光在大气中的传播

光在大气中的传播姓名：黄彪

专业班级：2013级光学工程

一.前言

大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减，空气折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏；当光波功率足够大、持续时间极短时，非线性效应也会影响光束的特性。

二.大气衰减

激光辐射在大气中传播时：

部分能量被散射而偏离原来的传向

部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量

吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。如热能等如辐射能量空间重新分配

设强度为I的单色光辐射，通过厚度为dl的大气薄层。不考虑非线性效应，光强衰减量dI正比与I及dl，

即dI/I=(I-I)/I=dl积分后得大气透过率：IIdl为大气衰减系数。此描述大气衰减的朗伯定律，表明光强随传输距离的增加呈指数规律衰减。化简得：分子的吸收系数分子的散射系数气溶胶的吸收系数气溶胶的散射系数

对大气衰减的研究可归结为对上述四个基本衰减参数的研究。⑴大气分子的吸收

大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频率作受迫振动。所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。

分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。

吸收分子主要吸收谱线中心波长(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

从表不难看出，对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收，光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为“大气窗口”。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用的激光波长都处于这些窗口之内。

⑵大气分子散射

大气中总存在着密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，一部分辐射光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的散射。在可见光和近红外波段，辐射波长总是远大于分子的线度，这一条件下的散射为瑞利散射。瑞利散射光的强度与波长的四次方成反比。瑞利散射系数的经验公式为：

由于分子散射波长的四次方成反比。波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。故可见光比红外光散射强烈，蓝光又比红光散射强烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因为蓝光散射最强烈，故明朗的天空呈现蓝色。

（3）大气气溶胶的衰减大气气溶胶的概念：是指大气中有大量的粒度在0.03m到2000m之间的固态和液态微粒气溶胶对光波的衰减

散射吸收

当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时，即产生米-德拜散射

三.大气湍流效应

通常大气是一种均匀混合的单一气态流体，其运动形式分为层流运动和湍流运动。层流运动：流体质点做有规则的稳定流动，在一个薄层的流速和流向均为定值，层与层之间在运动过程中不发生混合。湍流运动：无规则的漩涡流动，质点的运动轨迹很复杂，既有横向运动，也有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。1、大气闪烁

光束强度在时间和空间上随机起伏，光强忽大忽小，即所谓光束强度闪烁。

大气闪烁的幅度特性由接收平面上某点光强I的对数强度方差来表征

式中，可通过理论计算求得，而则可由实际测量得到。

在弱湍流且湍流强度均匀的条件下：

一般地，波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。当湍流强度增强到一定程度或传输距离增大到一定限度时，闪烁方差就不再按上述规律继续增大，却略有减小而呈现饱和，故称之为闪烁的饱和效应。2、光束的弯曲和漂移若将光束视为一体，经过若干分钟会发现，其平均方向明显变化，这种慢漂移亦称为。

光束弯曲漂移现象亦称天文折射，主要受制于大气折射率的起伏。弯曲表