大气对光衰减

大气分子及悬浮微粒对光束的吸收与散射导致光束能量损失，工程上常称大气衰减。

一、大气吸收

1、分子吸收与大气窗口

对于可见光和红外光来说，分子散射的作用是很小的，但分子的吸收对任一光频段的辐射都是不可忽略的。对于弱吸收，可以把它看作折射率的虚部来计算，但是对于强吸收，在分子吸收谱线附近，吸收随波长的变化而剧烈的变化。

气体分子的大量的吸收谱线组成了谱线群，当谱线十分密集时，可以对光辐射产生连续的吸收，仅在几个波长区中不存在吸收和吸收较弱，形成所谓的“大气窗口”。最重要的吸收窗口有可见光波段，3-5μm波段和8-12μm波段。

图1大气辐射和吸收光谱

图1中表明了主要吸收气体的吸收线(或吸收带)所在位置。大气对激光吸收的主要特点是:激光穿过整层大气时，由于NZ，0:和03等分子的吸收，波长小于0.3μm的紫外光几乎都全部被大气吸收;由于水分子有强的吸收光谱，大于20μm的红外光几乎全部被大气吸收。

表1为气体分子的主要吸收谱线。

表1 可见光和近红外区的主要吸收谱线

从表1可以看出，在可见光区域（0.4-0.76μm）内，只有少量分子存在较弱的吸收线，整个可见光区内激光有较高的透射率;在红外区域(0.8-20μm)内，吸收是由于分子振动和转动吸收光谱振动产生.的，吸收特性较为复杂;红外光波段大气窗口在lμm附近，3-5μm和8-12μm，而这也正是无线激光通信的主要传输波段，至于分子对红外波段的吸收应该从微观角度分析。

2、分子吸收对谱线的加宽

2.1分子吸收对谱线加宽原理

2.1.1自然加宽

每个分子辐射能级都有自然寿命，可用阻尼振子模型分析。自然加宽线型函数为

洛仑兹(Lorentz)线型，其表达式为

2.1.2多普勒加宽

气体分子总是处于无规律的热运动中，‘由于多普勒频移会造成谱线的加宽。从分

子热运动的麦克斯韦分布率得到多普勒加宽的线性函数公式为

2.1.3碰撞加宽

在一定压强下，气体分子因互相碰撞引起寿命缩短和吸光谱线的加宽，称为碰撞加宽。碰撞加宽的线型函数为洛仑兹线型，其表达式为

2.2大气散射

由于照射光振荡电磁波的作用，大气中的气溶胶粒子和大气分子等散射体产生极化而感应出振荡的电磁多极子，这些散射体电磁多极子产生的电磁振荡，并向各个方向辐射出电磁波，形成光散射。与此同时，气溶胶等散射体除使照射光的部分能量散射外，往往还吸收部分照射光能并将其转换为热能等，即散射的吸收效应。

由于大气中存在着各种气体分子和微粒，如尘埃，烟雾等，刮风、下雨、下雪等气象变化使部分光能量被吸收而转变成其他形式的能量(如热能等)，部分光能量被散射而偏离原来的方向(即辐射能在空间的重新分配)，所以散射是引起光衰减的很重要的原因，它分为大气分子引起的散射和大气微粒引起的散射。

2.2.1大气分子引起的反射

由大气分子引起的散射造成的光信号能量的衰减是确定信号畸变的主要原因。当光波在大气中传输的时候，大气分子使光波的传输方向改变导致光在各个方向的散射。在通信窗口，波长总远大于大气分子的线度，根据散射理论，此时的散射为瑞利散射。其体积系数为

由上式可知，分子瑞利散射系数与波长四次方成反比，即波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。

2.2.2大气微粒引起的散射

当激光波长与粒子的尺寸相比拟时，产生米氏散射。由于气溶胶粒子的直径一般在几十微米左右，因此米氏散射理论实际就是对气溶胶粒子散射的一种很好的近似。米氏散射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，其系数；σn为