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(jí)：2013級(jí)光學(xué)工程

一.前言

大氣激光通信、探測(cè)等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信道。光波在大氣中傳播時(shí)，大氣氣體分子及氣溶膠的吸收和散射會(huì)引起的光束能量衰減，空氣折射率不均勻會(huì)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(shí)間極短時(shí)，非線性效應(yīng)也會(huì)影響光束的特性。

二.大氣衰減

激光輻射在大氣中傳播時(shí)：

部分能量被散射而偏離原來(lái)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(qiáng)度的衰減。如熱能等如輻射能量空間重新分配

設(shè)強(qiáng)度為I的單色光輻射，通過(guò)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(guò)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(qiáng)隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減?；?jiǎn)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(duì)大氣衰減的研究可歸結(jié)為對(duì)上述四個(gè)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(chǎng)的作用下產(chǎn)生極化，并以入射光的頻率作受迫振動(dòng)。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(dòng)形態(tài)決定。

吸收分子主要吸收譜線中心波長(zhǎng)(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(duì)某些特定的波長(zhǎng)，大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)烈的吸收，光波幾乎無(wú)法通過(guò)。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(gè)區(qū)段，將透過(guò)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(zhǎng)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(huì)向其他方向傳播，從而導(dǎo)致光在各個(gè)方向上的散射。在可見(jiàn)光和近紅外波段，輻射波長(zhǎng)總是遠(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(zhǎng)的四次方成反比。瑞利散射系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為：

由于分子散射波長(zhǎng)的四次方成反比。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越弱；波長(zhǎng)越短，散射越強(qiáng)烈。故可見(jiàn)光比紅外光散射強(qiáng)烈，藍(lán)光又比紅光散射強(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：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(duì)光波的衰減

散射吸收

當(dāng)光的波長(zhǎng)相當(dāng)于或小于散射粒子尺寸時(shí)，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(yùn)動(dòng)形式分為層流運(yùn)動(dòng)和湍流運(yùn)動(dòng)。層流運(yùn)動(dòng)：流體質(zhì)點(diǎn)做有規(guī)則的穩(wěn)定流動(dòng)，在一個(gè)薄層的流速和流向均為定值，層與層之間在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生混合。湍流運(yùn)動(dòng)：無(wú)規(guī)則的漩渦流動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡很復(fù)雜，既有橫向運(yùn)動(dòng)，也有縱向運(yùn)動(dòng)，空間每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度圍繞某一平均值隨機(jī)起伏。1、大氣閃爍

光束強(qiáng)度在時(shí)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(duì)數(shù)強(qiáng)度方差來(lái)表征

式中，可通過(guò)理論計(jì)算求得，而則可由實(shí)際測(cè)量得到。

在弱湍流且湍流強(qiáng)度均勻的條件下：

一般地，波長(zhǎng)短，閃爍強(qiáng)，波長(zhǎng)長(zhǎng)，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(shí)，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(guò)若干分鐘會(huì)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