2.1光波在大气中的传播.ppt

DOWN BACK 光源 传输 2.1 光波在大气中的传播 2.2 光波在电光晶体中的传播 2.3 光波在声光晶体中的传播 2.4 光波在磁光介质中的传播 2.5 光波在光纤波导中的传播 2.6 光波在非线性介质中的传播 2.7 光波在水中的传播 章节内容 主要讲授激光光波在各种介质中的传播规律与分析方法。 1. 基本要求 牢固掌握光波在常见电介质中的传播规律。 2. 重点、难点 重点：光波在大气、电光晶体、声光晶体、和磁光介质中的传播特性 难点：光波在电光晶体和声光晶体的传播特性 知识要点 2.1 光波在大气中的传播 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。 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转变为其他形式的能量 （如热能等） 部分能量被散射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。 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 I I? dl 图2 (1) 假定可以简化为 (2) ?为大气衰减系数（1/km）。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。 因为衰减系数?描述了吸收和散射两种独立物理过程对传播光辐射强度的影响，所以?可表示为 (3) 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。 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。 应用中，衰减系数常用单位为（1/km）或（dB/km）。二者之间的换算关系为 ?(dB/km)=4.343??(1/km) (4) ⑴ 大气分子的吸收 大气分子→极化→受迫振动→吸收。 分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。 极性分子→电子运动\原子振动\转动。 相应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近红外和中红外以及远红外区相对应。 因此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。 大气中N2、O2 →可见光和红外区几乎不表现吸收→远红外和微波吸收。 大气中He，Ar，Xe，O3，Ne等→可见光和近红外有吸收谱线→大气中的含量甚微→不考虑吸收→在高空处，其余衰减因素都已很弱→吸收作用。 大气中H2O和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动-转动及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收分子 表1： 可见光和近红外区主要吸收谱线 吸收分子 主要吸收谱线中心波长(?m) H2O 0.72 0.82 0.93 0.94 1.13 1.38 1.46 1.87 2.66 3.15 6.26 11.7 12.6 13.5 14.3 CO2 1.4 1.6 2.05 4.3 5.2 9.4 10.4 O2 4.7 9.6 表1： 可见光和近红外区主要吸收谱线 吸收分子 主要吸收谱线中心波长(?m) H2O 0.72 0.82 0.93 0.94 1.13 1.38 1.46 1.87 2.66 3.15 6.26 11.7 12.6 13.5 14.3 CO2 1.4 1.6 2.05 4.3 5.2 9.4 10.4 O2 4.7 9.6 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 大气中总存在着局部的密度与平均密度统计性的偏离——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。 波长越长(短)，散射越弱(强) 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