激光在水中的衰减特性研究

激光在水中的衰减特性研究

[摘要] 分析了水的光学特性，水中的衰减主要是水中微小颗粒对光的吸收和散射作用的结果。利用激光测试平台，设计了简单易操作的实验方案，获得了激光在水中的衰减系数。研究表明：相同微粒下，其衰减系数与微粒含量成正比。

[关键词] 光学特性吸收散射衰减系数

自激光问世后,国内外几乎同时起步研究激光进行水下观察和探测，获得了较大的进展[1]。为了用光电方法探测水下目标,首先必须研究光的水下传输及成象特性。因此，对于激光监测系统的研制,首先必须研究激光在水中的衰减与水中成分的变化关系。

1.水的光学特性

水中含有各种各样矿物质，造成了水的不均匀性，使得光在水中传输时能量衰减比在大气中严重。目前,对确定的波长,认为其衰减系数为常数。对532nm波长,其数值在0.04-0.05/m[2]。研究发现,激光在水中的衰减与水中含有的矿物质有密切的关系。这是由于光在非纯水中的衰减主要来自吸收和散射[3]两种不同的过程。吸收是在传输过程中光碰上具有吸收作用的粒子而使光能转换成其他形式能量的过程；散射则是传输过程中光与其他粒子碰撞发散而使传输方向的光能不断减少的过程。这导致光在水中的衰减急巨变化[4]。此时,激光在非纯净水中的衰减系数不再是一个常数，而是随着水中成分的不同而不同。

2.实验方案与原理分析

2.1 实验方案

实验测所用的激光器为绿光激光器，有机玻璃水管Φ50cm,长1米。其实验方案为测量出激光器在有机玻璃水管左侧的功率P0，把功率计移到水管后再测量一次功率P1，计算得到单个通光透明玻璃板的损耗系数；向水管注入自来水，水深须覆盖激光束路径，测量穿过有机玻璃水管后的激光功率P2，计算Pout及水对激光的衰减系数；分5次定量给水中添入少量硫酸钡粉末，再次测量计算水体的衰减系数。

2.2 实验原理

水的光学透射性可用光束衰减系数表示。光束衰减系数是用来度量无散射光的衰减，可用下式定义：,式中，为初始光束辐射功率；为在处的光束辐射功率；为水的路径长度。光束衰减系数、吸收系数和散射系数之间的关系为：,水下激光束的透射率为:

与的关系为

由于自来水的不均匀性，透射率或的值通常随传播深度和水温发生变化。按照公式只要测得入射光光强P0，传播至处的光强Pl以及值，那么就可算出光束衰减系数。为了提高测量精度，对公式改变一下形式，对两个不同水路1和2有

；

如果其初始光强P0相同，联立以上两式可得：

从而，衰减系数为

在小距离1时探得，又在大距离2时，测得比小的。知道这四个数即可按照公式求出衰减系数，进行多次测量可求出的平均值。

实验中，由于P1、P2的测量环境不同，玻璃管内前者是由玻璃射入空气，而后者是由玻璃射入自来水，故两者之间的反射率不同，故其衰减不同，而6式是在同意介质中传播的衰减系数算法。设激光自入射有机玻璃水管前壁至玻璃后壁的衰减系数为，玻璃与空气之间的反射率为R1,玻璃与空气之间的反射率为R2。激光自玻璃界面入射空气中和自来水介质中时其反射光反射不同。由反射定律可知，当光束接近正入射（入射角约等于0）时，反射率计算公式是：

其中，n1，n2是两种介质的真实折射率。取玻璃折射率为1.4985，水的折射率为1.3328，空气的折射率为1.0003。

根据式1，及实验测得的激光功率P0 、P1 、P2 ，可得：

在此计算中，因为激光在有机玻璃管内空气传播时其传播距离只有1米，故其衰减忽略不计。由式7计算可得R1 =0.0397，R2 =0.0034。

根据式以上公式计算得：

3.实验结果与数据分析

表一、表二为激光衰减测量数据和计算结果；由表一、表二可知:

（1）在表一中，相比于纯水的衰减系数0.04-0.05/m，自来水的衰减系数达到了1.2/m，结合表二，当向自来水中添加少量硫酸钡后，其衰减系数大幅增加。相对于纯水，自来水中含有次氯酸、盐酸及少量的Ca、Mg、K等矿物质和微量的细菌如大肠杆菌等，激光传输过程中其能量被这些物质所吸收而转换成其它形

式的能量；同时传输过程中光与微粒碰撞发散而使传输方向上的能量减少。因此，激光在水中的传输衰减的主要原因是水中的各种微粒对激光的发散和吸收。

（2）在表二中，衰减系数随着硫酸钡含量的增加而增加，并呈线性增加的过程。在相同波长、能量及水中微粒成分相同的情况下，激光在水中的衰减系数主要取决与微粒的数量，并成正比例关系。

4.结束语

由于水中的溶解物、矿物质、其它微粒和纯水对光束的吸收和散射，使激光在水中传输过程中能量不断衰减。本文利用激光测试平台，设计了简单易行的实验方案对激光在水中的衰减进行实验研究。研究表明，影响激光水下传输衰减系数的主要原因是水中的各种溶解物、矿物质和其它微粒，其衰减系数与同一成分的含量成正比例关系。

参考文献

[1] 冯文波.蓝绿激光在水下传输中的应用[A]. 中南民族学院学报(自然科学版).2000.9.

[2] 倪恺,何兴道,陈小华,刘娟. 基于虚拟仪器的激光水中传输规律的研究

[A]. 微计算机信息.2008.

[3] PELLEN F,OLIV ARD P,GUERN Y. Radar modulation on optical carrier for target detection in sea-water[C].Lasers and Electro Optics.[S.l.]:[s.n.],2000.

[4] 马泳,林宏,艾青,梁琨. 1.064μm激光在海水中传输特性的研究[A].激光技术.2008.12.

研究方向：军事装备学。