光在大气与水中传播、激光损伤.ppt

1、何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。 [答]：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。而对于另外一些波长的光波，几乎不吸收，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。 光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素主要有：大气分子的吸收、大气分子散射、大气气溶胶吸收和散射造成的衰减 。 问题： 2、何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？ [答]：大气湍流效应是一种无规则的漩涡流动（涡流运动），流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。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量，使光束质量受到严重影响，出现所谓光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。 2.7 光波在水中的传播 水中传播的各种波中，纵波（声波）的衰减最小，声纳技术被广泛采用。而横波（电磁波）衰减比较严重，如无线电波和微波。而光波的衰减较小，激光的出现使水下有限距离内的测距、准直、照明、摄影以及电视等成为可能。 由于水下传输光束特性的影响，这些应用仍受到很大限制，下面就光波在水下传播的一些特点作简略介绍。 1、传播光束的衰减特性 单色平行光束在水中传播的衰减规律： 式中，P和P0为传输距离分别为0和l 时的光功率； ?是包括散射和吸收在内的衰减系数，单位:m-1。 （2.7-1） 衰减系数?不但与水质有关，而且与传播光束的波长有关。 习惯上用衰减长度L0表示水下传播光束衰减的大小，定义为： 光在大气与水中传播、激光损伤 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射会引起能量衰减； 空气折射率不均匀会引起的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。 因此有必要研究和了解激光大气传播特性。 大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。 一、大气衰减 激光辐射在大气中传播时， 1、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）； 2、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）。 大气衰减图示 吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。 (2.1-1) 光强变化的百分比： ? 为大气衰减系数(消光系数，km-1) 传输距离L后的大气透过率（%）用T表示，应为： (2.1-2) 若在 传输距离L上β为常数，则有： 式中，I0和I分别为通过距离L前后的光强。 此式即为描述大气衰减的朗伯定律。 (2.1-3) 上式中衰减系数?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： (2.1-4) 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。 在应用中，衰减系数常用单位为（km-1）或（dB/km），二者之间的换算关系为: 1、大气分子的吸收， km （1）吸收的概念： 吸收电磁辐射是物质的普通性质，是指电磁辐射与物体作用后，转化为物体的内能。根据吸收的强弱和随波长的变化，吸收分为两种： ①一般吸收: 在电磁辐射的整个波段内都有吸收，且吸收率随波长的变化几乎不变的吸收。 ②选择吸收: 在一些波段上吸收很大，而一些波段上吸收很少，即吸收率随波长的变化有急剧变化的吸收。 任何物质对电磁辐射的吸收都由这两种吸收组成，如石英在可见光范围内为一般吸收，在红外波段为选择吸收。 电磁辐射通过介质时，由于介质的吸收作用,强度必然减弱，减弱程度用朗伯定律表示： (2.1-5) 式中ｋm吸收系数，I0为入射辐射强度，Ｉ为吸收后的强度，ｘ为吸收层厚度。 吸收系数ｋm是波长的函数，在一般吸收的波段内，ｋm近似于常数，在选择吸收的波段内，ｋm随波长不同有显著变化。吸收系数ｋm愈大，辐射被吸收的愈强烈。 (2)朗伯定律 朗伯定律表明： 光强随传输距离的增加呈指数规律衰减。 大气的吸收光谱 (3)大气对电磁辐射的吸收 氮N2分子、氧O