第二講光輻射的傳播

第二講光輻射的傳播

——光波在大氣中的傳播二、光波在大氣中傳播

大氣激光通信、探測(cè)等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信道；

由于大氣構(gòu)成成分的復(fù)雜性以及收受天氣等因素影響的不穩(wěn)定性，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)引起光波的振幅和相位起伏；

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，使激光應(yīng)用中的許多優(yōu)勢(shì)不能發(fā)揮。激光大氣傳播特性的研究已成為一個(gè)專門的研究領(lǐng)域，我們簡(jiǎn)要介紹一些激光大氣傳輸?shù)幕靖拍睢?/p>

二、光波在大氣中傳播2.1大氣衰減

激光輻射在大氣中傳播時(shí)，部分光輻射能量被吸收而偏離原來(lái)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(qiáng)度的衰減。

IIdl圖2大氣衰減的朗伯定律

上式表明光強(qiáng)隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減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)。

衰減系數(shù)：二、光波在大氣中傳播(a)大氣分子吸收光波在大氣中傳播時(shí)，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)，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；分子的吸收特性強(qiáng)烈的依賴于光波的頻率；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。二、光波在大氣中的傳播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從表一中不難看出

：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。根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性，一般把近紅外區(qū)分成8個(gè)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(zhǎng)都處于這些窗口之內(nèi)。

表一、可見光和近紅外區(qū)主要吸收譜線二、光波在大氣中傳播(b)大氣分子散射瑞利散射：在可見光和近紅外波段，輻射波長(zhǎng)總是遠(yuǎn)大于分子的線度，這一條件下的散射稱瑞利散射。瑞利散射定律指出：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)公式為波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越弱；波長(zhǎng)越短，散射越強(qiáng)烈。故，可見光比紅外光散射強(qiáng)烈，藍(lán)光比紅光散射強(qiáng)烈。明朗的天空呈現(xiàn)藍(lán)色？

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。

二、光波在大氣中傳播(c)大氣氣溶膠的衰減大氣氣溶膠：大氣中有大量的粒度在0.03m～2000m之間的固態(tài)和液態(tài)微粒，他們大致是塵埃、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～。氣溶膠對(duì)光波的衰減包括氣溶膠的散射和吸收。當(dāng)光波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于散射粒子尺寸時(shí)，即產(chǎn)生瑞利散射；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)生米氏散射。瑞利散射與波長(zhǎng)有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系，而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(zhǎng)的關(guān)系遠(yuǎn)不如瑞利散射強(qiáng)烈。氣溶膠微粒尺寸分布極其復(fù)雜，受天氣變化的影響也十分大，不同天氣類型的氣溶膠粒子密度及線度不同，對(duì)氣溶膠來(lái)說(shuō)，瑞利散射作用一般不用考慮，主要看米氏散射。

2.2大氣湍流效應(yīng)

大氣始終處于一種湍流狀態(tài)，即大氣的折射率隨空間和時(shí)間做無(wú)規(guī)則的變化。這種湍流狀態(tài)將使激光輻射在傳播過程中隨機(jī)地改變其光波參數(shù)，出現(xiàn)所謂光束截面內(nèi)的強(qiáng)度閃爍、光束的彎曲和漂移、光束彌散畸變以及空間相干性退化等現(xiàn)象，這些統(tǒng)稱為大氣湍流效應(yīng)。二、光波在大氣中傳播二、光波在大氣中傳播實(shí)驗(yàn)研究：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(shí)，液體或氣體的有規(guī)則的層流運(yùn)動(dòng)就會(huì)失去其穩(wěn)定性而過渡到不規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng)，這一比值就是表示流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)特征的雷諾數(shù)Re：

式中，ρ為流體密度（kg/（m·s））；l

為某一特征線度（m）；vl為在l量級(jí)距離上運(yùn)動(dòng)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(gè)量綱為1的數(shù)。二、光波在大氣中傳播大氣湍流氣團(tuán)的線尺度l有一個(gè)上限L0和下限l0，即l0<l<L0，L0和l0分別稱為湍流氣團(tuán)的外尺度和內(nèi)尺度（圖-4）。在近地面附近，l0通常是毫米量級(jí)，L0則是觀察點(diǎn)（如激光傳輸光路）離開地面高度。

l0圖-4二、光波在大氣中傳播大氣湍流運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使得大氣的運(yùn)動(dòng)速度、溫度、折射率在時(shí)間和空間上隨機(jī)起伏。其中折射率起伏直接影響激光的傳輸特性。激光的大氣湍流效應(yīng)：指激光輻射在折射率起伏場(chǎng)中傳輸時(shí)的效應(yīng)。大氣湍流理論表明，大氣速度、溫度、折射率的統(tǒng)計(jì)特性服從“2/3次方定律”：其中，i代表v,T,n。D為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)，r為觀察點(diǎn)間距離。Ci為相應(yīng)結(jié)構(gòu)常數(shù)。大氣湍流折射率的統(tǒng)計(jì)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)Cn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-1/3二、光波在大氣中傳播大氣湍流對(duì)光束傳播的影響與光束直徑dB和湍流尺度l之比密切相關(guān)：dB<<l時(shí)，湍流的主要作用是使光束整體偏折，在遠(yuǎn)處接收平面上，光束中心的投射點(diǎn)（即光斑位置）以某個(gè)統(tǒng)計(jì)平均位置為中心，發(fā)生快速的隨機(jī)性跳動(dòng)，此現(xiàn)象稱為光束漂移。dB≈l時(shí)，湍流使光束波前發(fā)生隨機(jī)偏折，在接收平面上形成到達(dá)角起伏，致使接收平面透鏡的焦平面上產(chǎn)生像點(diǎn)抖動(dòng)。dB>>l時(shí)，光束截面內(nèi)包含有多個(gè)湍流漩渦，每個(gè)漩渦各自對(duì)照射其上的那部分光束獨(dú)立地散射和衍射。從而造成光束強(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。二、光波在大氣中傳播（a）大氣閃爍

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:在弱湍流且湍流強(qiáng)度均勻的條件下：

二、光波在大氣中傳播可見，平面波和球面波的閃爍特性除系數(shù)值不同外，其規(guī)律相同。不同的系數(shù)值表明平面波的閃爍比球面波大。但閃爍大小與湍流強(qiáng)度成正比，與波長(zhǎng)的7/6次方成反比，與傳輸距離的11/6次方成正比，即：波長(zhǎng)短，閃爍強(qiáng)，波長(zhǎng)長(zhǎng)，閃爍小。然而，理論和實(shí)驗(yàn)都表明，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，此稱之為閃爍的飽和效應(yīng)。

二、光波在大氣中傳播（b）

光束的彎曲和漂移

光束彎曲漂移現(xiàn)象也稱天文折射，主要受制于大氣折射率的起伏。接收平面上，光束中心的投射點(diǎn)（即光斑位置）以某個(gè)統(tǒng)計(jì)平均位置為中心，發(fā)生快速的隨機(jī)性跳動(dòng)（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(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。

（在中午前后，光束漂移很劇烈，光斑的平均位置卻相對(duì)穩(wěn)定；反之，在溫度梯度