2021-2022学年高二物理竞赛课件：光波在大气层中的传播

1、光波在大气层中的传播本章要求： 1）了解光波在大气、磁光介质、非线性介质和水中的传播规律性； 2）掌握光波在电光晶体和声光晶体中的传播原理与规律. 大气激光通信、探测等技术常以大气为信道。大气成分复杂, 天气多变，使光在大气中传播不稳定：光束能量衰减分子及气溶胶的吸收与散射；振幅和相位起伏湍流效应。 一、大气衰减激光在大气中传播时，吸收和散射的总效果是使传输光辐射强度的发生衰减。(透过率) 朗伯定律: 光强随传输距离的增加呈指数规律衰减.I0ILI0IL透过率： 应用中，衰减系数的常用单位为(1/km)或(dB/km)。二者之间的换算关系为: (dB/km)=4.343 (1/km) 衰减系数

2、描述吸收和散射两种独立物理过程对传播光辐射强度的影响： Km、m为大气分子的吸收、散射系数；ka、a为大气气溶胶的吸收、散射系数。附：（dB/km）定义： (dB/km)=4.343 (1/km) 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He，Ne，Ar，Xe，O3等，大气中的含量甚微，一般不考虑其吸收作用。 H2O和CO2分子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。 根据大气的这种选择吸收特性，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”。大气分子的吸收分子的吸收特性强烈依赖于光波的频率和分子的结构. 2

3、 大气分子散射可见光和近红外光远大于大气分子的线度(1A0)，大气分子对光产生瑞利散射。瑞利散射光强与波长的四次方成反比 。m为瑞利散射系数（cm-l）；N为分子数密度（cm-）；A为分子的散射截面（cm2）；为光波长（cm）。可见光中蓝光散射最强,故晴朗的天空呈现蓝色(晴朗天空中其他微粒少，以瑞利散射为主)。教材有误 为什么不是紫色？视见函数V 3大气气溶胶的衰减大气中的尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等微粒，线度在 0.03m到2000m之间，这些微粒在大气中悬浮呈胶溶状态，通常称为大气气溶胶。 大气溶胶对光波的衰减也包括散射和吸收。 光的波长相当于或小于气溶胶微粒尺寸，气溶胶对光产

4、生米氏散射。 米氏散射则主要依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，与波长的关系较小。一些实验研究表明，就同样的含水量而言，雪的衰减比雨的大，比雾的小。 雨和雪的衰减（这时微粒较大） 晴朗、霾、雾大气的衰减（这时微粒较小） 大气始终处于湍流状态。 大气湍流的结果是使得大气的运动速度、温度、折射率在时间和空间上随机起伏，其中折射率的起伏直接影响激光的传输特性。二 大气湍流效应 出现光束变形, 强度闪烁, 光束弯曲和漂移等现象。 前向散射使光束传输距离明显增大，传输距离越远，前向散射光的贡献就越大。 前向散射对水下照明有利，但对水下光束扫描和水下摄影不利, 会使扫描分辨率和目标背景对比度下降.接收面上总照度Ee应为单程照度 和多程照度 之和： 光源单程光束多程光束接收平面光束截面图2-27前向散射示意图后向散射 水下传输光束的后向散射较前向散射强烈得多。因此在水下测距、电视、摄影等应用中，主要是设法克服这种后向散射的影响。 克服措施：适当地选择滤光片和检偏器，以分辨无规则偏振的后向散射和有规则偏振的目