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、探測等技術應用通常以大氣為信道；

由于大氣構成成分的復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，大氣氣體分子及氣溶膠的吸收和散散射會引起的光束能量衰減；空氣折射率不均勻會引起光波的振幅和相位起伏；

當光波功率足夠大、持續(xù)時間極短時，非線性效應也會影響光束的特性，使激光應用中的許多優(yōu)勢不能發(fā)揮。激光大氣傳播特性的研究已成為一個專門的研究領域，我們簡要介紹一些激光大氣傳輸的基本概念。

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，部分光輻射能量被吸收而偏離原來的傳播方向（即輻射能量空間重新分配），吸收和散射的總效果使傳輸光輻射強度的衰減。

IIdl圖2大氣衰減的朗伯定律

上式表明光強隨傳輸距離的增加呈指數規(guī)律衰減km和m分別為分子的吸收和散射系數；ka和a分別大氣氣溶膠的吸收和散射系數。

衰減系數：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，大氣分子在光波電場的作用下產生極化，并以入射光的頻率作受迫振動，為了克服大氣分子內部阻力要消耗能量，表現為大氣分子的吸收；分子的吸收特性強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(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

：對某些特定的波長，大氣呈現出極為強烈的吸收。光波幾乎無法通過。根據大氣的這種選擇吸收特性，一般把近紅外區(qū)分成8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，大氣分子呈現弱吸收。目前常用的激光波長都處于這些窗口之內。

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，輻射波長總是遠大于分子的線度，這一條件下的散射稱瑞利散射。瑞利散射定律指出：瑞利散射光的強度與波長的四次方成反比。瑞利散射系數的經驗公式為波長越長，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，藍光比紅光散射強烈。明朗的天空呈現藍色？

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，故明朗的天空呈現藍色。

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～。氣溶膠對光波的衰減包括氣溶膠的散射和吸收。當光波長遠大于散射粒子尺寸時，即產生瑞利散射；當光的波長相當于或小于散射粒子尺寸時，即產生米氏散射。瑞利散射與波長有強烈的依賴關系，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，與波長的關系遠不如瑞利散射強烈。氣溶膠微粒尺寸分布極其復雜，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，對氣溶膠來說，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

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間做無規(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地改變其光波參數，出現所謂光束截面內的強度閃爍、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象，這些統稱為大氣湍流效應。二、光波在大氣中傳播二、光波在大氣中傳播實驗研究：在氣體或液體的某一容積內，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)則的層流運動就會失去其穩(wěn)定性而過渡到不規(guī)則的湍流運動，這一比值就是表示流體運動狀態(tài)特征的雷諾數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量級距離上運動速度的變化量（m/s）；

為流體粘滯系數（kg/ms）。雷諾數Re是一個量綱為1的數。二、光波在大氣中傳播大氣湍流氣團的線尺度l有一個上限L0和下限l0，即l0<l<L0，L0和l0分別稱為湍流氣團的外尺度和內尺度（圖-4）。在近地面附近，l0通常是毫米量級，L0則是觀察點（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動的結果是使得大氣的運動速度、溫度、折射率在時間和空間上隨機起伏。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：指激光輻射在折射率起伏場中傳輸時的效應。大氣湍流理論表明，大氣速度、溫度、折射率的統計特性服從“2/3次方定律”：其中，i代表v,T,n。D為相應的結構函數，r為觀察點間距離。Ci為相應結構常數。大氣湍流折射率的統計特性直接影響激光束的傳輸特性，通常用折射率結構常數Cn的數值大小表征湍流強度，即：弱湍流Cn=810-9m-1/3

中等湍流Cn=410-8m-1/3

強湍流

Cn=510-7m-1/3二、光波在大氣中傳播大氣湍流對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：dB<<l時，湍流的主要作用是使光束整體偏折，在遠處接收平面上，光束中心的投射點（即光斑位置）以某個統計平均位置為中心，發(fā)生快速的隨機性跳動，此現象稱為光束漂移。dB≈l時，湍流使光束波前發(fā)生隨機偏折，在接收平面上形成到達角起伏，致使接收平面透鏡的焦平面上產生像點抖動。dB>>l時，光束截面內包含有多個湍流漩渦，每個漩渦各自對照射其上的那部分光束獨立地散射和衍射。從而造成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。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光強I的對數強度方差來表征:在弱湍流且湍流強度均勻的條件下：

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值不同外，其規(guī)律相同。不同的系數值表明平面波的閃爍比球面波大。但閃爍大小與湍流強度成正比，與波長的7/6次方成反比，與傳輸距離的11/6次方成正比，即：波長短，閃爍強，波長長，閃爍小。然而，理論和實驗都表明，當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，卻略有減小而呈現飽和，此稱之為閃爍的飽和效應。

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（即光斑位置）以某個統計平均位置為中心，發(fā)生快速的隨機性跳動（其頻率可由數赫到數十赫），此現象稱為光束漂移。若將光束視為一體，經過若干分鐘會發(fā)現，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穩(wěn)定；反之，在溫度梯度