光在大气中的传播及应用
光的散射现象及应用
光的散射现象及应用光，是我们日常生活中不可或缺的一部分。
它在大自然中呈现出各种奇妙的现象，其中一个鲜为人知却又广泛应用的是光的散射现象。
散射，指的是光线在经过不同介质或物体后改变方向的现象。
当光线与物体碰撞时，它们会与物体表面的分子或粒子发生相互作用，从而改变原来的传播路径。
这种现象并不需要物体吸收或反射光线，而是将光线从原来的传播方向偏离出来。
在大气层中，光的散射现象是普遍存在的。
当白天我们看到的蓝天，实际上就是光在空气中的散射所导致的。
由于空气中的分子比较小，因此它们对短波长的光更加敏感，使得蓝光的散射比其他颜色更为明显。
结果就是我们看到的天空呈现出明亮的蓝色。
而在日落或日出时，太阳的光线需要穿过更长的大气层，因此光线经过散射后的短波长颜色几乎被完全散射掉，只留下了长波长的红光，给人一种温暖的感觉。
除了在自然界中，光的散射现象也被广泛应用在科学和工程领域。
其中一个重要的应用是光散射光度计。
通过测量物质中光的散射情况，可以得到物质的浓度和粒子大小信息。
这种光散射光度计常用于颗粒物的检测和分析，例如大气污染物的监测，水体中微粒的浓度分析等。
通过光散射现象，科学家们能够深入了解物质的特性和组成，为环境保护和资源管理提供有力的依据。
此外，在医学领域中也广泛应用了光散射现象。
光散射技术是一种非侵入性的检测方法，不需要对生物组织或样本进行破坏性操作，因此在临床上应用非常方便。
一种常见的应用是通过测量组织中的光散射来分析其结构和成分。
例如，利用光散射技术可以测量血液中红细胞的浓度和大小，从而诊断出一些血液病变。
通过这种非侵入性的检测方法，医生能够对患者进行准确快速的诊断处理，极大地提高了临床工作效率。
此外，光散射现象还被广泛应用在材料科学和纳米技术领域。
通过利用光的散射特性，科学家们能够研究和设计新型的材料和纳米结构。
例如，利用光散射现象可以提取出材料的粒子大小和形状信息，为制备高性能材料提供重要的参考。
光沿空气传播的例子
光沿空气传播的例子
光在空气中传播是一种常见的现象，而光的传播可以发生在许多情境中。
以下是一些光沿空气传播的例子：
1.阳光穿过大气层：白天，太阳的光线穿过大气层传播到地球表面。
太阳光是由太阳核心的核反应产生的，它在太空中通过空气传播到地球，照亮我们的环境。
2.手电筒的光束：当你打开手电筒时，光线从灯泡中传播到周围的空气中。
这是因为手电筒中的光源（通常是LED或灯泡）发出光线，而这些光线在空气中传播，照亮周围的区域。
3.激光器的激光束：激光器发射的激光是一束高度聚焦的光，它可以在空气中传播。
这种光在空气中传播的能力使激光技术在许多应用中得到了广泛的应用，包括通信、测量和医疗领域。
4.彩虹的形成：当阳光穿过空气中的水滴时，会发生折射和反射，形成彩虹。
彩虹是光在空气和水滴中传播、折射和反射的结果。
这些例子突显了在自然和日常生活中，光在空气中传播的普遍性。
光在空气中的传播是由电磁波理论解释的，光波在真空中的速度大致等于光速，而在空气中也有相似的传播特性。
光在大气中的传播及应用
光在大气中传播及应用大气激光通信、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。
（1）大气分子吸收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。
所以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。
分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。
极性分子的内部运动一般有分子内电子运动、组成分子的原子振动以及分子绕其质量中心的转动组成。
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分子虽然含量最多（约90%），但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。
因此，在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。
大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但因它们在大气中的含量甚微，一般也不考虑其吸收作用。
只是在高空处，其余衰减因素都已很弱，才考虑它们吸收作用。
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，是晴天大气光学衰减的主要因素，它们的一些主要吸收谱线的中心波长如表2-1所示。
表1中对某些特定的波长，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。
大气光学研究及其应用
大气光学研究及其应用第一章：大气光学的基础概念和原理大气光学是研究光在大气中传播和相互作用的科学领域。
它的主要目标是了解和描述大气中光传播的规律，并研究与此相关的各种现象。
大气光学主要包括大气的物理光学性质、大气光传播的过程以及大气光学现象的观测和模拟等方面。
1.1 大气光的特点大气光学研究的对象是经过散射、吸收和折射等过程后的光。
与真空中的光相比，大气光具有以下几个特点：首先，大气光的强度和颜色会随着光的传播路径和观测条件的不同而变化；其次，大气光常常受到大气中的颗粒物和气溶胶的影响，从而产生散射和吸收等现象；第三，大气光在通过大气边界层和大气不稳定层时，会发生弯曲和折射等现象。
1.2 大气光学的基本原理大气光学主要依靠物理光学理论来解释和描述大气光的行为。
物理光学理论认为光受到分子、颗粒物和气溶胶的散射、吸收和折射等过程影响，从而产生了光的传播和变化。
第二章：大气光学的观测和实验方法大气光学的观测和实验方法是研究和评估大气光学现象的重要手段。
通过观测和实验，可以获取有关大气光学的各种数据和信息，用于验证理论和模型的准确性，同时也可以为大气光学的应用提供参考。
2.1 大气光学观测方法大气光学观测方法主要包括地面观测和空中观测两种形式。
地面观测通常使用多种观测设备和仪器，如光度计、光谱仪、光电探测器等，目的是获取大气光学现象的数据和变化趋势。
空中观测则依靠飞行器、卫星和无人机等载体，通过搭载不同类型的传感器和仪器，实现对大气光学现象的探测和记录。
2.2 大气光学实验方法大气光学实验方法主要用于模拟和研究特定的大气光学现象，以验证理论和模型的有效性。
常用的实验方法包括大气光传播模拟实验、光散射实验和大气光学光谱实验等。
这些实验方法可以通过控制实验条件和参数，模拟特定的大气光学情况，来获得更加精确和可靠的实验结果。
第三章：大气光学的应用领域大气光学的研究和应用领域非常广泛，涵盖了许多领域的科学研究和技术应用。
物理学中的大气与环境光学
物理学中的大气与环境光学光是人类生活中不可或缺的一部分，光的传播和作用涉及到许多重要的领域，其中就包括物理学中的大气与环境光学。
大气与环境光学研究的是光在大气中传播的现象和规律，以及大气中的光学效应对我们所见的景象的影响。
在物理学中，大气光学是一个广泛的研究领域，它涉及大气中的散射、吸收、折射等现象。
大气中的颗粒物、气体和水汽等对光的传播起着重要的作用。
大气光学的研究可以帮助我们理解从太阳射入到地球的光线是如何被大气中的颗粒物散射而形成蓝天的，也可以帮助我们解释为什么黄昏时分的太阳会呈现出红色。
大气光学也研究光的传播路径对我们所见景象的影响。
由于大气中的折射和散射，我们在观察远处的物体时会发现它们的位置比实际位置要高一些。
这一现象被称为大气折射。
类似地，太阳的出现和消失也受到大气折射的影响，所以太阳在升起和落下时会呈现出扁平的形状。
另一个与大气光学相关的领域是环境光学。
环境光学研究的是光在各种不同环境中传播时所产生的现象和效应。
这些环境可以包括大气中的尘埃、气体和水蒸气，也可以包括物体表面的反射和折射。
环境光学研究的对象广泛，从天文学到地质学、生物学和工程学等不同领域都有应用。
通过研究大气与环境光学，我们可以更好地理解光的行为和光现象的成因。
这不仅有助于解释日常生活中的光学现象，同时也为一些应用提供了基础。
例如，大气与环境光学在航空、无线通信和大气环境监测等领域都有重要的应用价值。
在航空领域，大气与环境光学研究可以帮助我们了解光的散射和折射对飞行器的可见性和导航的影响。
通过研究大气光学现象，航空工程师可以设计更好的飞行器雷达和光学系统，提高飞行器的安全性和性能。
无线通信是现代社会中不可或缺的一部分，而大气与环境光学的研究对无线通信的传输质量和可靠性有着直接的影响。
了解光与大气中的颗粒物、气体和水汽的相互作用可以帮助我们设计更好的无线信号传输系统，提高通信质量和速度。
大气与环境光学也对大气环境监测有着重要的应用价值。
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.
大气中的光的传播与扩散
大气中的光的传播与扩散在空气中，光可以自由传播。
但是，当光线遇到颗粒物或气体分子时，它就会发生散射，改变原本的方向。
这种现象就叫做大气散射，是大气中光线传播和扩散的重要原因之一。
太阳光是由不同波长的光线组成的，其中包括可见光、紫外线和红外线等。
当这些光线穿过大气时，它们的运动轨迹会受到大气的干扰，发生折射、反射和散射等现象。
因此，我们在日常生活中所看到的太阳光，并不是原本的“样子”。
大气散射的机制有两种。
一种是雷利散射，这是由于空气分子的大小与光的波长相当，在光的入射处会发生弱散射。
因此，在天空中看到的颜色大部分是由于空气分子造成的散射光。
当太阳光穿过大气层时，其短波长成分会受到大气的散射，只有红光可以穿透更深的大气层，因此在日落时会产生赤红色的景色。
另一种散射是非弹性散射，这是由于大气颗粒物的存在而产生的。
这种散射会使原来直线传播的光线改变方向，并形成漫反射光。
这就是为什么当有光照射时，我们可以看到细小颗粒物，例如灰尘和烟雾等。
在气象、环境保护、大气污染监测等领域，大气散射的研究具有重要意义。
例如，在空气污染监测中，大气散射可以控制和量测光的传播，从而精准地测定空气中的污染物质。
此外，大气散射的机制也为天文学提供了一个非常重要的工具，可以通过观测太阳光的散射情况，研究大气的成分和结构。
在我们的日常生活中，大气散射也能带来美丽的景象。
例如，在日出和日落时，我们能看到一片片绚烂多彩的云彩，这是由于大气散射的作用，把太阳光反射、折射、散射形成五彩斑斓的云彩。
另一个例子是，当太阳落山，太阳的光辉会把大气散射成一个亮点，在天空中形成一个美丽的暮光珠。
总之，大气中光的传播和扩散是一个复杂的过程，涉及到多个自然现象和物理规律。
通过对大气散射的了解和研究，我们能够更好地理解和控制光的传播，同时也能欣赏到大自然带给我们的美丽景象。
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。
大气光学知识点总结大全
大气光学知识点总结大全一、大气光学基础知识1. 光的传播特性光在地球大气中的传播受多种因素影响，包括折射、散射、吸收、色散等。
这些影响因素会导致光的传播方向、强度和频谱发生变化，对于光学系统的设计和应用都具有重要意义。
2. 大气介质地球大气是光学器件的一个重要参考介质，其密度、温度、湿度等参数对光学系统的性能有着重要影响。
了解大气介质的特性，对于光学系统的设计和定位至关重要。
3. 光的散射和吸收大气中的气体、气溶胶和云等对光的散射和吸收现象在大气光学中占据着重要位置。
它们会影响光的传播路径和范围，对于气象、环境、通信等方面都有重要意义。
4. 大气透明度大气透明度是指大气对可见光的透射率，它受大气中的气体、颗粒和水汽含量等因素的影响。
了解大气透明度对于天文观测、遥感探测等有着重要的意义。
5. 大气湍流大气湍流是指大气中由温度、密度、风速等不均匀性引起的湍流运动现象。
它会导致大气中的光场发生畸变，对光学系统的分辨率和性能都具有重要影响。
二、大气光学技术与应用1. 大气光学探测技术大气光学探测技术是指利用光学方法对大气进行观测和监测的技术。
包括大气透明度测量、大气散射与吸收特性研究、大气湍流分析等。
这些技术对于气象、环境监测等领域具有重要的应用价值。
2. 望远镜大气校正技术望远镜是天文观测和遥感探测中常用的光学设备，但由于大气的影响，其分辨率和成像质量会受到影响。
大气校正技术是指利用大气光学原理对望远镜成像进行补偿和校正的技术，使得成像质量更加清晰和准确。
3. 大气折射校正技术激光通信、光电远程探测等领域需要通过大气进行信息传输，但由于大气折射效应的影响，光信号会发生偏移和扩散。
大气折射校正技术是指利用大气光学原理对光信号进行校正和补偿的技术，使得光信号传输更加可靠和稳定。
4. 大气光学遥感技术大气光学遥感技术是利用光学方法对大气成分、温度、湿度等参数进行遥感探测的技术。
包括红外遥感、紫外遥感、光谱遥感等方法，对于环境、气象、气候等领域都有着重要的应用价值。
光在大气中的传播
从表不难看出，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。
二. 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向
如辐射能量空间 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：
1、 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。
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。 ⑴ 大气分子的吸收
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。所以为了克服大气 分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸 收。 分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态 决定。
吸收 分子 H2 O CO2 O2
主要吸收谱线中心波长(m)
光的直线传播例子
光的直线传播例子光是一种电磁波，具有波动性和粒子性。
在真空中，光的传播速度为299792458米/秒，光线沿直线传播。
下面将以太阳照射大地为例，详细介绍光的直线传播。
一、太阳照射大地太阳是地球上最重要的能源之一，它不仅提供了光和热能，还支持了生命的存在。
当太阳升起时，它向地球发出了大量的光线。
这些光线穿过大气层并照射到地面上。
二、光的波动性在空气中，光是以波动形式传播的。
当太阳发出光线时，它们会形成一系列电场和磁场振动，并随着时间和空间而变化。
三、折射现象当太阳的光线穿过大气层时，它们会遇到不同密度和折射率的介质。
这些介质包括水汽、氧气、二氧化碳等。
当光线从一个介质进入另一个介质时，会发生折射现象。
四、反射现象除了折射现象外，在某些情况下还会发生反射现象。
当光线遇到一个平滑的表面时，它会被反射回来，并沿着与入射角相等的角度反射出去。
五、光的粒子性在某些情况下，光也表现出粒子性。
当光线与物质相互作用时，它们会被吸收或散射。
这种粒子被称为光子。
六、总结在太阳照射大地的过程中，我们可以看到光的直线传播。
通过介绍折射和反射现象以及光的波动性和粒子性，我们可以更深入地了解光的传播方式以及与物质之间的相互作用。
七、应用了解光的传播方式和特性对于很多领域都有着重要意义。
例如，在通信领域中，人们利用纤维光缆将信息以光信号的形式传输；在医学领域中，人们利用激光进行手术治疗；在能源领域中，人们研究太阳能发电技术等等。
总之，深入了解和掌握光的直线传播方式对于我们更好地理解自然界和推动科技进步都有着重要的作用。
光的散射现象及其应用
光的散射现象及其应用光的散射是一种光在传播过程中与物质微粒相互作用而改变传播方向的现象。
它是由于光波与物体表面的微观结构或微粒的直接相互作用引起的。
散射现象广泛存在于自然界和人类生活中，并具有许多重要的应用。
首先，光的散射现象广泛存在于大气中的气溶胶颗粒中。
气溶胶颗粒是指悬浮在空气中的微小固体或液体颗粒，如尘埃、烟雾、雾霾等。
当太阳光照射到大气中的气溶胶颗粒上时，光会与颗粒相互作用并发生散射。
这种散射过程会使太阳光在大气中传播时的光线发生偏折和扩散，从而形成蓝天和云彩等景观。
除了大气中的散射现象，光的散射也广泛存在于人类日常生活中的各个领域。
例如，在物理光学中，我们可以通过散射现象来解释为何我们能够看到非透明物体，如白色墙壁或国旗。
当光线照射到物体表面时，光会与物体的微观结构发生散射，一部分光线会沿不同的方向传播并进入我们的眼睛，从而我们能够看到物体。
此外，光的散射现象还在许多科学和工程应用中具有重要作用。
在天文学中，散射现象可以用来研究星际尘埃的性质和空间中的星际物质分布。
通过观测光的散射现象，天文学家可以推断出星际尘埃的大小、形状和组成成分等信息，从而深入了解宇宙中的物质分布和演化过程。
此外，光的散射现象还在生物医学领域具有广泛的应用。
在生物光学中，散射现象被用来研究生物组织的光学性质和结构。
通过测量光线在生物组织中的散射特性，可以了解生物组织的组织结构、细胞形态以及组织的病理变化等信息，为医学诊断和治疗提供重要的依据。
另外，光的散射还在光通信、激光雷达等领域的通信和测量中发挥着重要的作用。
在光通信中，信号的传输过程中的散射现象会引起光信号的衰减和失真，因此需要通过设计高效的光纤和光器件来减小散射损耗和优化信号传输效果。
而在激光雷达中，利用光的散射现象可以测量目标物体的距离、速度和形状等信息，广泛应用于测距、遥感和无人驾驶等领域。
总之，光的散射现象是光在传播过程中与物质微粒相互作用而改变传播方向的现象。
光的散射现象举例
光的散射现象举例
光的散射现象是指在光传输过程中，光线发生分散、散射或偏转的现象。
通俗来讲，就是光线被物体或介质散射后，改变了传播方向或强度。
这种现象在日常生活中比比皆是，下面就来举几个例子来说明。
首先，我们可以看到蓝天白云。
白天的时候，太阳光线穿过大气层向地面传播。
在大气层中，空气分子和氧气分子、氮气分子等与光线发生相互作用，使得太阳光线发生散射。
这时，蓝色光波长短，强度大，所以被更多的空气分子散射，而红色光波长长，强度小，所以被更少的空气分子散射，形成了蓝天白云的美丽景象。
其次，我们可以看到水中的阳光。
有时我们站在海边或者看鱼缸里面的水时，会发现阳光透过水面，折射进水中后，光线会分散成光的七种颜色，并在水中形成美丽的颜色条纹。
再次，我们可以看到黄昏时分的日落美景。
当太阳落山时，太阳光线穿过大气层的路径更长，经历了更多次的散射，于是红光的强度比蓝光的强度大，就形成了日落的美丽景象。
另外，我们还能看到彩虹。
当太阳光穿过水滴时，会被折射，同时受到反射和折射，使得不同波长的光线被分
别折射成不同的角度，形成了成弧形的七种颜色的光线，从而成为一道美丽的彩虹。
最后，我们可以看到荧光。
当紫外线或其他辐射照射物质时，物质将能量吸收并发生电子激发，从而产生荧光。
这种过程中，吸收的能量会转化为热能或通过辐射的方式释放出来，导致发光物体的颜色发生改变。
综上所述，光的散射现象在日常生活中随处可见，包括蓝天白云、水中的阳光、黄昏时分的日落美景、彩虹和荧光等。
这些现象不仅美丽，而且深刻揭示了光学的基本规律。
光电子技术2.1光波在大气中的传播
I
dl
I'
大气衰减图示
传输距离L后的大气透过率（%）用T表示，应为：
I L dl T exp 0 I0
若在 传输距离L上β为常数，则有：
I T exp L I0
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。
dB / km 4.343 1 / km
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。
激光的大气湍流效应，实际上是指激光辐射在折射率 起伏场中传输时的效应。 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”
Di(r ) (i1 i2 )2 C i2r 2 / 3
(2.1-9)
通常用折射率结构常数的数值大小表征湍流强度
2 Cn 2.5 1013 强湍流： 2 弱湍流： Cn 6.4 1017 2 中等强度湍流： 2.5 1013 Cn 6.4 1017
Re Δvl /
(2.1-8)
式中， 为流体密度（kg/m3）；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是一个无量纲的数。
如何证明光是沿直线传播的例子
如何证明光是沿直线传播的例子光是一种电磁波，它具有波粒二象性，既可以被视为粒子（光子），也可以被视为波动。
然而，在许多实验和观察中，光的传播表现出沿直线传播的特点。
下面将以不同的例子来证明光的直线传播。
1. 光在真空中的传播：光在真空中传播时，实验证明其路径是直线。
例如，当我们在夜晚看到星星发出的光线，这些光线在经过亿万光年的传播后依然是直线，可以清晰地照射到地球上。
2. 光在空气中的传播：在大气中，光的传播速度略低于真空中的速度，但光线仍然是直线传播的。
这可以通过观察太阳光穿过云层的现象来证明。
当太阳光穿过云层时，我们可以看到光线的直线传播路径。
3. 光在水中的传播：光在水中传播时，也表现出直线传播的特性。
这可以通过在水中放置一根直立的物体，然后观察其在水中的倒影来证明。
倒影的位置和方向与物体的位置和方向完全一致，说明光线是直线传播的。
4. 光在玻璃中的传播：光在透明介质如玻璃中传播时，同样呈现出直线传播的特性。
这可以通过将一根铅笔插入玻璃杯中，然后观察其在玻璃中的折射现象来证明。
根据折射定律可知，光线在玻璃与空气的交界面上发生折射，但在玻璃中传播时仍然是直线传播的。
5. 光在镜子中的传播：光在镜子中传播时，也是沿直线传播的。
我们可以通过观察镜子中的反射现象来证明这一点。
例如，当我们站在镜子前时，可以清晰地看到自己的倒影，这是因为光线从我们身上射向镜子并经过反射传播到我们的眼睛中。
6. 光在光纤中的传播：光纤是一种用于传输光信号的导光材料。
光在光纤中的传播是通过多次反射来实现的，而每次反射都是沿着直线路径进行的。
这种直线传播的特性使得光纤成为一种非常有效的信号传输媒介。
7. 光在直线光学系统中的传播：直线光学系统是由一系列光学元件（如透镜、棱镜等）组成的系统，用于对光进行控制和处理。
在这样的系统中，光线的传播路径可以通过几何光学的原理来确定，光线沿直线传播是这些原理的基础。
8. 光在干涉仪中的传播：干涉仪是一种用于研究光干涉现象的实验装置。
生活中光的散射现象
生活中光的散射现象生活中光的散射现象光的散射，是指当光通过某些物质时，在这些物质中发生了折射、散射和透射的现象。
在这个现象中，光线会弯曲、分散或反射，并在其传播方向上发生变化。
这种现象广泛存在于我们的生活中，有时我们可能没有注意到，但它确实在我们的日常生活中发挥着重要作用。
光在空气中的传播首先，我们来了解一下光在空气中的传播。
当光通过空气时，由于空气密度低，光线会直线传播。
这就是为什么在一个空旷的空间里，我们看到的物体都是清晰的，因为光线没有发生偏折，直接射向我们的眼睛。
然而，如果在空气中加入一些杂质，比如尘土、烟雾或水蒸气等，光线的传播就会发生变化。
这些杂质散布在空气中，并吸收部分光线，其余的则会被散射到各个方向。
日出、日落时的光色我们可以在日出和日落时观察到光的散射现象。
由于太阳光量子（光子）穿过空气进入地球大气层时，会受到大气散射和折射的影响，如透射，反射等，使太阳光颜色发生变化，表现出橙色、黄色、红色等多种颜色。
这是因为太阳在地平线附近时，光经过较长的路径穿过大气层，很多蓝色和绿色的光被吸收后，红、橙色和黄色的光得以保留，此时有着温暖的色彩和柔和的灯光照耀人间。
天空的颜色当太阳的光线射向大气层时，会在其中的气体分子和微粒中发生散射现象。
这样，对于我们来说，看到的天空的颜色就是反射出来的光的颜色。
在白天，看到天空的颜色是蓝色的，这是因为蓝色光被大气层的气体分子散射最多，且被分散的光直接照射到我们的眼睛。
到了日落时分，因为太阳的光线照射到地球的大气层成了斜角，就好比从拐角散射到墙上，下方的空气分子和微粒接受散射比上方更多，所以在西方的天空显得更红。
而在东方还是蓝色天空，这是由于蓝光被空气气体分子反射出来，射到我们的眼睛，所以我们看到的是蓝天。
水中散射光在水中传播时，同样会发生散射现象。
如果有沉淀物、浮游生物或其他杂质存在，光就会被更多地散射，直到光线变得模糊。
因此，当我们尝试在水中观察清晰的景象时，我们需要保持水的清洁度。
光散射现象原理及应用举例
光散射现象原理及应用举例光散射是光在物质中遇到不均匀性或粗糙表面时发生的现象，光线发生散射后会在各个方向上传播，使得光线的传播方向改变。
光散射的原理主要涉及两个方面：射线散射和球面散射。
射线散射是指光线遇到介质的不均匀性或薄膜表面的凹凸不平时发生的散射，而球面散射则是指光线遇到比波长大的粒子或颗粒时发生的散射。
下面是光散射的几个常见应用举例：1.天空的蓝色天空之所以呈现出蓝色，是因为光在大气中的散射现象所致。
在大气层中，气体分子和气溶胶颗粒会散射光线，其中对蓝光的散射最为显著。
因此，当我们仰望蓝天时，实际上是看到了被散射后的蓝光。
2.宇航员太空服的颜色选择宇航员太空服的颜色一般选择为白色或银色，这是因为白色和银色能够更好地反射光线，并减少来自太空中的光线散射。
这样可以有效降低宇航员太空行走时的温度，保护他们的安全。
3.激光器的工作原理激光器的工作原理中也涉及到光的散射。
激光器利用激活介质产生的光与其他光线发生碰撞，从而引发光的放大过程。
光在激活介质中的碰撞引发了一系列的光散射现象，最终使得激光的功率得到了放大，形成了激光束。
4.雾灯的应用雾灯是一种通过散射光线来提高能见度的照明装置。
雾灯产生的光线通过大范围的散射，使得光线能够更好地照射到雾气中的水滴或其他悬浮物上，从而增加了在雾天行驶时的能见度，提高了安全性。
5.腐蚀检测在工业领域，利用光散射现象可以进行腐蚀检测。
通过照射表面的光线，观察散射光的强度和分布情况，可以判断表面是否存在腐蚀或其他损坏的情况，并及时采取措施进行修复和保养。
光散射作为一种重要的光现象在很多领域中都有着广泛的应用。
通过研究光散射现象，不仅可以深入了解光的特性和物质的结构，还可以为实际应用提供理论支持和技术指导。
2_1 光波在大气中的传播
射望远镜出口处的束宽W0关系密切.
漂移角的均方值
2 a
1.75Cn2 LW01/ 3
光束越细，漂移就越大。采用宽光束可减小漂移。
3.空间相位起伏 dB l —湍流使光束波前发生随机偏折； —若在透镜的焦平面上接收光信号，会发现像点抖动。
2.1 光波在大气中的传播
第2章 光辐射的传播
问题：
1. 什么是大气窗口？ 2. 什么是大气湍流效应（表现形式）？
I0
为大气衰减系数（km-1）
此即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。
km m ka a
km和m—分别为大气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.
工程应用中，衰减系数常用单位为（1/km）或（dB/km) .
(dB/km)=4.343(km-1)
水平传输情况下可以证明光束曲率为 c dN 79 dP 79P dT dh T dh T 2 dh
C>0，光束向下弯曲；c<0，光束向上弯曲。实验发现，一般 情况下白天光束向上弯曲；晚上光束向下弯曲。
2.1 光波在大气中的传播
第2章 光辐射的传播
对于光束漂移，理论分析表明，其漂移角与光束在发
气溶胶对光波的衰减包括气溶胶的吸收和散射。
气溶胶的散射米氏散射，与波长的关系不如瑞利散射 强烈.
① 晴朗、霾、雾大气的衰减
只考虑气溶胶衰减， T exp( a L) a A q
2.1 光波在大气中的传播
第2章 光辐射的传播
根据气象上对能见度V（km）的定义可求得
a (3.91/V ) ( / 0.55)q
2.1 光波在大气中的传播
第2章 光辐射的传播
光的波长与大气层
光的波长与大气层
大气层对于光的传播和吸收有很大的影响，特别是对于不同波长的光的传播情况有很大差异。
在可见光谱范围内，不同波长的光在大气层中的传播情况如下：
1. 短波紫外线（< 290nm）：这部分波长的紫外线被臭氧层吸收，只有很少一部分能够到达地面。
2. 长波紫外线（290-400nm）：这部分波长的紫外线能够穿透大气层，但会被臭氧、氧气和水汽吸收。
3. 可见光（400-700nm）：这个波长范围的光能够较好地穿透大气层，其中蓝光的波长较短，容易被散射，所以天空呈现蓝色。
红光的波长较长，能够较好地穿透大气层，所以太阳升起和落下时呈现红色。
4. 远红外线（> 700nm）：这部分波长的红外线能够穿透大气层，但会被大气中的水汽和二氧化碳吸收。
总的来说，大气层对于紫外线和红外线的吸收较强，而对于可见光的吸收较弱，使得可见光能够较好地传播。
这也是为什么我们能够看到蓝天和太阳的原因。
同
时，大气层中的气体和颗粒物质会对光进行散射，这也会对光的传播产生影响。
光的散射原理的应用实例
光的散射原理的应用实例1. 概述光的散射是指光线在通过介质时，由于介质中的颗粒或界面的凹凸等原因，光线的传播方向发生改变。
光的散射现象广泛存在于日常生活和科学研究中，并且在许多应用中发挥着重要的作用。
本文将介绍几个光的散射原理的应用实例。
2. 天空为什么是蓝色的？当我们仰望蔚蓝的天空时，很少有人会想到这个与光的散射有关的现象。
事实上，这正是光的散射导致的。
•当太阳光经过大气层时，其成分中的蓝光波长较短，能量较高。
由于空气分子的大小与光波长相当，蓝光更容易与空气中的分子发生碰撞并散射。
•由于散射过程中，蓝光的散射角度较大，分钟级的蓝光会从各个方向反射，从而形成一个蓝色的天空。
3. 水中的光线偏折在日常生活中，我们常常看到在水中的物体会呈现出一种偏移的效果。
这是由于光在从一种介质（空气）进入另一种介质（水）时发生的折射现象导致的。
•折射是光由于传播介质的不同密度而改变传播方向的现象。
•当光线从空气中进入水中时，其传播速度减小，而弯曲程度取决于两种介质的折射率差异。
•这种光线偏折的现象在水下观察到的物体位置与实际位置存在差异，我们常把这种现象称为“折射错觉”。
4. 光的散射在大气污染监测中的应用大气污染对环境和人类健康造成极大影响，准确监测和评估大气污染水平是环境保护的重要任务。
光的散射原理在大气污染监测中得到了广泛应用。
•通过测量大气中散射的光线，可以得出大气中悬浮颗粒物质的浓度。
•传感器发射出一束特定波长的光线，通过测量散射的光线能够计算出悬浮颗粒物质的浓度。
•这种基于光的散射原理的监测方法可以实时监测大气污染水平，提供及时的数据支持。
5. 光的散射在医学成像中的应用在医学领域，光的散射原理也得到了广泛应用，尤其在光学成像技术中。
•例如，在超声诊断中，通过散射和吸收的差异，能够获得物体内部结构的成像。
•还有光学相干断层扫描（OCT）技术，通过测量散射的光线，可以得到高分辨率、非侵入性的组织成像。
•光学散射光谱学（OSS）则通过分析散射光中的频谱信息，可以识别物质的组分和性质。
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光在大气中传播及应用大气激光通信、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。
（1）大气分子吸收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。
所以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。
分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。
极性分子的内部运动一般有分子内电子运动、组成分子的原子振动以及分子绕其质量中心的转动组成。
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分子虽然含量最多（约90%），但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。
因此，在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。
大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但因它们在大气中的含量甚微，一般也不考虑其吸收作用。
只是在高空处，其余衰减因素都已很弱，才考虑它们吸收作用。
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，是晴天大气光学衰减的主要因素，它们的一些主要吸收谱线的中心波长如表2-1所示。
表1中对某些特定的波长，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。
表1从表1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。
（2） 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，一部分光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。
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。
光波在遇到大气分子或气溶胶粒子等时，便会与它们发生相互作用，重新向四面八方发射出频率与入射光的相同，但强度较弱的光(称子波)，这种现象称光散射。
子波称散射光，接受原入射光并发射子波的空气分子或气溶胶粒子称散射粒子。
当散射粒子的尺度远小于入射光的波长时(例如大气分子对可见光的散射)，称分子散射或瑞利散射，散射光分布均匀且对称。
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，散射越强烈。
故可见光比红外光散射强烈，蓝光又比红光散射强烈。
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。
2. 大气湍流效应通常大气是一种均匀混合的单一气态流体，其运动形式分为层流运动和湍流运动。
层流运动：流体质点做有规则的稳定流动，在一个薄层的流速和流向均为定值，层与层之间在运动过程中不发生混合。
无规则的漩涡流动，质点的运动轨迹很复杂，既有横向运动，也有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值吸收分子主要吸收谱线中心波长(μm) H 2O 0.72 0.82 0.93 0.94 1.13 1.38 1.46 1.87 2.663.15 6.26 11.7 12.6 13.5 14.3CO 21.4 1.62.05 4.3 5.2 9.4 10.4O 2 4.7 9.6 43/827.0λσA N m ⨯⨯=随机起伏。
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/m3）；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 ）；η 为流体粘滞系数（kg/m •s ）。
雷诺数Re 是一个无量纲的数。
当Re 小于临界值Recr （由实验测定）时，流体处于稳定的层流运动，而大于Recr 时为湍流运动。
由于气体的粘滞系数η 较小，所以气体的运动多半为湍流运动。
激光应用1. 激光制导 利用激光跟踪、测量和传输的手段控制和导引导弹飞向目标的技术。
激光器发出照射目标的激光波束，激光接收装置接收目标反射的光波，经光电转换和信息处理，得出目标的位置参数信号（或导弹与目标的相对位置参数信号），再经信号变换用以跟踪目标和控制导弹的飞行。
有的激光制导系统还用激光传输控制导弹的指令。
激光制导可用于寻的制导系统和波束制导系统。
用于半主动寻的制导系统和波束制导系统时，为了跟踪目标，在载机上往往还配备光学瞄准系统（如瞄准镜等）。
激光制导的优点是：既能测角也能测距，有较高的测量精度，抗干扰能力强。
激光制导的缺点是：易被云、雾、烟或雨等吸收，在大气层内使用时受到气象条件的限制，不能全天候使用；激光能源的功率有限，因而制导的作用距离受到一定限制。
此外，由于波束窄，搜索跟踪也较为困难。
因此激光技术常与红外、电视、光学或微波等技术结合使用。
激光制导已在激光半主动寻的制导和激光波束制导的空地导弹和地空导弹中得到应用。
利用激光获得制导信息或传输制导指令使导弹按一定导引规律飞向目标的制导方法。
1．激光驾束制导：激光接收器置于导弹上，导弹发射时激光器对着目标照射，发射后的导弹在激光波束内飞行。
当导弹偏离激光波束轴线时，接收器敏感偏离的大小和方位并形成误差信号，按导引规律形成控制指令来修正导弹的飞行。
2．激光半主动式自动导引：使用位于载机或地面上的激光器照射目标，导弹上的激光导引头接收从目标反射的激光从而跟踪目标并把导弹导向目标。
3．激光主动式自动导引：激光照射器装在导引头上。
这种激光制导的自动化程度高，但实际上还没有应用到反坦克导弹上。
ηρ/ΔRe l v =4．激光传输指令制导：用激光脉冲代替红外半自动指令制导中用来传输控制指令的导线。
弹上接收机用激光接收器。
激光脉冲经编码后发射出去，如采用哈明码(一种能自动纠错的码)对激光脉冲进行编码。
激光波束方向性强、波束窄，故激光制导精度高，抗干扰能力强。
但是0.8—1.8微米波段的激光易被云、雾、雨等吸收，透过率低，全天候使用受到限制。
如采用10.6微米波段的长波激光，则可在能见度不良的条件下使用。
激光制导是60年代才开始发展起来的一种新技术。
目前已出现激光半主动制导和激光驾束制导的空对地、地对空导弹以及激光制导航空炸弹。
激光驾束和激光半主动制导已应用于反坦克导弹技术中。
2.激光测距激光测距（laser distance measuring）是以激光器作为光源进行测距。
根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。
氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距；红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。
激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与光电测距仪相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度，显著减少重量和功耗，使测量到人造地球卫星、月球等远目标的距离变成现实。
主要应用如激光测距仪等。
激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。
脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。
光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。
脉冲法测量距离的精度是一般是在+/- 1米左右。
另外，此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。
激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定(又称激光测距)的仪器。
激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。
若激光是连续发射的，测程可达40公里左右，并可昼夜进行作业。
若激光是脉冲发射的，一般绝对精度较低，但用于远距离测量，可以达到很好的相对精度。
世界上第一台激光器，是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于1960年，首先研制成功的。
美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。
1961年，第一台军用激光测距仪通过了美国军方论证试验，对此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。
激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。
它是提高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。
由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪。
国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪，可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。