《光电子技术》第2章 光辐射的传播.pptxVIP

光辐射的传播第二章

本章内容2.1光波在大气中的传播2.2光波在电光晶体中的传播2.3光波在声光晶体中的传播2.4光波在磁光介质中的传播2.5光波在光纤波导中的传播2.6光波在非线性介质中的传播2.7光波在水中的传播

2.1光波在大气中的传播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。

2.1光波在大气中的传播大气分层根据密度、温度、气压、水汽含量、导电性能等物理特性，大气层分为：地球表面到1200km;气体和水蒸气构成的混合物，含有大量液态和固态杂质微粒；气体成分不均匀——分层。对流层（troposphere）：地表到10km，剧烈的垂直对流运动，影响激光传输最严重；平流层（stratosphere）：10km到60km,垂直运动很弱；电离层（ionosphere）：50—800km;外球层（outeratmosphere）：900—1200km。

2.1光波在大气中的传播低层大气分类按组分分类按白日水平能见距离分类标准大气：不含杂质微粒的大气；实际大气：含杂质微粒的大气

2.1.1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;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。光强衰减量dI正比与I及dl，即dI/I=(I?-I)/I=??dl?T?exp(??L)?(km-1)：大气衰减系数km和?m：分子的吸收和散射系数；ka和?a：气溶胶的吸收和散射系数??km??m?ka??a?(dB/km)=4.343??(1/km)

2.1.1大气衰减1、大气分子的吸收大气分子→极化→受迫振动→吸收；电子运动\原子振动\转动。

分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。

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：可见光和红外区几乎不表现吸收，主要对远红外和微波吸收。

大气中He，Ar，Xe，O3，Ne等：可见光和近红外有吸收谱线，大气中的含量甚微，不考虑吸收；在高空处，其余衰减因素都已很弱，考虑其吸收作用。

2.1.1大气衰减1、大气分子的吸收大气中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吸收分子主要吸收谱线中心波长(mm)H2O0.720.820.930.941.131.381.461.872.663.156.2611.712.613.514.3CO21.41.62.054.35.29.410.4O24.79.6可见光和近红外区主要吸收谱线

2.1.1大气衰减1、大气分子的吸收大气窗口：根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成8个区段，将透过率较高的波段称为“大气窗口”。大气透过律及其大气窗口

2.1.1大气衰减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。

2.1.1大气衰减2、大气分子散射瑞利散射：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，散射光的强度与波长的四次方成反比，瑞利散射系数：波长越长，散射越弱波长越短，散射越强

2.1.1大气衰减3、大气气溶胶的衰减?瑞利散射：光波长远大于散射粒子尺寸，强烈依赖波长；米氏散射：光的波长相当于或小于散射粒尺寸，依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性。

2.1.1大气衰减3、大气气溶胶的衰减气溶胶微粒的尺寸分布极其复杂，受天气变化的影响很大天气类型N(cm-3)amax(?m)气溶胶类型霾M100cm-33海上或岸边的气溶胶霾L100cm-32大陆性气溶胶霾H100cm-30.6高空或平流层的气溶胶雨M100cm-33000小雨或中雨雨L1000m-32000大雨冰雹H10m-36000含有大量小颗粒的冰雹积云C.1100cm-315积云或层云、雾云C.2100cm-37有色环的云云C.3100cm-33.5贝母云云C.4100cm-35.5太阳周围的双层或三层环的云

2.1.1大气衰减3、大气气溶胶的衰减（1）晴朗、霾、雾大气的衰减??两边取对数得可见(－q)是ln?a?~ln?直