第八讲-光在大气和水中的传播、激光损伤

I2 [ln(I / I 0 )]2 4[ln(A / A0 )]2 4 2
(2.1-10)
2 式中， 2 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 12.8Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6 I2 4 2 2 6 / 7 11 / 6 0.496Cn (2 ) L 2 1.28Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6
10.4
9.6
2、 大气分子散射， m
(1)散射的基本概念
大气中总存在着密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，
造成部分光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的
散射(实质是反射、折射和衍射的综合反映)。散射主要发生 在可见光波段，其性质和强度取决于大气中分子或微粒的半
径ｒ与被散射光的波长λ二者之间的对比关系。
3
4
(2.1-6)
式中
m为瑞利散射系数（cm-l）；
N为单位体积中的分子数（cm-3）；
A为分子的散射截面（cm2）；
为光波长（cm）。
m 0.827 N A /
3
4
波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。 因此可见光散射大于红外光散射，而蓝光散射又大 于红光散射： • 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。 • 而黎明和黄昏时，太阳辐射穿过大气的路程长， 蓝绿光已被散射殆尽，只剩下黄红光，所以阳光 呈黄红色。
(2)散射的类型
瑞利散射（Rayleigh-Scattering），选择性散射
大气分子的半径是10-4 m量级的，在可见光（0.4-
0.76m）和近红外波段，辐射波长总是远大于分子的
线度。这时发生的散射称瑞利散射（当r<<λ时），又 称分子散射。 它的散射强度与入射辐射的波长的四次方成反比：
m 0.827 N A /
此式即为描述大气衰减的朗伯定律。
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：
km m ka a
km和m分别为分子的吸收和散射系数；
(2.1-4)
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
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 Ci2 r 2 / 3
(2.1-9)
式中，i分别代表速度（v）、温度（T）和折射率（n）； r为 考察点之间的距离；Ci为相应场的结构常数，单位是m-1/3。
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:
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。
3、大气气溶胶的衰减， a 和ka
大气气溶胶的概念： 大气中有大量的粒度在 0.03 m到2000 m之间的 固态和液态微粒，它们大致是尘埃、烟粒、微水滴、 盐粒以及有机微生物等。由于这些微粒在大气中的悬 浮呈胶溶状态，通常又称为大气气溶胶。 气溶胶微粒的尺寸分布极其复杂，受天气变化的 影响也十分大。 气溶胶对光波的衰减包括气溶胶的散射（a）和 吸收（ka）。
大气湍流折射率的统计特性直接影响激光束的传输特性， 通常用折射率结构常数Ci的数值大小表征湍流强度，即 弱湍流：Cn =810-9m-1/3，中等湍流： Cn =410-8m-1/3 ，强 湍流： Cn =510-7m-1/3。
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（光束直径远大于湍流尺度）。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：
当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸（r≥λ）时，即产生米 氏散射（又称粗粒散射）。
a
2
r
(2.1-7)
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。 当r≥λ时发生的散射，其散射强度与波长无关，是非选择 性散射。大气中的液、固态水和固体杂质尺寸r>1 m ，都大于 可见光的波长。 因此它们对可见光散射出的辐射呈白色，如云、雾等呈白 色即是这个原因（非选择性散射使天空呈白色）。
(2)朗伯定律
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：
I I 0e km x
ｘ为吸收层厚度。 朗伯定律表明：
(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，
光强随传输距离的增加呈指数规律衰减。
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。
(3)大气对电磁辐射的吸收
大气的吸收光谱
• 氮N2分子、氧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。在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收 作用。 • 大气中还包含有氦He，氩Ar，氙Xe，臭氧O3，氖Ne等， 这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但其大气中 的含量甚微，一般不考虑其吸收作用。只是在高空处，其它 衰减因素都很弱时，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，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。
表1： 可见光和近红外区主要吸收谱线
吸收 分子 H2 O 主要吸收谱线中心波长(m) 0.72 0.82 0.93 0.94 1.13 1.38 1.46 2.66 3.15 6.26 11.7 12.6 13.5 1.4 1.6 2.05 4.7 4.3 5.2 9.4 1.87 14.3
CO2 O2
(2.9;
大气衰减图示
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：
I L dl T exp 0 I0
(2.1-2)
若在 传输距离L上β为常数，则有：
I T exp L I0
(2.1-3)
式中，I0和I分别为通过距离L前后的光强。
因此有必要研究和了解激光大气传播特性。
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）。 吸收和散射的总效果使传 输光辐射强度的衰减。 光强变化的百分比：
dI I ' I dl I I
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。 湍流运动：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 平均值随机起伏。
l0
大气湍流微结构
在气体或液体的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：
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。
•当Re 小于Recr（临界值,由实验测定）时：稳定的层流运动； •当Re大于Recr时：气流为湍流运动。 由于气体的粘滞系数 较小，所以气体的运动多半为湍流运动。
2、 光束的弯曲和漂移（光束直径远小于湍流尺度）
在接收平面上，光束中心的投射点（即光斑位 置）以某个统计平均位置为中心，发生快速的随机 性跳动（其频率可由数赫到数十赫），此现象称为 “光束漂移”。若将光束视为一体，经过若干分钟 会发现，其平均方向明显变化，这种慢漂移亦称为 “光束弯曲”。 光束弯曲漂移现象亦称天文折射，主要受制于大气折 射率的起伏。弯曲表现为光束统计位置的慢变化，漂 移则是光束围绕其平均位置的快速跳动。
漫散射到达地面（天空光）
17 %
40 %
吸收
直接到达地面
大气窗口是指大气对电磁辐射的吸收和散射都很小，而透射
率很高的波段。换句话说，就是电磁辐射在大气中传输损耗 很小，能透过大气的电磁波段。
大气透射窗口示意图
从图中不难看出，对某些特定的波长，大气呈现出较高的透 过率，根据大气的这种选择性吸收特性，一般把近红外透过 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。
2.1 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。 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。