光在超声速湍流边界层中的传输
光在湍流大气中的传播
大 气 端 流
大气的随机运动造成了大气湍流，其主要起因是地球表 面对气流拖曳造成的风速剪切、太阳辐射对地球表面不 同位置加热的差异或地表热辐射导致的热对流、包含热 量释放的相变过程造成的温度和速度场的改变等。
2.1大气折射率和湍流的影响
光波在大气中传播所呈现的一切性质的改变来 源于空气折射率的影响。空气的折射率由空气 的密度决定。空气主要的变化因素是水汽和二 氧化碳。对空气折射率的研究，目前通用的计 算空气折射率的公式是基于 Edlén 和 Ciddor 的结果.
3.1强度起伏(大气闪烁)
激光束通过有湍流的大气传输时,其强度、相 位和传输方向会受到扰动而出现相应的随机 变化,当光束截面内包含许多瑞流涡旋,引起光 束强度起伏、相位起伏和光束扩展。
3. 2激光束的漂移
湍流大气中光斑的形变特征最为常见的是光斑漂 移. 顾名思义，漂移反映了光斑空间位臵的时间 变化. 光斑漂移对激光在大气中的工程应用，如 光学跟踪系统，具有重要的影响 .
三. 激光在大气端流中的传播
激光是20 世纪最伟大的发明之一. 激光的高相 干度、高亮度、强方向性是普通光源无法比拟 的优点，它在各个学科与技术领域的应用无所 不在、与日俱增. 但当激光在大气中长距离传 播时，由于大气的影响，相干度、亮度会下降， 光束会发散、抖动，当然还有许多物理上的性 质要改变，激光的优点被大大消蚀. 因此， 要 充分发挥激光的优势，必须了解大气湍流对激 光的影响.
(l0 L L0 ) ( L L0 ) (l0 L L0 ) ( L L0 )
对平面波
对球面波
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。
大气湍流中的激光传输
使用适应性强的接收器
要点一
总结词
使用适应性强的接收器可以捕获更多信号，降低噪声和干 扰。
要点二
详细描述
在湍流大气中，光束的形状和强度可能会快速变化。因此 ，使用适应性强的接收器非常重要。这种接收器能够快速 响应光束的变化，并捕获更多的信号能量。此外，接收器 还应具有较低的噪声和干扰水平，以提高信号检测的准确 性。通过结合适应性强的接收器和适当的信号处理技术， 可以进一步改善激光传输的性能，提高通信和探测系统的 可靠性。
激光遥感技术能够实现高分辨率、高精度的目标成像，为地理信 息获取、资源调查等领域提供支持。
穿透性强
激光的波长较短，能够穿透一定厚度的云层和植被，因此在气象预 报、森林防火等领域有广泛应用。
实时监测
激光遥感技术能够实现实时、动态的目标监测，为灾害预警、环境 保护等领域提供及时的信息支持。
THANK YOU
大气湍流的特性
总结词
大气湍流的特性包括随机性、非线性和尺度变化等。
详细描述
大气湍流的随机性表现在流场中各点的速度和方向都是随机的，无法预测下一个时刻的状态。非线性则是指湍流 中各种物理量之间的相互作用是非线性的，导致流场的复杂性和混沌性。此外，大气湍流还具有尺度变化的特性， 从小尺度到大气边界层，湍流的作用范围广泛。
04
大气湍流中激光传输的改善方 法
提高激光功率
总结词
提高激光功率可以增强信号强度，减少 因大气湍流引起的信号衰减。
VS
详细描述
通过使用更高功率的激光器，可以增加信 号的能量，从而提高在湍流大气中传输的 信号强度。这有助于克服湍流引起的光束 漂移和扩展，降低误码率，提高通信和探 测系统的性能。
优化光学系统设计
光在湍流大气中的传播综述
谢谢！
3. 3 激光束的扩展
湍流大气中传播的激光光斑在时刻漂移着， 如果我们长时间观测（或观察光斑的长曝 光照片），因光斑漂移引起的累加效果会 形成比瞬时光斑（短曝光光斑）大得多的 弥散斑，这通常称为长时扩展. 而湍流大气 的影响也会使激光束的瞬时光斑扩大，通 常称为短时扩展.
四 结论
大气中的湍流对激光束的影响占突出地位, 重点介绍瑞流作用下的激光的三种物理现 象即强度起伏(大气闪烁),光束漂移和扩展。 实现激光在大气中的更好应用，这些问题 是急需解决的
2.2 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。大气闪烁就是由湍流 漩涡引起的
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
I2 [ln(I / I 0 )]2 4[ln(A/ A0 )]2 4 2
2 2 式中， 可通过理论计算求得，而 I 则可由
三. 激光在大气端流中的传播
激光是20 世纪最伟大的发明之一. 激光的高相 干度、高亮度、强方向性是普通光源无法比拟 的优点，它在各个学科与技术领域的应用无所 不在、与日俱增. 但当激光在大气中长距离传 播时，由于大气的影响，相干度、亮度会下降， 光束会发散、抖动，当然还有许多物理上的性 质要改变，激光的优点被大大消蚀. 因此， 要 充分发挥激光的优势，必须了解大气湍流对激 光的影响.
2.4 湍流大气中的光传播现象
当光在湍流大气中传播时，大气湍流造成的折射率的起 伏导致激光波阵面的畸变，破坏了光的相干性. 而相干性 的退化将严重削弱光的光学质量，引起光线的随机漂移、 光能量在湍流大气中的传播光束截面上的重新分布（畸 变、展宽、破碎等）、光实际传播路径长度的起伏、一 定接收面积上光强起伏等.
光在湍流大气中的传播
三. 激光在大气端流中的传播
激光是20 世纪最伟大的发明之一. 激光的高相 干度、高亮度、强方向性是普通光源无法比拟 的优点，它在各个学科与技术领域的应用无所 不在、与日俱增. 但当激光在大气中长距离传 播时，由于大气的影响，相干度、亮度会下降， 光束会发散、抖动，当然还有许多物理上的性 质要改变，激光的优点被大大消蚀. 因此， 要 充分发挥激光的优势，必须了解大气湍流对激 光的影响.
光束漂移在接收平面上光束中心的投射点即光斑位臵以某个统计平均位臵为中心发生快大气中传播时大气湍流造成的折射率的起伏导致激光波阵面的畸变破坏了光的相干性
光在湍流大气中的传播
姓 名：
XX
专业班级：2015级 xxxx
一.前言
大气湍流引起的折射率随机起伏 将导致激光束光场的随机变化， 它会严重限制不同光学工程系统 的使用性能，甚至决定光学工程 系统的技术可行性。因此，研究 光在大气传输湍流效应具有重要 的理论和应用意义。
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
I2 [ln(I / I 0 )]2 4[ln(A/ A0 )]2 4 2
2 2 式中， 可通过理论计算求得，而 I 则可由
实际测量得到。
在弱湍流且湍流强度均匀的条件下：
2 1.23Cn (2 )6/7 L11/6 2 6/7 11/6 12.8 C (2 ) L n 2 2 I 4 2 6/7 11/6 0.496Cn (2 ) L 2 6/7 11/6 1.28 C (2 ) L n
谢谢！
(l0 L L0 ) ( L L0 ) (l0 L L0 ) ( L L0 )
对平面波
大气湍流中的激光传输
I cn
1 n
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i 1
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i
若各束光的起伏互不相关，且假定每束光光强的起伏方差为σI2，则有：
1 2 I n
2 nI
即n束互不相关的光叠加后所形成的对数光强起伏方差与单束 光的对数光强起伏方差相比方差减小了n倍。
多光束传输对光强起Байду номын сангаас和光束漂移的改善
对于利用多光束客服光束漂移方面，采用多光束之后，即使有部分光超出了接收 探测器的范围，由于光束之间互不相关，其余的光束也有可能进入探测器范围内， 进而减少光束漂移带来的负面影响。如果n束参数相同的光经过湍流之后传输到目 标面上，n束光所形成的光斑的重心为各束光各自光斑重心的叠加：
大气湍流中的激光传输
xXXXXXXXXX
背景和意义
由于激光特有的高强度、高单色性、高相干性、高方向性等 诸多特性，因此在激光通信中有着容量更大、波束更窄、增益 更高、抗干扰性更强和保密性更好等优点。 近年来，激光的近地应用，如激光通讯、激光测距、激光制导、 激光雷达等，已得到了很好的发展。
但大气湍流引起的折射率随机起伏导致激光束光场的随机变 化，严重限制了不同近地激光工程系统的使用性能。
1 n xcn xci n i 1
若各束光的漂移互不相关，并且假设每束光的光斑重心漂移的方差为σρ2，则n束 光叠加之后的光束漂移方差：
n 1 2 n2 n i 1
即n束漂移互不相关的光叠加后所形成的光斑重心漂移与单束光的光斑重心漂移相 比，方差减小了n倍。
多光束传输的数值模拟
3
光束漂移
主要起因于大尺度涡旋折射率的作用。 如果在接受平面上，取一个足够 短的观察时间，我们可以看到一个直径为ρs的被加宽的光斑被折射而偏离 了一个距离ρc。
第二章 光在湍流大气中传输的理论概述
2.1 大气折射率在光学频率范围内，对流层（高度<17km）中的地球大气的空气折射率表示如下：n=1+77.6（1+7.52×10-3λ-2）（p/T）×10-6 （2.1）式中，p是以mbar为单位的大气气压，T是热力学温度，λ是以μm为单位的光波波长，由于地面上温度对n1（r）的贡献＜1%，故（2.1）式中忽略了与水汽压相关的项，当然这一项对水上传播光路是不可忽略的。
2. 2 大气湍流描述自然界中的流体运动存在着二种不同的形式：一种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象；另一种是湍流，看上去毫无规则，显得杂乱无章。
例如，如果流体以一定的速度流过一个管子，我们可以用带颜色的染料对它进行观察，在流体速度低的时候，流线光滑面清晰，流体处于层流状态；不断增加流体速度，当流速达到一定值时，流线就不再是光滑的了，整个流体开始作不规则的随机运动，流体处于湍流状态。
自从1883 年Reynolds 做了著名的湍流实验以来，以Monin-Obukhov 提出的相似理论、Deardorff 提出的大涡模拟、美国Kansas 州观测实验等为代表，大气湍流的研究已经取得了很大的进展和丰硕的成果，并在天气、气候研究和工程实际中获得成功地应用。
湍流对大气中声、光和其它电磁波的传播具有极为重要的影响，例如湍流风速、温度和湿度的脉动都会引起声音散射和减弱，大气小尺度光折射率的起伏(称为光学湍流)，会严重影响光的传播和光学成像的质量等等。
长期以来，以Tatarskii 的工作为代表，声光电传播的湍流效应大都是按照Kolmogorov 的均匀、平稳和各向同性假设处理的，而实际的湍流经常不满足这些假设，要建立更加完善的波动传播模型就必须考虑湍流的各向异性、以及间歇性的影响。
2. 3 折射率湍流模型在湍流大气中，折射率在不同地点、不同时刻都是变化的。
一方面，我们还不可能对这些变化作出预测；另一方面，即使已知这些变化，要对所有时刻、所有地点的值作出描述实际上也是不可能的。
第四章 光在湍流大气中的传输时光强起伏分析
4.1 光强起伏（光闪烁）的定义及基本描述光强起伏（光闪烁）是大气湍流导致的最常见且最明显的光传输效应之一，激光在湍流大气中传输时其光强随时间变化而产生随机起伏的现象被称作为光强起伏（光闪烁），其原因是大气折射率起伏在导致传输激光相位变化的同时，也导致了传输激光的振幅起伏，进而产生散射强度起伏现象，更进一步的原因可认为是由同一光源发出的通过略微不同路径的光线之间的随机干涉所造成。
经典理论认为：光闪烁由尺寸比光束直径小的大气湍流引起，它与湍流的内尺度、外尺度、结构常数及传输距离等因素有关，其幅度特性由接受平面上光强的对数强度方差σI2来表征：σI2=I2−I2I2（4.1）光束在湍流大气中传输时，对数振幅满足正态分布，振幅对数满足χ定义为：χ≡ln（A/A0），其中，A为在湍流中传播时实际的光波振幅，A0为未经过湍流扰动的振幅。
设一对数正态分布为高斯随机变量（对数正态分布密度函数具有三个相对读了的参数：χ、σx、I0），其中对数振幅χ的均值为χ，标准偏差为σx，则其概率密度分布函数为：pχΧ=2πσ −χ−χ2σχ（4.2）其振幅A=A0 expχ。
引入概率变换：p A A=pχΧ=ln A dχdA ,dχdA=1A（4.3）则振幅的概率密度函数为：p A A=2πσA exp −12σχ2ln AA0−χ2，A≥0（4.4）闪烁起伏概率分布满足对数正态分布的物理意义是：光场u=u0expχ+jsδ中χ是大量独立前向散射元的和，由中心极限定理可知χ服从正态分布。
4.2 光强闪烁的日变化大气的湍流运动导致信道上折射率的不均匀起伏，引起光强起伏，表征光强起伏强弱程度的主要特征量是对数光强起伏方差。
它的定义：σln I2=ln I I0−ln I I02（4.5）其中ln I为瞬时光强的对数值：ln I为平均光强的对数值。
在较好的天气下，光强起伏值从太阳出来后开始上升，到中午达到最强，视观察距离的不同起伏值也不同，如果距离很长，起伏值趋于一条直线，达到“饱和”。
光的传播的原理及原理
光的传播的原理及原理光的传播原理是指光在空间中的传播过程以及相应的规律和原理。
光的传播是一种电磁波的传播，其主要特点是速度快、方向性强、可以直线传播、对物体有反射、折射、透射等现象。
光的传播原理涉及到光的波动性和粒子性两个方面。
光的传播原理可以从两个角度来阐述：光的电磁波动性和光的粒子性。
首先是光的波动性。
光是以电磁波的形式传播的，具有波动性。
根据麦克斯韦方程组，光是由电场和磁场组成的电磁波。
光波传播的速度是确定的，即在真空中的光速为常数，约为每秒300,000千米。
光波是横波，振动方向垂直于能量传播的方向。
光波的振幅、波长和频率是光波性质的重要参数。
其中振幅代表波的强度，波长代表波的空间周期，频率代表波的时间周期。
其次是光的粒子性。
光在某些实验现象中表现出粒子性，例如光电效应和康普顿散射。
按照爱因斯坦的光量子假设，光的能量以离散的小包量子（光子）的形式存在。
每一个光子都具有一定的能量和动量，其能量由频率决定，动量由波长决定。
光子具有波粒二象性，即既可以看作波又可以看作微观粒子。
光的传播遵循一些基本的原理和规律。
这些原理和规律包括：1. 光的直线传播：在均匀介质中，光以直线的方式传播。
当光通过改变介质边界进入另一个介质时，会发生折射现象。
2. 光的反射：光在与介质界面接触时，会发生反射。
反射规律由斯涅尔定律描述，即入射角等于反射角。
3. 光的折射：当光从一种介质射入另一种介质时，会发生折射。
折射规律由斯涅尔定律描述，即折射角的正弦与入射角的正弦成反比。
4. 光的散射：光在空气中碰到微小的颗粒或者分子时，会发生散射现象。
散射会使光沿着不同的方向传播，从而产生衍射和光的扩散效应。
5. 光的干涉：当两束相干光相遇时，它们会产生干涉现象。
干涉又分为构造干涉和破坏干涉两种情况。
构造干涉是指两束光波叠加而增强，形成明亮的干涉条纹；破坏干涉则是指两束光波叠加而相互抵消，形成暗淡的干涉条纹。
6. 光的衍射：当光通过一个狭缝或者障碍物时，会发生衍射现象。
大气边界层中的湍流能量传递机制
大气边界层中的湍流能量传递机制大气边界层是地球大气圈中最底部的一层，它与地表直接接触，并且包含了地表至大气上层的过渡区域。
在这个区域内，湍流成为了重要的能量传递机制。
本文将探讨大气边界层中湍流能量传递的机制。
一、大气边界层概述大气边界层是地球上大气圈中最接近地表的一部分，通常高度在数十至数百米。
它的特点是湍流较为活跃，并且存在着明显的热量、动量和湍流能量传递过程。
二、湍流的定义与性质湍流是指流体在不稳定条件下，流速和压力波动产生的不规则运动状态。
湍流具有三个基本性质：不可预测性、不可逆性和能量耗散。
三、湍流能量传递的机制湍流能量传递是指由大气中的湍流运动将能量从一个空间尺度转移到另一个更小或更大的空间尺度。
湍流能量传递的机制主要有两种：级联机制和辐散机制。
1. 级联机制：级联机制是湍流能量从一个空间尺度传递到另一个空间尺度的过程。
在大气边界层中，湍流动量从大尺度下传递到小尺度，并最终以热能形式被耗散。
这个过程中，湍流涡旋会相互作用、合并或分裂，从而实现能量的传递。
2. 辐散机制：辐散机制是湍流能量从小尺度释放到大尺度的过程。
在大气边界层中，湍流会在小尺度上产生湍动能量，并通过湍流辐散将这部分能量传递到大尺度上。
这个过程中，湍流涡旋会扩散或连接，实现能量的传递。
四、湍流能量传递的影响因素湍流能量传递的机制受到多种因素的影响，包括地表粗糙度、大气稳定度、风速等。
1. 地表粗糙度：地表的粗糙度会影响湍流能量传递机制。
较粗糙的地表会增加湍流的能量损耗，使得能量传递到小尺度时更快地耗散。
2. 大气稳定度：大气的稳定度对湍流能量传递有重要影响。
在稳定的大气条件下，湍流能量易于耗散，能量传递的效率较低。
3. 风速：风速是湍流能量传递的重要参数。
较高的风速会增加湍流的活动性，促进能量的传递。
五、湍流能量传递的应用与意义湍流能量传递机制的研究对于气象学、空气污染控制、风能利用等领域具有重要意义。
对湍流能量传递机制的深入理解可以帮助我们更好地预测气象现象，改善空气质量，开发可再生能源。
超声速及高超声速壁板颤振中的湍流边界层效应
振， 湍 流边 界层 效 应 是 必 须 考 虑 的 因素 。
关 键 词 ：壁板 颤振 ； 湍流边界层 ； 计 算 流体 力 学 ； 流固耦合 ； 高 超 声 速 于影 响壁 板颤 振 的 因素 较 复 杂 ， 使得 试 验 条 件难 以
准确 模 拟 。
Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ） 方 程 可 以 获 得 较 准 确 的气 动 力 ， 但该 文计算 最 大 马赫 数 为 ２ ． ４ ， 并 未 考 虑 高 超 声 速 情形 。因此 ， 对 于高超 声 速壁板 颤振 问题 ， 有必 要采
用能 反映 流场粘 性特 征 的 Ｎ－ Ｓ方程 来 开展研 究 。
早在 １ ９ ６ ３年 ， Ｆ ｕ ｎ ｇ就 指 出在 壁 板 颤 振 的诸 多
影 响 因素 中 ， 湍流 边 界层 厚 度 效 应 是计 算 结 果 和试 验 不一 致 的主要原 因ｌ ＿ ５ ］ 。后 来 Ｍｕ ｈ ｌ ｓ ｔ ｅ ｉ ｎ等专 门进
张 兵 ，韩 景 龙 ，钱 凯
（ 南京 航 空 航 天 大 学航 空 宇航 学 院 ， 江苏 南京 ２ １ ０ ０ １ ６ ）
摘要 ： 针 对 长 宽 比为 ０ ． ５的 试 验 壁 板 模 型 ， 采 用 Ｍｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ’ Ｓ Ｓ Ｓ Ｔ 两 方 程 湍 流模 型 ， 通过 Ｃ Ｆ Ｄ ／ Ｃ Ｓ Ｄ耦 合 实 现 超 声 速 及 高 超 声 速 壁 板 颤 振 的 时 域 计算 ， 来 研 究 湍 流 边 界 层 厚 度 对 颤 振 动 压 的 影 响 。分 别 计 算 了 不 同 马 赫 数 下 不 同 边 界 层 厚 度 的 颤 振 动 压 。结 果 表 明 ， 边 界 层 厚 度 在 低 超 声 速 阶 段 对 颤 振 动 压 影 响 显 著 。在 马 赫 数 为 １ ． ２时边 界 层 影 响 达到最大 ， 其结果超过无粘结果 １ ６ ０ ， 计 算 结 果 和 试 验 值 吻合 良好 。随 着 马赫 数 增 加 湍 流 边 界 层 影 响 很 快 降 低 ，
光传输原理
光传输原理
光传输原理是指光信号在光纤中的传输过程。
光传输原理的基础是光的全反射现象和光纤的折射特性。
光的全反射是指当光从一种介质射向另一种光密度较小的介质界面时，若入射角大于一个临界角，则光将完全反射回原介质中。
这一现象被广泛利用在光纤中，使得光信号可以在光纤中反复地进行反射和传播，而不会出现明显的损耗。
光纤的折射特性是指当光从一种介质入射到另一种折射率较大的介质中时，光的传播方向会发生改变。
在光纤中，光信号从光纤的核心向外围传播时，由于光纤的折射率较大，使得光信号总是保持在光纤的核心中传播，而不会泄漏到外部。
基于以上原理，光在光纤中的传输可以实现长距离、快速和高带宽的通信。
光传输的优势主要有两个方面：其一，光传输不受电磁干扰，因此信号传输更加稳定可靠；其二，光传输的信息容量大，能够支持高速数据传输。
总的来说，光传输原理是通过光的全反射和光纤的折射特性，实现光信号在光纤中的长距离传输。
这一原理被广泛应用于光纤通信、光纤传感等领域，为现代通信技术的发展提供了重要支持。
大气湍流中的激光传输课件
主要起因于大尺度涡旋折射率的作用。 如果在接受平面上，取一个足够 短的观察时间，我们可以看到一个直径为 ρs的被加宽的光斑被折射而偏离 了一个距离 ρc。
接受平面上则会观察到一个均方直径为ρL2=ρs2+ρc2的大光斑。称ρs为短期平均 光斑半径，ρL为长期光斑半径，ρc为平均束漂移量。
真空传输2km后的光强分布
◆ 四束原本分开的激光光束 经过一段传输后，其光场会叠 加在一起，使光束间有相互补 偿的可能性，从而降低湍流造 成的影响。
多光束传输的数值模拟
▲ 四光束与单光束光强起伏方差的比较
从图中可看出采用四束激光传输后的光强起伏比单束光又明显减小。
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谢谢大家！
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即n束互不相关的光叠加后所形成的对数光强起伏方差与单束 光的对数光强起伏方差相比方差减小了 n倍。
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多光束传输对光强起伏和光 束漂移的改善
对于利用多光束客服光束漂移方面，采用多光束之后，即使有部分光超出了接收 探测器的范围，由于光束之间互不相关，其余的光束也有可能进入探测器范围内， 进而减少光束漂移带来的负面影响。如果 n束参数相同的光经过湍流之后传输到目 标面上， n束光所形成的光斑的重心为各束光各自光斑重心的叠加：
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若各束光的漂移互不相关，并且之后的光束漂移方差：
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σρ2，则n束
即n束漂移互不相关的光叠加后所形成的光斑重心漂移与单束光的光斑重心漂移相 比，方差减小了 n倍。
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多光束传输的数值模拟
发射处的光强分布 经过Cn2=2x10-17m-2/3真空传输2km后的光强分布 .
光学中的光的传播
光学中的光的传播光学是研究光的产生、传播、相互作用和探测等现象的科学。
光的传播是光学中最基本的概念之一，它探讨了光在不同介质中的传播性质和行为。
在本文中，我们将详细介绍光在光学中的传播原理和相关知识。
1. 光的传播速度光的传播速度是光学中的重要概念之一。
在真空中，光的传播速度是一个常数，约为每秒30万公里，通常表示为c。
在其他介质中，光的传播速度会发生改变，这是由于介质对光的传播产生了阻碍和干扰。
2. 光的传播路径光在传播过程中沿直线路径传播，这称为光的直线传播特性。
这一特性使得光学中的许多光学器件和仪器能够准确地控制和利用光。
3. 光的折射当光从一种介质传播到另一种介质中时，由于介质的光密度不同，光会改变传播方向。
这种现象称为光的折射。
根据斯涅尔定律，光的入射角和折射角之间遵循一定的关系，即 n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂，其中n₁和n₂分别是两种介质的折射率，θ₁和θ₂分别是光的入射角和折射角。
4. 光的反射光在介质的界面上遇到较大光密度变化时，会发生反射现象。
根据反射角等于入射角的原则，光的反射角和入射角相等。
5. 光的散射光在遇到介质内的微小颗粒时会发生散射。
散射使得光无规律地向各个方向传播，这就解释了为什么我们可以看到透明介质中的物体。
6. 光的干涉和衍射光的干涉和衍射是光学中的重要现象。
干涉是指两束或多束光相遇后产生明暗条纹的现象，其本质是光的叠加效应。
衍射是指光通过小孔或细缝时，发生弯曲和扩散的现象。
7. 光的色散光的色散是不同频率的光在介质中传播速度不同而导致的现象。
根据光的波长不同，光在介质中的折射率也会不同，从而导致光的色散现象，如彩虹的产生。
8. 光的吸收和发射当光通过某些介质时，部分光会被介质吸收，转化为其他形式的能量。
相反地，当某些物质暴露在光中时，它们会吸收能量并发出光，这称为光的发射。
结束语光学中的光的传播是光学研究的核心内容之一。
光学科学的发展与应用广泛应用于日常生活中，如光通信、光存储、光学成像等。
大气层中的光的传播与散射机制
大气层中的光的传播与散射机制在我们日常生活中，我们常常看到太阳的光线穿过大气层，照亮了整个地球。
然而，你是否曾想过光是如何在大气层中传播的呢？光的传播与散射机制是一个复杂而有趣的主题，它涉及到物理学、气象学和光学等多个领域。
本文将探讨大气层中光的传播与散射机制的一些基本原理和现象。
首先，我们需要了解光的传播是如何发生的。
光是一种电磁波，它可以在真空中以光速传播。
然而，在大气层中，光的传播受到大气分子的干扰。
大气分子会与光发生相互作用，导致光的传播方向改变。
这种现象被称为散射。
散射现象可以解释为何天空是蓝色的。
当太阳光穿过大气层时，它会与大气中的氮氧等分子发生散射。
这些分子对短波长的光（如蓝色和紫色）更敏感，因此它们会将这些颜色的光散射到各个方向。
而长波长的光（如红色和橙色）则相对较少被散射。
因此，当我们仰望蓝天时，我们看到的是被散射后的蓝色光。
除了散射，大气层中的光还会发生折射。
折射是光线在两种介质之间传播时改变方向的现象。
当光线从一种介质（例如空气）进入另一种介质（例如水或玻璃）时，它的传播速度会改变，从而导致光线的方向发生偏转。
这就是我们常见的折射现象。
折射现象在大气层中也起着重要的作用。
当太阳光穿过大气层时，它会在大气层中不同密度的区域中发生折射。
这种折射现象使得太阳看起来离我们的位置更高，即使它实际上并不是。
这就是为什么太阳在日落或日出时看起来更大的原因。
除了散射和折射，大气层中的光还会发生吸收。
大气层中的一些分子和颗粒物质能够吸收特定波长的光。
这意味着这些波长的光线会被大气层中的物质吸收，而不会到达地面。
这就是为什么一些特定波长的光线在日落时会呈现出红色或橙色的原因，因为这些波长的光线能够逃脱大气层的吸收。
总结一下，大气层中的光的传播与散射机制包括散射、折射和吸收等多种现象。
散射现象解释了天空为什么是蓝色的，折射现象使太阳看起来离我们更高，吸收现象使一些波长的光线被大气层吸收。
这些现象共同作用，使得我们能够看到美丽的日出、日落和蓝天。
光纤通信高速数据传输的原理
光纤通信高速数据传输的原理光纤通信是一种利用光信号传输数据的通信技术，它具有高速、稳定和大容量传输的特点，已经成为现代通信领域的重要组成部分。
本文将详细介绍光纤通信高速数据传输的原理。
一、光纤通信的基本原理光纤通信基于光的全反射原理，利用光信号在光纤内部的传播来实现数据传输。
光纤是一种由特殊材料（通常为石英）制成的细长光导纤维，外层由包层保护。
光纤通信的基本组成部分包括光源、传输介质和光接收器。
光源可以是激光或发光二极管等产生光信号的装置。
数据信号经过调制后驱动光源发出光信号，光信号经过光纤传输到目标地点，再经过光接收器接收并解调恢复为原始数据。
二、光信号的传输过程光信号在光纤内传输的过程主要包括三个步骤：发光、传输和接收。
1. 发光：光源产生的光信号被注入到光纤中，光信号从光纤的一端进入。
2. 传输：光信号在光纤中经过传输，主要通过光的全反射进行。
光纤内部的包层和芯层的折射率不同，使得光信号在芯层内发生全反射，从而保证光信号沿光纤的传输。
3. 接收：光信号到达目标地点后，通过光接收器将光信号转换成电信号。
光接收器一般由光电二极管或光电探测器等组成，它们能够将光信号转化为电信号并进行解调。
三、光纤通信的高速数据传输原理光纤通信的高速数据传输主要依赖于以下几个原理：波分复用、调制解调技术和光放大器技术。
1. 波分复用：波分复用技术是通过将不同频率的光信号合并在一条光纤中进行传输，从而实现多路复用。
这样可以提高光纤的传输能力，实现高速数据传输。
在接收端，利用波分复用分解技术将多路信号解析出来。
2. 调制解调技术：调制解调技术是光纤通信中非常重要的技术，它通过改变光信号的某些特性来实现数据的调制和解调。
常用的调制技术包括振幅调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）等。
解调技术则是将光信号还原成原始数据信号。
3. 光放大器技术：光纤在传输过程中会因为衰减而使信号弱化，光放大器技术可以在光信号传输过程中对信号进行增强。
光学研究中的光传播特性
光学研究中的光传播特性光是一种电磁波，具有波粒二象性。
在光学研究中，光的传播特性是一个重要的研究方向。
光的传播特性涉及到光的传播速度、折射、反射、散射等现象，对于理解光的行为和应用于光学器件设计具有重要意义。
光的传播速度是光学研究中的基本问题之一。
根据麦克斯韦方程组的推导，光在真空中传播的速度是一个常数，即光速，约为每秒300,000公里。
然而，在介质中，光的传播速度会发生变化。
这是因为光在介质中与物质相互作用，被吸收和重新辐射，导致光的传播速度变慢。
这种现象被称为光的折射。
光的折射是光学研究中的重要现象之一。
当光从一种介质传播到另一种介质时，由于介质的光密度不同，光的传播速度也不同，导致光的传播方向发生改变。
这种现象可以通过斯涅尔定律来描述，即入射角和折射角之间满足一定的关系。
斯涅尔定律是光学研究中的基本原理之一，被广泛应用于光学器件设计和光的传播控制。
除了折射，光的传播还涉及到反射和散射。
当光从一个介质传播到另一个介质时，一部分光会被界面反射回原介质，这种现象被称为光的反射。
反射现象在镜子、光学薄膜等器件中得到广泛应用。
另一方面，当光与物体相互作用时，光会被物体的微观结构散射，导致光的传播方向发生改变，这种现象被称为光的散射。
散射现象在大气中的天空、云彩等自然景象中得到广泛观察。
光的传播特性不仅涉及到光的传播速度、折射、反射、散射等现象，还涉及到光的干涉和衍射现象。
干涉是指两束或多束光相互叠加产生明暗条纹的现象。
干涉现象可以用来测量光的波长、介质的折射率等物理量。
衍射是指光通过一个孔或绕过一个障碍物后发生的弯曲现象。
衍射现象可以用来研究光的传播特性和物体的微观结构。
在光学研究中，光的传播特性不仅仅是一种现象的描述，更是一种物理规律的表达。
通过对光的传播特性的研究，可以深入理解光的本质和行为，为光学器件设计和光学应用提供理论基础和指导。
同时，光的传播特性的研究也促进了光学技术的发展和应用的推广。
高速湍流流场气动光学传输效应研究
高速湍流流场气动光学传输效应研究随着科学技术的不断发展，高速湍流流场气动光学传输效应的研究成为了光学领域中一个重要的课题。
本文将针对该课题进行探讨，从不同角度分析高速湍流流场对光学传输的影响及其机理。
我们需要明确高速湍流流场与光学传输之间的关系。
高速湍流流场是指在高速运动过程中，流体流动产生的湍流现象。
而光学传输是指光线在介质中传播的过程。
当光线穿过高速湍流流场时，流场的湍流运动会对光线的传播产生影响，从而导致光学传输的效果发生变化。
在研究中，我们发现高速湍流流场对光学传输的影响主要表现在以下几个方面。
高速湍流流场会引起光线的散射。
湍流流场中的涡旋和涡核会使光线发生随机散射，并改变光线的传播方向和强度。
这种散射效应使得光线在传输过程中失去了原始的方向性，从而影响了成像和通信等光学应用。
高速湍流流场会引起光线的折射。
由于流场中存在的湍流涡旋，光线在穿过流场时会受到湍流涡旋的扰动，从而导致光线的折射率发生变化。
这种折射效应会使光线的传播路径发生曲折和扭曲，进而影响光线的聚焦和成像。
高速湍流流场还会引起光线的吸收和发射。
湍流流场中的湍流能量会被转化为热能，而光线在流场中传播时会受到湍流涡旋的热扰动，从而导致光线被吸收和发射。
这种吸收和发射效应会使光线的能量损失增加，降低光学系统的传输效率。
针对上述影响，研究者们提出了一系列的方法和技术来降低高速湍流流场对光学传输的影响。
其中，一种常用的方法是通过优化光学系统的设计来减小湍流流场的影响。
例如，通过增加光学元件的抗湍流性能，改善光路的布局，优化光学系统的调焦和成像方式等。
此外，还可以采用自适应光学技术和光学探测技术来实时监测和调整光学系统的工作状态，从而对抗湍流流场的干扰。
总结起来，高速湍流流场对光学传输的影响是一个复杂而重要的问题。
通过研究高速湍流流场气动光学传输效应，我们可以更好地理解湍流流场对光学传输的影响机理，并为优化光学系统的设计和应用提供理论基础和实验依据。
光是如何传递的范文
光是如何传递的范文光是一种电磁波，可以传递能量和信息，其传递过程涉及到光的产生、传播和接收。
首先，光的产生是通过激发原子或分子的电子能级跃迁来实现的。
当物体受到外部能量激发时，其原子或分子的电子会跃迁到高能级，然后再回到低能级时会释放出能量。
这个释放能量的过程就是光的产生。
不同物质的电子能级布局不同，因此产生的光的频率和波长也不同。
当光产生后，它会以波的形式向外传播。
光在传播过程中遵循电磁波的传播规律，即速度为光速，并且传播方向垂直于电磁场的方向。
光的传播速度在真空中是最快的，约为每秒30万公里。
当光遇到介质时，如空气、水或透明物体，它会与介质中的分子相互作用，导致传播速度减慢，并且光线偏折和散射。
这也是为什么光在空气中会有明暗不同的原因，如天空之所以是蓝色的，是因为空气中的气体将蓝色光散射到各个方向。
光的传播可以是直线传播，也可以是经过反射、折射等现象进行传播。
当光遇到物体的表面时，根据入射角度和表面的性质，光可以被反射、折射或吸收。
反射是指光线遇到表面后，以相同角度反射回原来的介质；折射是指光线从一种介质进入另一种介质时，由于介质密度不同而改变传播方向；吸收是指光线被物体吸收并转化为其他形式的能量。
光的传播还可以通过光纤来实现。
光纤是一种由纯净的玻璃或塑料制成的细长柔软材料，内部有光学性质使得光能够沿着纤芯中的反射进行传播。
光纤的传播损耗很小，可以将光信号传输到远距离。
这种传输方式被广泛应用于通信、医疗和工业等领域。
最后，当光到达接收器时，通过接收器的装置将光能转化为其他形式的能量或信息。
例如，在光电效应中，光的能量可以使金属表面的电子获得足够的能量跃迁到导体中，从而产生电流。
这种现象被应用于太阳能电池和光电二极管等设备中。
总的来说，光通过电磁波的传播方式传递能量和信息。
它的产生、传播和接收过程涉及到原子或分子的能级跃迁、入射角度、介质特性、光纤传输等因素。
光的传递在现代科学技术和日常生活中得到广泛应用，所以对光的传递过程的研究具有重要意义。
高二物理竞赛课件：光波在大气层中的传播
m 0.827 N A3 / 4 1 / 4
(2 5) 教材有误
m为瑞利散射系数（cm-l）；N为分子数密度（cm-３）； A为分子的散射截面（cm2）；为光波长（cm）。
可见光中蓝光散射最强,故晴朗的天空呈现蓝色
一、大气衰减
I0
I
激光在大气中传播时，吸收
和散射的总效果是使传输光
辐射强度的发生衰减。
L
朗伯定律: 光强随传输距离的增加呈指数规律衰减.
I
I eL 0
T I / I0 e L
(透过率)
(2 2)
透过率：
I0
I
T I / I0 e L (2 2)
L
衰减系数描述吸收和散射两种独立物理过程对传播
但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收。
对He，Ne，Ar，Xe，O3等，大气中的含量甚微， 一般不考虑其吸收作用。
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。
根据大气的这种选择吸收特性，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”。
2 大气分子散射
光接收 关
光发射
光接收 开
光学距离选通示意图
光波在大气层中的传播
本章要求： 1）了解光波在大气、磁光介质、非线性介质和水
中的传播规律性； 2）掌握光波在电光晶体和声光晶体中的传播原理
与规律.
大气激光通信、探测等技术常以大气为信道。大 气成分复杂, 天气多变，使光在大气中传播不稳定： 光束能量衰减——分子及气溶胶的吸收与散射； 振幅和相位起伏——湍流效应。
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场传 输时所受 到 的影 响 ， 以直 观 地分 析流场 的一 些 特征 ， 如 气动 实 验 中利 用 阴影 法 、 可 例 纹影 法 和 全息 照 相
技术 分析流场 的 密度分 布 、 湍流 脉 动 、 波和边 界 层等 ． 文采用 纯数 值 计算 方 式 得 到光 穿越 流 场后 的光 强 激 本 和相 位分布 ， 由此分 析 了高超 声 速平板 湍 流边界 层对 光传 输 的影 响 ， 并 以及流 场所呈 现 的部分特 征 ．
之 处 在 于 这 里采 用 一 阶 迎 风 格 式 得 到 界 面 中 对 流 通 骨 ．
２ 三 线 性 插 值
光 传输 的计 算和 流场 的求 解 对 网 格要 求 是 不 同 的 ， Ｆ 用 ｎ’ 求解光 场采 用 的是均匀 网格 ， 需根 据 光斑 尺 度及 光 的波 长确 且 定 网格 分 布密度 ， 而流 场计 算则 需要 在 近壁 区或 流场 密 度 变化 剧烈 的区域 布置 较细 的 网格 ， 此采 用 两套 不 同 的 网格 分 别计 为
３ｔ ＋ ＋
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［ 稿 日期 ］ ０４ １ １ －［ 回 日期 ］２０ —０ —２ 收 ２０ １ ５ 修 ０５ ５ ０ ［ 金 项 目 ］国 防 科 技 预 研基 金 资 助 项 目 基 ［ 者 简 介 ］陈 勇 （９５一）四 川资 中 ， 士生 。 作 １７ ， 博 土要 从 事 湍 流 模 式 理 论 、 流 计 算 及 气 动 光 学 效应 等 研究 湍
１ 流场 的 控 制 方 程及 求解
直角坐标 系。 法福尔质 量加 权平 均 Ｎ Ｓ 程 形式 为 Ｆ， ．方
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采用 有 限体 积方 法离 散上述 方程组 ， 次离 散后右 端粘 性项 中的一 阶导数 项采 用 中心差 分格式 ， ２ 对 流 一 第 项 项采 用 Ｖ ｎＬｅ 矢通量 分裂方 法 和 Ｍ Ｓ ［三 阶迎 风偏 置格 式得 到 界面 中心对 流通 量 ． 端时 间项 采 用一 阶 ａ ｅｒ Ｕ Ｃ 左 前差 ， 对流项 部 分采用 最大特征 值 分裂 技术 ，Ｄ —Ｇ Ｌ Ｕ Ｓ Ｓ超松 弛迭代 求 解 ， 迭代 松弛参 数本 文取 ＝１２ ．． 为 了提 高对 近壁 区域流 场的 分辨 率 ， 本文 采用 ． ＳＴ两方 程 湍流模 型 Ｓ
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湍 流方 程 的离散采 用 与方 程组 （ ） １类似 的处 理方 式 ， 散后 的七ｘ－ 方程 组 仍采 用 Ｌ ＵＳ Ｓ求 解 ， 同 离 Ｊ － ， ￣ Ｄ ．Ｇ 不
［ 摘
要Hale Waihona Puke 采用数值方法分析超声速 边界层流场对 光传输的影响 ，并根据光波的变化对流场特征进行分析 ．用
法福尔质量加权平 均 Ｎ—ｓ 方程及 两方程 湍流模 型求 解三维超声速平 板湍流边界层流动 ；光在 流场中的传输 采用 傍轴近似光波传输 方程描述 ，用相屏法和快速傅里 叶变换 （ ）技 术求解 ．利用穿 越流场 的光波光强 和相位的 Ｆ
［ 文章 编号 ］ １０—４ Ｘ ２０ ）２００ — ０ １ ６ （０ ６０—２４０ ２ ５
光在 超 声 速 湍 流 边 界 层 中的传 输
， 陈 勇 柳 建 李 树 民 金 钢 ， ，
Ｉ （ ． 国 空气 动 力 研 究 与 发 展 中 心 ， 四 川 绵 阳 ６ １０ ；２ 中 国科 学 院光 电技 术 研 究 所 ， 四川 成 都 １中 ２００ ． ６００ ） １２ ９
起光 的偏折 、 相位 畸变 和能量损 耗 ， 导致 成像模 糊 、 抖动 和偏 移等 ， 使光 束质 量下 降 ， 对光 波的远 距离传 输 、 激
光雷 达 的定位 精度 以及 激光 、 外 等光学 成像 系统 的探 测能 力造 成严 重影 响 ． 红 量化 流场对 于光传 输 的影响 可 以为 此类光学 系统 的设 计提供 必要 的参 考 ， 而对 成 像进 行有 效 的 补偿 和 修正 ． 一 方 面 ， 据 光 波经 过 流 从 另 根
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第 ２期
陈 勇等 ： 光在超声速湍流边界层 中的传输
２５ ０
Ｐ ｎ ． ＝
（） ５
函数 Ｆ 和 Ｆ ． 的表 达式 为
Ｆ ｌ＝ｔ ｈ ａ ｊ ， ａ （ｒ ） ｎ ｇ
Ｆ ２＝ ｔ ｈ ａｇ ） ａ （ ｒ ， ｎ ｎ… （ （ ５０ ）４ ａ２ ） ０ ．ｋ ， ｖ ｐ
改 变 。直 观分 析 光 波 畸 变和 流 场 的部 分 特 征 信 息 ． ［ 关键 词 ］ 超 声 速 流 ； 界 层 ；相 屏 法 ； 波 畸 变 边 光 ［ 图分 类 号 ］ 中 Ｔ ０２ ４６ Ｎ ；０ ３ ４ ［ 文献 标 识 码 ］ Ａ
０ 引言
光 与流场 的相 互作用 随着 激 光 、 外 等光 学 系统 的 广 泛 应用 而 日益 受 到 重视 。 ． 波 通 过 流 场 传播 红 。 光 时， 由于流场 自身 的不 均匀性 ， 例如 激波 、 膨胀波 、 界层 和 湍流等 因 素的存 在 ， 边 会对 光束 的传输 产生影 响 ， 引
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第 ２卷 第２ ３ 期
２０ ０ ６年 ３月
Ｃ Ｎ Ｓ ＯＵ ＡＬ Ｏ Ｏ Ｕ Ａ Ｉ ＡＬ Ｐ ＳＣ ＨＩ Ｅ Ｅ Ｊ ＲＮ Ｆ Ｃ ＭＰ Ｔ Ｔ ＯＮ ＨＹ Ｉ Ｓ
计
算
物
理
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Ｍ丑 ． ０ ６ ｒ ．２ ０