2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：光波在大氣中的傳播

光波在大氣中的傳播

大氣激光通信、探測等技術(shù)常以大氣為信道。大氣成分復(fù)雜,天氣多變，使光在大氣中傳播不穩(wěn)定：光束能量衰減——分子及氣溶膠的吸收與散射；振幅和相位起伏——湍流效應(yīng)。

一、大氣衰減激光在大氣中傳播時，吸收和散射的總效果是使傳輸?shù)墓廨椛鋸?qiáng)度發(fā)生衰減。(透過率)

朗伯定律:

光強(qiáng)隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減.I0ILI0IL透過率：

應(yīng)用中，衰減系數(shù)的常用單位為(1/km)或(dB/km)。二者之間的換算關(guān)系為:

(dB/km)=4.343

(1/km)

衰減系數(shù)

描述吸收和散射兩種獨立物理過程對傳播光輻射強(qiáng)度的影響：

km、

m為大氣分子的吸收、散射系數(shù)；

ka、

a為大氣氣溶膠的吸收、散射系數(shù)。附：

（dB/km）定義：

(dB/km)=4.343

(1/km)

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He，Ne，Ar，Xe，O3等，大氣中的含量甚微，一般不考慮其吸收作用。

H2O和CO2分子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。根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性，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”。1大氣分子的吸收分子的吸收特性強(qiáng)烈依賴于光波的頻率和分子的結(jié)構(gòu).2大氣分子散射

可見光和近紅外光遠(yuǎn)大于大氣分子的線度(1A0)，大氣分子對光產(chǎn)生瑞利散射。瑞利散射光強(qiáng)與波長的四次方成反比。

m為瑞利散射系數(shù)（cm-l）；N為分子數(shù)密度（cm-３）；A為分子的散射截面（cm2）；

為光波長（cm）。

可見光中藍(lán)光散射最強(qiáng),故晴朗的天空呈現(xiàn)藍(lán)色(晴朗天空中其他微粒少，以瑞利散射為主)。教材有誤

為什么不是紫色？——大氣吸收+視見函數(shù)Vλ3大氣氣溶膠的衰減

大氣中的塵埃、煙粒、微水滴、鹽粒以及有機(jī)微生物等微粒，線度在

0.03

m到2000

m之間，這些微粒在大氣中懸浮呈膠溶狀態(tài)，通常稱為大氣氣溶膠。

大氣溶膠對光波的衰減也包括散射和吸收。光的波長相當(dāng)于或小于氣溶膠微粒尺寸，氣溶膠對光產(chǎn)生米氏散射。

米氏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)系較小。大氣始終處于湍流狀態(tài)，即大氣的運動速度、溫度、折射率在時間和空間上隨機(jī)起伏，其中折射率的起伏直接影響激光的傳輸特性。二大氣湍流效應(yīng)

出現(xiàn)光束變形,強(qiáng)度閃爍,光束彎曲和漂移等現(xiàn)象。Lz(k//E//z)x’y’~Vx電場和光波矢均沿Z軸方向，通過電光晶體后產(chǎn)生沿x’和y’偏振的兩個正交分量，它們在晶體內(nèi)傳播L光程分別為nx

L和ny

L，這樣，兩偏振分量的相位延遲分別為：這兩個分量光波穿過晶體后將產(chǎn)生一個相位差：相位差正比于z方向電壓V=EzL。

Lz(k//E//z)x’y’~Vx半波電壓是表征電光晶體性能的一個重要參數(shù)，越小越好。對KDP,V

高達(dá)104V。半波電壓：相位差為

=

（光程差為

/2）時所需要加的電壓，通常以V

或V

/2表示。

相位差又可表示成：

/4波電壓

：相位差為

=/2（光程差為

/4）時所需要加的電壓，通常以V/2或V

/4表示。

晶體上加縱向電壓V=V

/2時，電光晶體相當(dāng)于“1/4波片”，沿x偏振的線偏振光變成圓偏振光(

=45).

當(dāng)外加縱向電壓V=V

，電光晶體相當(dāng)于“半波片”,入射線偏振光出射時仍為線偏振光，但偏振方向相對于入射光旋轉(zhuǎn)了一個2

角（若

=45

，即旋轉(zhuǎn)了90

，所以沿x偏振的線偏振光，出射時沿著y方向）。Lz(k//E//z)x’y’~Vx(k//

y)(E//z)2橫向應(yīng)用：光束的傳播方向與電場方向垂直。沿z向加電場，光沿y

軸傳播，

光矢量與z軸成45

角，進(jìn)入晶體(y

=0)后即分解為沿x

和z方向的兩個垂直偏振分量。傳播距離L后，兩偏振分量的相位延遲為：LVdzy

-x

(K

E//z)LVdzy

-x

這兩個光波穿過晶體后產(chǎn)生相位差：(2-41)橫向運用相位差：在橫向運用時，光波通過晶體后的相位差包括兩項：第一項與外加電場無關(guān)，是由晶體本身自然雙折射引起的；第二項即為電光效應(yīng)相位差。(K

E//z)LVdzy

-x

令第二項電光效應(yīng)相位差為

，得橫向運用半波電壓:結(jié)論：１）橫向運用時，存在自然雙折射產(chǎn)生的固有相位延遲。表明無外加電場時，入射光通過晶體后其偏振態(tài)已改變，且溫度穩(wěn)定性不好，這對光調(diào)制器等應(yīng)用不利，應(yīng)設(shè)法消除或進(jìn)行溫度補(bǔ)償。令第二項電光效應(yīng)相位差為

，得橫向運用半波電壓:結(jié)論：２）橫向運用時，半波電壓與晶體的長寬比(d/L)有關(guān)。因此，增大L或減小d就可大大降低半波電壓。這是橫向運用的優(yōu)點。注：縱向應(yīng)用無自然雙折射引起的相位延遲，但半波電壓大。例題2.4一塊45度-z切割的GaAs晶體，長度為L，電場E沿z方向，求縱向運用時的相位延遲

。（