2.1 光波在大氣中的傳播

1、?,光源,傳輸,第二章 光輻射的傳播,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(dǎo)中的傳播 2.6 光波在非線性介質(zhì)中的傳播 2.7 光波在水中的傳播,章節(jié)內(nèi)容,Atmosphere,Electro-optic Crystal,Acousto-optic Crystal,Mganetic-optic Media,Optical Fiber waveguide,Non-linear Media,Water,主要講授光輻射在各種介質(zhì)中的傳播規(guī)律與分析方法。 1. 基本要求 光波在大氣、電光晶體、聲

2、光晶體、磁光介質(zhì)、光纖波導(dǎo)、非線性介質(zhì)和水中的傳播特性 2. 重點(diǎn)、難點(diǎn) 重點(diǎn)：電光晶體的折射率橢球法、 聲光晶體的布拉格衍射、 光纖波導(dǎo)內(nèi)的傳播,知識要點(diǎn),2.1 光波在大氣中的傳播,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。,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

3、果使傳輸光輻射強(qiáng)度的衰減。,設(shè)強(qiáng)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(qiáng)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,(2.2-1),假定可以簡化為,(2.2-2),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(qiáng)隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減。,因?yàn)樗p系數(shù)描述了吸收和散射兩種獨(dú)立物理過程對傳播光輻射強(qiáng)度的影響，所以可表示為,(2.2-3),km和m分別為分子的吸收和散射系數(shù)；ka和a分別大氣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。,應(yīng)用中，衰減系數(shù)常用單位為（1/km）

4、或（dB/km）。二者之間的換算關(guān)系為,(dB/km)=4.343(1/km),(2.2-4), 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(yùn)動形態(tài)決定。 極性分子的內(nèi)部運(yùn)動一般有分子內(nèi)電子運(yùn)動、組成分子的原子振動以及分子繞其質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動組成。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(yuǎn)紅外區(qū)相對應(yīng)。 因此，分子的吸收特性強(qiáng)烈的依賴于光波的頻率。,大氣中N2、O2分子雖然含量最多（約90%），但它們在可見光和紅外區(qū)幾乎不表現(xiàn)吸收，對遠(yuǎn)紅外和微

5、波段才呈現(xiàn)出很大的吸收。因此，在可見光和近紅外區(qū)，一般不考慮其吸收作用。 大氣中除包含上述分子外，還包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，這些分子在可見光和近紅外有可觀的吸收譜線，但因它們在大氣中的含量甚微，一般也不考慮其吸收作用。只是在高空處，其余衰減因素都已很弱，才考慮它們吸收作用。,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，是晴天大氣光學(xué)衰減的主要因素，它們的一些主要吸收譜線的中心波長如表2-1所示。 表1中對某些特定的波長，大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)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

6、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)。,表1： 可見光和近紅外區(qū)主要吸收譜線,從表1不難看出，對某些特定的波長，大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)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(xué)均勻性，一部分光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

7、是遠(yuǎn)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(qiáng)度與波長的四次方成反比。瑞利散射系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為,波長越長，散射越弱；波長越短，散射越強(qiáng)烈。,光波在遇到大氣分子或氣溶膠粒子等時，便會與它們發(fā)生相互作用，重新向四面八方發(fā)射出頻率與入射光的相同，但強(qiáng)度較弱的光(稱子波)，這種現(xiàn)象稱光散射。子波稱散射光，接受原入射光并發(fā)射子波的空氣分子或氣溶膠粒子稱散射粒子。當(dāng)散射粒子的尺度遠(yuǎn)小于入射光的波長時(例如大氣分子對可見光的散射)，稱分子散射或瑞利散射，散射光分布均勻且對稱。,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(qiáng)烈。故可見光比紅外光散射強(qiáng)烈，藍(lán)光又比紅光散射

8、強(qiáng)烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因?yàn)樗{(lán)光散射最強(qiáng)烈，故明朗的天空呈現(xiàn)藍(lán)色。,（3）大氣氣溶膠的衰減,大氣氣溶膠的概念：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(jī)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(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。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(yuǎn)不如瑞利散射強(qiáng)烈（可以近似認(rèn)為與波長無關(guān)）。,氣溶膠微粒的尺寸分布極其復(fù)雜，受天氣變化的影

9、響也十分大，不同天氣類型的氣溶膠粒子的密度及線度的最大值列于表2中。,表2-2 霾、云和降水天氣的物理參數(shù),二. 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(yùn)動形式分為層流運(yùn)動和湍流運(yùn)動。 層流運(yùn)動：流體質(zhì)點(diǎn)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(yùn)動過程中不發(fā)生混合。,湍流運(yùn)動：無規(guī)則的漩渦流動，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡很復(fù)雜，既有橫向運(yùn)動，也有縱向運(yùn)動，空間每一點(diǎn)的運(yùn)動速度圍繞某一平均值隨機(jī)起伏。,在氣體或液體的某一容積內(nèi)，慣性力與此容積邊界上所受的粘滯力之比超過某一臨界值時，液體或氣體的有規(guī)則的層流運(yùn)動就會失去其穩(wěn)定性而過渡到不規(guī)則的湍流運(yùn)動，這一比值就是表示流

10、體運(yùn)動狀態(tài)特征的雷諾數(shù)Re：,(2.2-9),式中， 為流體密度（kg/m3）；l為某一特征線度（m） vl為在 l量級距離上運(yùn)動速度的變化量（m/s）； 為流體粘滯系數(shù)（kg/ms）。雷諾數(shù)Re是一個無量綱的數(shù)。,當(dāng)Re 小于臨界值Recr（由實(shí)驗(yàn)測定）時，流體處于穩(wěn)定的層流運(yùn)動，而大于Recr時為湍流運(yùn)動。由于氣體的粘滯系數(shù) 較小，所以氣體的運(yùn)動多半為湍流運(yùn)動。,激光的大氣湍流效應(yīng)，實(shí)際上是指激光輻射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”,式中，i分別代表速度（v）、溫度（T）和折射率（n）； r為考察點(diǎn)之間的距離；Ci為相應(yīng)場

11、的結(jié)構(gòu)常數(shù)，單位是m-1/3。,(2.2-10),大氣湍流折射率的統(tǒng)計特性直接影響激光束的傳輸特性，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(qiáng)度，即弱湍流：Cn =810-9m-1/3，中等湍流： Cn =410-8m-1/3 ，強(qiáng)湍流： Cn =510-7m-1/3,1、 大氣閃爍,光束強(qiáng)度在時間和空間上隨機(jī)起伏，光強(qiáng)忽大忽小，即所謂光束強(qiáng)度閃爍。,大氣閃爍的幅度特性由接收平面上某點(diǎn)光強(qiáng)I的對數(shù)強(qiáng)度方差來表征,(2.2-11),式中， 可通過理論計算求得，而 則可由實(shí)際測量得到。,一般地，波長短，閃爍強(qiáng)，波長長，閃爍小。當(dāng)湍流強(qiáng)度增強(qiáng)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

12、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(qiáng)度均勻的條件下：,(2.2-12),2、 光束的彎曲和漂移,在接收平面上，光束中心的投射點(diǎn)（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(jī)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(diǎn)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(dá)角也因湍流影響而隨機(jī)起伏，即與接收孔徑相當(dāng)?shù)哪且徊糠植ㄇ跋鄬τ诮邮彰娴膬A斜產(chǎn)生隨機(jī)起伏。,作業(yè)：P73， 2.1、 2.2,1. 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(qiáng)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 。,