zhì)點做有規(guī)則的穩(wěn)定流動 在一個薄層的流速和流向均為定值 層與層之間在運動過程中不發(fā)生混合 湍流運動 無規(guī)則的漩渦流動 質(zhì)點的運動軌跡很復雜 既有橫向運動 也有縱向運動 空間每一點的運動速度圍繞某一平均值隨機起伏 慣性力與此氣體容積邊界上所受的粘滯力之比超過某一臨界值時 有規(guī)則的層流運動就會失去 其穩(wěn)定性而過渡到不規(guī)則的湍流運動 這一比值就是表示流體運動狀態(tài)特征的雷諾數(shù)Re 為流體密度 kg m3 l為某一特征線度 m vl為在l上速度變化量 m s 為流體粘滯系數(shù) kg m s 雷諾數(shù)Re是一個無量綱的數(shù) 當Re小于臨界值Recr 由實驗測定 時 流體處于穩(wěn)定的層流運動 而大于Recr時為湍流運動 由于氣體的粘滯系數(shù) 較小 所以氣體的運動多半為湍流運動 激光的大氣湍流效應(yīng) 本質(zhì)是激光在折射率起伏場中傳輸時的效應(yīng) 湍流理論表明 大氣速度 溫度 折射率的統(tǒng)計特性服從 2 3次方定律 i分別代表速度 v 溫度 T 和折射率 n r為考察點之間的距離 Ci為相應(yīng)場的結(jié)構(gòu)常數(shù) 單位是m 1 3 通常用折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Ci的數(shù)值大小表征湍流強度 即弱湍流 Cn 8 10 9m 1 3 中等湍流 Cn 4 10 8m 1 3 強湍流 Cn 5 10 7m 1 3 1 大氣閃爍 光束強度在時間和空間上隨機起伏 光強忽大忽小 即所謂光束強度閃爍 大氣閃爍的幅度特性由接收平面上某點光強I的對數(shù)強度方差來表征 式中 可通過理論計算求得 而則可由實際測量得到 一般地 波長短 閃爍強 波長長 閃爍小 當湍流強度增強到一定程度或傳輸距離增大到一定限度時 閃爍方差就不再按上述規(guī)律繼續(xù)增大 卻略有減小而呈現(xiàn)飽和 故稱之為閃爍的飽和效應(yīng) 在弱湍流且湍流強度均勻的條件下 2 光束的彎曲和漂移 在接收平面上 光束中心的投射點 即光斑位置 以某個統(tǒng)計平均位置為中心 發(fā)生快速的隨機性跳動 其頻率可由數(shù)赫到數(shù)十赫 此現(xiàn)象稱為光束漂移 若將光束視為一體 經(jīng)過若干分鐘會發(fā)現(xiàn) 其平均方向明顯變化 這種慢漂移亦稱為光束彎曲 光束彎曲漂移現(xiàn)象亦稱天文折射 主要受制于大氣折射率的起伏 彎曲表現(xiàn)為光束統(tǒng)計位置的慢變化 漂移則是光束圍繞其平均位置的快速跳動 3 空間相位起伏 如果不是用靶面接收 而是在透鏡的焦平面上接收 就會發(fā)現(xiàn)像點抖動 這可解釋為在光束產(chǎn)生漂移的同時 光束在接收面上的到達角也因湍流影響而隨機起伏 即與接收孔徑相當?shù)哪且徊糠植ㄇ跋鄬τ诮邮彰娴膬A斜產(chǎn)生隨機起伏 1 何為大氣窗口 試分析光譜位于大氣窗口內(nèi)的光輻射的大氣衰減因素 答 對某些特定的波長 大氣呈現(xiàn)出極為強烈的吸收 光波幾乎無法通過 而對于另外一些波長的光波 幾乎不吸收 根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性 一般把近紅外區(qū)分成八個區(qū)段 將透過率較高的波段稱為大氣窗口 光譜位于大氣窗口內(nèi)的光輻射的大氣衰減因素主要有 大氣分子的吸收 大氣分子散射 大氣氣溶膠的衰減 散射和吸收 2 何為大氣湍流效應(yīng) 大氣湍流對光束的傳播產(chǎn)生哪些影響 答 大氣湍流效應(yīng)是一種無規(guī)則的漩渦流動 流體質(zhì)點的運動軌跡十分復雜 既有橫向運動 又有縱向運動 空間每一點的運動速度圍繞某一平均值隨機起伏 這種湍流狀態(tài)將使激光輻射在傳播過程中隨機地改變其光波參量 使光束質(zhì)量受到嚴重影響 出現(xiàn)所謂光束截面內(nèi)的強度閃爍 光束的彎曲和漂移 亦稱方向抖動 光束彌散畸變以及空間相干性退化等現(xiàn)象 統(tǒng)稱為大氣湍流效應(yīng) 背景2014年6月6日 美國航天局宣布 利用激光束把一段高清視頻從國際空間站傳送回地面 成功完成一種