第二讲光辐射的传播

第二讲光辐射的传播

——光波在大气中的传播二、光波在大气中传播

大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道；

由于大气构成成分的复杂性以及收受天气等因素影响的不稳定性，光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收和散散射会引起的光束能量衰减；空气折射率不均匀会引起光波的振幅和相位起伏；

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，使激光应用中的许多优势不能发挥。激光大气传播特性的研究已成为一个专门的研究领域，我们简要介绍一些激光大气传输的基本概念。

二、光波在大气中传播2.1大气衰减

激光辐射在大气中传播时，部分光辐射能量被吸收而偏离原来的传播方向（即辐射能量空间重新分配），吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。

IIdl图2大气衰减的朗伯定律

上式表明光强随传输距离的增加呈指数规律衰减km和m分别为分子的吸收和散射系数；ka和a分别大气气溶胶的吸收和散射系数。

衰减系数：二、光波在大气中传播(a)大气分子吸收光波在大气中传播时，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，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；分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率；H2O和CO2分子是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素。二、光波在大气中的传播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从表一中不难看出

：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8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。

表一、可见光和近红外区主要吸收谱线二、光波在大气中传播(b)大气分子散射瑞利散射：在可见光和近红外波段，辐射波长总是远大于分子的线度，这一条件下的散射称瑞利散射。瑞利散射定律指出：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，蓝光比红光散射强烈。明朗的天空呈现蓝色？

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。

二、光波在大气中传播(c)大气气溶胶的衰减大气气溶胶：大气中有大量的粒度在0.03m～2000m之间的固态和液态微粒，他们大致是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等，由于这些微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态，所以～。气溶胶对光波的衰减包括气溶胶的散射和吸收。当光波长远大于散射粒子尺寸时，即产生瑞利散射；当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时，即产生米氏散射。瑞利散射与波长有强烈的依赖关系，而米氏散射则主要依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，与波长的关系远不如瑞利散射强烈。气溶胶微粒尺寸分布极其复杂，受天气变化的影响也十分大，不同天气类型的气溶胶粒子密度及线度不同，对气溶胶来说，瑞利散射作用一般不用考虑，主要看米氏散射。

2.2大气湍流效应

大气始终处于一种湍流状态，即大气的折射率随空间和时间做无规则的变化。这种湍流状态将使激光辐射在传播过程中随机地改变其光波参数，出现所谓光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，这些统称为大气湍流效应。二、光波在大气中传播二、光波在大气中传播实验研究：在气体或液体的某一容积内，惯性力与此容积边界上所受的粘滞力之比超过某一临界值时，液体或气体的有规则的层流运动就会失去其稳定性而过渡到不规则的湍流运动，这一比值就是表示流体运动状态特征的雷诺数Re：

式中，ρ为流体密度（kg/（m·s））；l

为某一特征线度（m）；vl为在l量级距离上运动速度的变化量（m/s）；

为流体粘滞系数（kg/ms）。雷诺数Re是一个量纲为1的数。二、光波在大气中传播大气湍流气团的线尺度l有一个上限L0和下限l0，即l0<l<L0，L0和l0分别称为湍流气团的外尺度和内尺度（图-4）。在近地面附近，l0通常是毫米量级，L0则是观察点（如激光传输光路）离开地面高度。

l0图-4二、光波在大气中传播大气湍流运动的结果是使得大气的运动速度、温度、折射率在时间和空间上随机起伏。其中折射率起伏直接影响激光的传输特性。激光的大气湍流效应：指激光辐射在折射率起伏场中传输时的效应。大气湍流理论表明，大气速度、温度、折射率的统计特性服从“2/3次方定律”：其中，i代表v,T,n。D为相应的结构函数，r为观察点间距离。Ci为相应结构常数。大气湍流折射率的统计特性直接影响激光束的传输特性，通常用折射率结构常数Cn的数值大小表征湍流强度，即：弱湍流Cn=810-9m-1/3

中等湍流Cn=410-8m-1/3

强湍流

Cn=510-7m-1/3二、光波在大气中传播大气湍流对光束传播的影响与光束直径dB和湍流尺度l之比密切相关：dB<<l时，湍流的主要作用是使光束整体偏折，在远处接收平面上，光束中心的投射点（即光斑位置）以某个统计平均位置为中心，发生快速的随机性跳动，此现象称为光束漂移。dB≈l时，湍流使光束波前发生随机偏折，在接收平面上形成到达角起伏，致使接收平面透镜的焦平面上产生像点抖动。dB>>l时，光束截面内包含有多个湍流漩涡，每个漩涡各自对照射其上的那部分光束独立地散射和衍射。从而造成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。二、光波在大气中传播（a）大气闪烁

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:在弱湍流且湍流强度均匀的条件下：

二、光波在大气中传播可见，平面波和球面波的闪烁特性除系数值不同外，其规律相同。不同的系数值表明平面波的闪烁比球面波大。但闪烁大小与湍流强度成正比，与波长的7/6次方成反比，与传输距离的11/6次方成正比，即：波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。然而，理论和实验都表明，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，此称之为闪烁的饱和效应。

二、光波在大气中传播（b）

光束的弯曲和漂移

光束弯曲漂移现象也称天文折射，主要受制于大气折射率的起伏。接收平面上，光束中心的投射点（即光斑位置）以某个统计平均位置为中心，发生快速的随机性跳动（其频率可由数赫到数十赫），此现象称为光束漂移。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。

（在中午前后，光束漂移很剧烈，光斑的平均位置却相对稳定；反之，在温度梯度