光在大气中的传播

2、光束的弯曲和漂移
光束漂移 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） 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。
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
(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。
⑵ 大气分子散射
大气中总存在着密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，一 部分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：
m 0.827 N A3 / 4
0.72 0.82 0.93 0.94 1.13 1.38 1.46 1.87 2.66 3.15 6.26 11.7 12.6 13.5 14.3 1.4 1.6 2.05 4.3 5.2 9.4 10.4 4.7 9.6
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。
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。
பைடு நூலகம்
谢谢！
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)
T I / I 0 exp dl
0

L

I
dl
I
化简得：
T exp( L)
为大气衰减系数。此描述大气衰减的朗
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
分子的 吸收系 数
分子的 散射系 数
气溶胶 的吸收 系数
气溶胶 的散射 系数
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。
（3）大气气溶胶的衰减 大气气溶胶的概念：是指大气中有大量 的粒度在 0.03 m到2000 m之间的固态 和液态微粒
气溶胶对光波的衰减
散射
吸收
当光的波长相当于或小于散射粒子 尺寸时，即产生米-德拜散射
三. 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。 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。
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：
光在大气中的传播
姓 名：
黄彪
专业班级：2013级 光学工程
一.前言
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。