光在大氣中的傳播

光在大氣中的傳播姓名：黃彪

專業(yè)班級：2013級光學(xué)工程

一.前言

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(dāng)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。

二.大氣衰減

激光輻射在大氣中傳播時：

部分能量被散射而偏離原來的傳向

部分光輻射能量被吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?/p>

吸收和散射的總效果使傳輸光輻射強度的衰減。如熱能等如輻射能量空間重新分配

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：IIdl為大氣衰減系數(shù)。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。化簡得：分子的吸收系數(shù)分子的散射系數(shù)氣溶膠的吸收系數(shù)氣溶膠的散射系數(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。⑴大氣分子的吸收

大氣分子在光波電場的作用下產(chǎn)生極化，并以入射光的頻率作受迫振動。所以為了克服大氣分子內(nèi)部阻力要消耗能量，表現(xiàn)為大氣分子的吸收。

分子的固有吸收頻率由分子內(nèi)部的運動形態(tài)決定。

吸收分子主要吸收譜線中心波長(m)H2O0.720.820.930.941.131.381.461.872.663.156.2611.712.613.514.3CO21.41.62.054.35.29.410.4O24.79.6

從表不難看出，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)。

⑵大氣分子散射

大氣中總存在著密度起伏，破壞了大氣的光學(xué)均勻性，一部分輻射光會向其他方向傳播，從而導(dǎo)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。瑞利散射系數(shù)的經(jīng)驗公式為：

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的概念：是指大氣中有大量的粒度在0.03m到2000m之間的固態(tài)和液態(tài)微粒氣溶膠對光波的衰減

散射吸收

當(dāng)光的波長相當(dāng)于或小于散射粒子尺寸時，即產(chǎn)生米-德拜散射

三.大氣湍流效應(yīng)

通常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(fù)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。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。

在弱湍流且湍流強度均勻的條件下：

一般地，波長短，閃爍強，波長長，閃爍小。當(dāng)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)。2、光束的彎曲和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