1、光路是光源和探測器之間光學通道光路由光學元件和傳輸 3.1 根本光學關系式 在光電探測系統(tǒng)的光路分析中，用幾個根本定律就可以推導出其它許多重要的關系式。在本章有關問題討論中始終都要用到守恒定律、折射定律、反射定律和吸收定律。3.1.1 守恒定律 對于波長為的輻射，將被吸收、被反射、被透射的能量分數(shù)依次記作()、()、()，可將能量守恒定律表示成 () + () + () = 1 (3.1-1) 8/24/202223.1.2 反射和折射定律電磁波在真空中的速度與在某物質中傳播速度之比稱為該物質的絕對折射率，即 (3.1-3) 這里，為無量綱的相對介電常數(shù)、相對磁導率。折射率隨著入射波長變化的現(xiàn)

2、象叫做色散，其中，隨頻率增加而增加稱為正常色散。設光在介質中傳播的距離記為x、速度記為，那么光線在多種不同介質中傳播的總時間 (3.1-5) 8/24/20223 設光在介質中傳播的距離記為x、速度記為，那么光線在多種不同介質中傳播的總時間 (3.1-5) 又因為i = c0/ni，故式(3.1-5)可改寫為 (3.1-6) 上式的分子稱為光程OPL，等效于時間t內光在真空中的傳播距離。 光的傳播服從Fermat原理：當光從一點傳播到另外一點時，它將沿著具有最短光程長度的路徑傳播。并且由此可以得到Snell折射定理： n1sin1 = n2sin2 (3.1-7) 當光在兩種不同折射率物體外表

3、微元反射時，有反射定律：反射角等于入射角的。反射角、入射角為光線與面微元法線方向的夾角，在同一介質中；而入射角、折射角那么在不同介質中。8/24/202243.1.3 界面反射損失 如果非偏振輻射以非垂直的角度照射到界面上，根據(jù)Fresnel的完整方程，它的反射率隨入射角1、折射角2的變化是： (3.1-9) 對于垂直入射的單色光，有Fresnel方程來描述反射率 (3.1-8) 根據(jù)公式，兩種介質的折射率差異越大，反射也就越大；而一些專門調和的玻璃膠可以使兩塊同一材質的光學玻璃無反射地粘合在一起。8/24/202253.1.4 吸收定律對吸收現(xiàn)象的研究建立在如下的幾條假設上 入射光線是單色的

4、； 吸收粒子分子、原子、離子等等的吸收行為是相互獨立的； 入射輻射由平行光線構成，并與吸收介質的外表相垂直； 光束橫截面經歷的光程一樣； 吸收介質是均勻的，且不會散射輻射； 入射通量缺乏于導致飽和效應。對激光來說，其光束非常強，使原子的吸收能力飽和，即容易把能夠吸收光子的原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，從而不能更多地吸收其它光子，叫做飽和效應。8/24/20226 考慮吸收劑濃度均勻的吸收介質。設照射在吸收物薄片上的輻射通量為，而透過的輻射通量為d。當入射通量增加時，光束中被吸收的光子數(shù)目也成比例地增加，也就是說d與成正比；同樣，由于與光束相作用的吸收劑的數(shù)目和薄片的厚度成db正比： d= kdb (3.1

5、-10) 式中的比例常數(shù)k稱為吸收系數(shù)，負號表示光通量隨厚度的增加而減少。設厚度從0到b的變化使得光通量從0變?yōu)?，對?3.1-10)有 (3.1-11) 對式(3.1-11)積分，易得ln(/0) = kb，或 (3.1-12) (3.1-12)說明，隨著通過吸收劑的路徑增加，輻射通量功率按冪指數(shù)率減小，常用于研究輻射在均勻介質中傳播時的吸收。8/24/20227 在原子光譜分析中， k與濃度有關；在分子光譜中，k= kc，被分解成與物質組分及其濃度相關的兩項。在吸收光譜中，更多的是關注透過率T =/0，或吸收度A= log(T)的測量。這樣一來 (3.1-13) 或 (3.1-14) 即吸

6、收度等于吸收組分的吸收系數(shù)a、厚度b和組分濃度c的乘積。當c的單位為molL-1時，b的單位是cm時，a稱為摩爾吸光系數(shù)，習慣用表示，單位Lmol-1cm-1。即 (3.1-15) 在紫外可見光譜范圍內強吸收分子的值可達104105。式(3.1-12)和(3.1-15)稱為Beer- Lambert定律。8/24/20228 3.2 光路中的光現(xiàn)象 光在光路中傳播時，會不可防止地和物質發(fā)生作用，產生各種各樣的光學現(xiàn)象，除了反射、折射和吸收，還會有干預、衍射、偏振、散射等等。8/24/202293.2.1 波的疊加 干預指兩列或多列光波在空間相遇時相互迭加，在某些區(qū)域始終加強，在另一些區(qū)域那么始

7、終削弱，形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象。相干 兩個波的相差2 1恒為0或者固定值，那么這兩個波被稱之為相干的。相干是產生干預的必要條件，另外一個條件是兩個波源的頻率幾乎一樣。 非偏振光可以描述成兩個正交的、振幅一樣但相位差隨時間變化的平面偏振波合成的結果，故在滿足相長干預、相消干預的情況下，也有干預現(xiàn)象產生。8/24/202210 光波干預的產生 采用分波前裝置時，局部初級波前被用來發(fā)出可產生干預圖案的次級波，經典的Yang雙縫干預實驗就是這樣的一個例子。在Michelson干預儀中采用了分振幅裝置，初級波本身被分成兩個局部，按不同路徑組合后再產生干預。由薄膜和一系列不同厚度的薄片也可以產生干預，如

8、Fabry-Perot濾光片、Fabry-Perot干預計、Newton環(huán)干預裝置，等等。圖3.2-1 牛頓環(huán)干預圖樣8/24/2022113.2.1.2 衍射 當障礙物的線度與光波波長可比較時，光線偏離直線傳播，進入幾何暗影區(qū)，并形成明暗相間的條紋的現(xiàn)象。衍射也是波疊加的結果，表現(xiàn)為直線傳播的光束在遇到障礙時的繞射。 按照光源和屏到障礙物的距離，可以把衍射分為兩種：當光源和屏與障礙物的距離都是有限遠，或其中一個是有限遠時，稱為Fresnel衍射。當光源和屏與障礙物的距離都是無限遠時，稱為Fraunhofer衍射；在實驗室常利用凸透鏡的聚焦性模擬來自“無限遠處的平行光。 HuygensFres

9、nel原理解釋了衍射的成因，相關定量計算分析可采用菲涅耳衍射積分公式或菲涅耳基爾霍夫公式。1818年，菲涅耳提出了一種把半波帶作圖法，巧妙之處在于它讓相鄰半波帶對應點發(fā)出的衍射光的光程差為/2，這樣可使相鄰波帶干預相消，簡化了分析過程。8/24/202212 如圖3.2-2所示，從A點作由B點發(fā)出的某一光線的垂線，交于C。把BC分成假設干個半波長，或說以/2為寬度做平行于AC的許多線，這些線可以把AB分成假設干個半波帶。衍射角不同，單縫處波陣面分出的半波帶個數(shù)也不同，半波帶的個數(shù)取決于單縫兩個邊緣處的衍射光線之間的光程差BC。8/24/202213 艾里斑 如圖3.2-3所示，當單色平行光垂直

10、照射到小孔上，產生衍射，衍射光被透鏡L會聚到屏幕E上，形成明暗交替的圓環(huán)，中心光斑較亮，稱為艾里斑。設艾里斑的直徑為d，透鏡的焦距為f，單色光的波長為，圓孔的直徑為D，由理論計算可得，艾里斑對透鏡光心的張角為 (3.2-13) 圖3.2-3 夫瑯禾費衍射 8/24/202214 瑞利判據(jù)： 當一個艾里斑的邊緣，正好與另一個艾里斑的中心重合時，這兩個艾里斑剛好能被區(qū)分開。瑞利判據(jù)也是一條經歷判據(jù)，它是根據(jù)正常人的眼睛的分辨能力提出的，正常人的眼睛可以分辨出光強差20%的差異，當一個艾里斑邊緣與另一個艾里斑中心重疊時，兩艾里斑中心的光強是中心線連線中點處光強的1.2倍，剛好被人的眼睛區(qū)分開。光學儀

11、器的分辨率： 根據(jù)瑞利判據(jù)，兩個艾里斑中心對圓孔中心的張角，正好等于艾里斑半徑對圓孔中心的張角時，如圖3.2-4所示，這兩個艾里斑恰好能被區(qū)分可。因此，瑞利判據(jù)可用下式表示 (3.2-14) 8/24/202215 8/24/202216 最小分辨角越小，光學儀器的分辨本領越大，所以常用最小分辨角的倒數(shù)來表示光學儀器的分辨率，即 (3.2-15) 上式說明，增大透鏡的直徑D，或減少入射光的波長都可以提高光學儀器的分辨率。在天文望遠鏡中，為了提高分辨率和增加光通量，總是用直徑很大的透鏡作物鏡；而在顯微鏡中，為了提高分辨率，可用紫外光照射，在電子顯微鏡中，電子物質波的波長很短0.010.1nm，因

12、此電子顯微鏡的分辨率可比一般光學顯微鏡提高數(shù)千倍。8/24/2022173.2.2 光的偏振態(tài)與旋光 光波電矢量振動的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現(xiàn)象叫做偏振。偏振光包括如下幾種： 線偏振光，在光的傳播過程中，只包含一種振動，其振動方向始終保持在同一平面內，這種光稱為線偏振光或平面偏振光)。 局部偏振光，光波包含一切可能方向的橫振動，但不同方向上的振幅不等，在兩個互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，這種光稱為局部偏振光。自然光和局部偏振光實際上是由許多振動方向不同的線偏振光組成。 橢圓偏振光，在光的傳播過程中，空間每個點的電矢量均以光線為軸作旋轉運動，且電矢量端點描出一個橢圓軌跡，

13、這種光稱為橢圓偏振光。 圓偏振光，旋轉電矢量端點描出圓軌跡的光稱圓偏振光，是橢圓偏振光的特殊情形。 8/24/202218Ey領先EX 27/4 3/2 5/4 3/4 /2 /4 0Ex領先Ey 0 /4 /2 3/4 5/4 3/2 7/4 2 圖3.2-6 橢圓偏振偏振的應用：立體電影；照相技術中用于消除不必要的反射光或散射光；制造用于測量的光學器件；以及提供諸如巖礦鑒定、光測彈性及激光調制。8/24/202219 偏振的度量偏振度 假設與最大和最小振幅對應的光強分別為Imax和Imin，那么偏振度的定義為 (3.2-17) 對于自然光：Imax=Imin，P=0，偏振度最??； 線偏振光

14、： Imin=0，P=1，偏振度最大； 局部偏振光：0P1。8/24/2022203.2.2.1 光偏振的產生 從自然光獲得線偏振光的方法有以下四種：利用反射和折射、二向色性、晶體的雙折射、散射。另外，線偏振光可以經過波晶片產生圓偏振光和橢圓偏振光。8/24/2022213.2.2.2 人為雙折射現(xiàn)象： 某些各向同性介質在外力機械力、電場力作用下會變成各向異性介質，從而產生雙折射現(xiàn)象，而有些各向異性介質在外力作用下會改變雙折射性質，這類現(xiàn)象稱為人為雙折射現(xiàn)象。 前一章講過的電光效應( Kerr效應和Pockels效應)，在外界電場作用下會形成各向異性而產生雙折射。在磁場作用下，F(xiàn)araday效

15、應也能使非晶體產生雙折射現(xiàn)象。 光彈性效應：玻璃、塑料等非晶體在通常情況下是各向同性的，但在機械應力拉力或壓力作用下會變成各向異性而顯示雙折射現(xiàn)象，這就是光彈性效應。利用光彈性效應來研究應力分布方法已經成為一個專門的學科，稱為光測彈性力學。8/24/202222 圖3.2-10 光彈性效應8/24/2022233.2.2.3 旋光現(xiàn)象 線偏振光通過某些物質后，其偏振面將也會以光傳播方向為軸線轉過一定角度，類似于磁光Faraday效應，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象，是Arago在1811年發(fā)現(xiàn)的。 能夠產生旋光現(xiàn)象的物質稱為旋光物質，又分兩類：(1) 右旋物質：迎著光的傳播方向觀看，使振動面按順時針方向

16、轉動的物質，如葡萄糖、石英; (2) 左旋物質：迎著光的傳播方向觀看，使振動面按逆時針方向轉動的物質，如果糖。 圖3.2-11 旋光效應8/24/2022241對于晶體旋光物質，振動面的旋轉角與光在物質中所經過的距離l成正比，即 =l (3.2-21) 式中，為旋光率，與波長和物質性質有關。 如石英：對=589.3 nm，=21.7/mm； 對=405 nm，=48.9/mm。2對于液體類旋轉物質如松節(jié)油、糖溶液等，振動面旋轉的角度與光在物質中所經過的距離l、以及溶液濃度成正比，即 =lc (3.2-22) 式中，c：溶液濃度； ：旋光率，與波長和溶液性質與溫度有關。8/24/2022253.

17、2.3 散射 光子與物質粒子的作用會產生散射，所散射的輻射的強度、頻率及角度都可用來分析物質的性質，如進展光譜分析。如果散射頻率與入射頻率一樣，稱這樣的散射為彈性散射；如果散射頻率不等于入射頻率，那么稱發(fā)生了非彈性散射；康普頓散射那么二者兼有。 Brillouin 和Raman 散射都是非彈性散射，Brillouin散射主要來自熱聲波對入射能量波的反射，而Raman 散射那么起源于分子的振動能量子的增減。8/24/2022263.2.3.1 彈性散射 表3.3-1 彈性散射的分類表3.3-1中，s、m散射體、介質的折射率，ds散射體的主要半徑。8/24/202227(1) Rayleigh散射

18、 Rayleigh散射是散射體的大小遠比入射光束波長小的分子、原子這樣一些粒子產生的散射。在這種情況下，可以把散射體當作二次發(fā)射的點光源。對單個粒子而言，用非偏振輻射可獲得一個關于散射角為對稱的散射照度 (3.2-23) 其中，是以m3為單位的粒子極化性，是入射輻射的波長，是入射和散射光線間的角度，E0是入射光束的輻射照度，d是散射中心到探測器之間的距離。極化性是一個給定入射頻率在粒子中誘導產生一個偶極的有效程度的一個度量。極化性大致隨粒子體積大小不同而變化，式(3.2-23)說明散射輻射強度將隨粒子大小增加而增加。因此，在含有各種大小不同粒子的樣品中，較大粒子對散射起的作用最大。此外，用非偏

19、振入射輻射時，在垂直方向產生的散射輻射是線偏振的。 瑞利散射是造成天空是藍色的、初升太陽是紅色的原因。8/24/2022282)大粒子散射 二十世紀初Mie和Debye先后用質點模型詳細計算了電磁波的散射，建立了經典的MIE散射理論。MIE散射理論是均勻介質球形顆粒在單色平面波照射下遠場散射的準確解，其主要物理量有消光系數(shù)Kext、散射系數(shù)Ksca、吸收系數(shù)Kabs、散射振幅函數(shù)S1、S2 (3.2-24) (3.2-25) (3.2-26) (3.2-27) 由上式可見，計算MIE散射系數(shù)的關鍵就是計算，的值，一般采用連分式進展計算。8/24/2022293.2.3.2 康普頓散射 康普頓研

20、究了X射線被較輕物質(石墨、石蠟等)散射后光的成分，發(fā)現(xiàn)散射譜線中除了有波長與原波長一樣的成分外，還有波長較長的成分。這種散射現(xiàn)象稱為康普頓散射或康普頓效應。實驗發(fā)現(xiàn)： (1) 散射光中除了和原波長0一樣的譜線外還有0的譜線。 (2) 波長的改變量 =0隨散射角(散射方向和入射方向之間的夾角)的增大而增加. (3) 對于不同元素的散射物質，在同一散射角下，波長的改變量一樣。波長為的散射光強度隨散射物原子序數(shù)的增加而減小。8/24/202230 康普頓利用光子理論成功地解釋了這些實驗結果。X射線的散射是單個電子和單個光子發(fā)生彈性碰撞的結果。碰撞前后動量和能量守恒，有 (3.2-28) (3.2-

21、29) 化簡后得到 (3.2-30) 稱為康普頓散射公式。 (3.2-31) 稱為電子的康普頓波長。8/24/2022313.2.3.3 非彈性散射 前文介紹的康普頓效應是X射線光子與電子碰撞的結果，是光同原子之間的相互作用；如果用可見光與分子碰撞，那么會發(fā)生Raman散射，其最大特點是散射光的波長和入射光不同。 可以區(qū)分出兩種類型的非彈性散射，即拉曼Raman散射和布里淵Brillouin散射。前者是由分子中的振動和轉動躍遷引起的，可發(fā)生較大的頻率位移且與入射角無關；后者由介質中的熱波動引起，是一種可以發(fā)生隨散射角度不同而變化的具有小頻率位移的散射。8/24/202232Raman散射 Ra

22、man散射是激光與大氣中液體和氣體分子之間的一種非彈性相互作用過程也會發(fā)生在光纖中，產生了向長波或短波方向的移動。詳見本書“7.2.4 散射光譜學。 拉曼散射為研究晶體或分子的構造提供了重要手段，在光譜學中形成了拉曼光譜學的一分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振動的固有頻率，并可決定分子的對稱性、分子內部的作用力等。自激光問世以后，關于激光的拉曼散射的研究得到了迅速開展，強激光引起的非線性效應導致了新的拉曼散射現(xiàn)象。8/24/202233Brillouin散射 布里淵散射是布里淵(Brillouin)于1922年提出的，可以研究氣體，液體和固體中的聲學振動，但作為一種實用的研究手段，是在激光

23、出現(xiàn)以后才開展起來的。布里淵散射也屬于喇曼效應，即光在介質中受到各種元激發(fā)的非彈性散射，其頻率變化表征了元激發(fā)的能量。與喇曼散射不同的是，在布里淵散射中是研究能量較小的元激發(fā)，如聲子和磁振子等。 由布里淵散射實驗可測出散射峰的頻移，線寬及強度。由頻移可直接算出聲速，這是和用超聲技術測量聲速互補的方法，其特點是可測高頻聲子和高衰減的情況，試樣比超聲測量用的小得多。由聲速可以算出彈性常數(shù)，由聲速的變化可以得到關于聲速的各向異性，弛豫過程和相變的信息。由線寬 需用高分辨裝置可以研究聲衰減過程，這與非簡諧性和構造弛豫等有關。根據(jù)強度的測量可以研究聲子和電子態(tài)的耦合等。 8/24/2022343.3 光

24、學元件 除光調制器以外，光電探測系統(tǒng)中的光學元件大概可分為： 成像與導光元件、 濾光與色散分光元件、 干預儀系統(tǒng)等三類。8/24/2022353.3.1 成像與導光元件成像與導光元件主要有反射鏡、透鏡、光纖。(1) 反射鏡常用的反射鏡有平面鏡、球面鏡、拋物面鏡。(2) 透鏡透鏡是一種將光線聚合或分散的設備。(3) 光纖光纖全稱光導纖維，是利用全反射規(guī)律而使光沿著彎曲途徑傳播的光學元件。8/24/202236 光纖不僅在通信領域取得了廣泛的應用，而且在分光廣度計中也用來實現(xiàn)不同地點的光傳輸。光纖的構造見圖3.3-1。 圖3.3-1 光纖構造圖，實際的光纖在薄層之外還有保護層8/24/202237

25、 圖3.3-1中，在纖芯和包層的分界面上發(fā)生全反射的約束條件是 。對纖芯內的光束軌跡，有 ，又因為， 故在光纖內部發(fā)生全反射的條件可寫成 ，或 (3.3-1) 考慮到，角1和入射角0的關系服從Snell定律，即 ，于是，式(3.3-1)可改寫為 (3.3-2) 通過式(3.3-2)可求出光纖內部發(fā)生全反射時的最大的入射角c ；假設入射角0大于c，那么只會在芯壁外表發(fā)生局部反射，并將有一局部光線穿出光纖。可被光纖接收的光錐定義為數(shù)值孔徑，符號 NA= (3.3-3) 光纖芯直徑一般為50600 m，而外包層的折射率比中心低0.020.2，因而，NA值一般在0.11.5之間。8/24/202238

26、3.3.2 濾光與分光器件濾光與分光器件一般包括濾光片、棱鏡、光柵、分光器。(1) 濾光片 濾光片按照濾光特性分為長波通、短波通、帶通和帶阻四大類。(2) 棱鏡棱鏡是由透光材料如玻璃、水晶等做成的多面體。棱鏡的色散 如果平行的入射光由1，2，3三色光組成，且1223，這即為棱鏡的分光作用，又稱光的色散，棱鏡分光器就是根據(jù)此原理設計的。8/24/202239圖3.3-2 不同波長的光在棱鏡中的色散8/24/202240(3) 光柵 光柵是一種非常重要的光學元件。廣義的光柵定義為：可以使入射光的振幅或相位或兩者同時受到周期性空間調制的光學元件。只能使光受到振幅調制或相位調制的光柵，分別稱為振幅光柵

27、和相位光柵。按工作方式分，光柵又可分為透射光柵透射光受調制和反射光柵反射光受調制。 通常所說的光柵，是指利用衍射效應對光進展調制的衍射光柵。但也存在利用其它原理對光進展調制的光柵，如聲光效應晶體折射率光柵。(4) 分光器 分光器有兩種類型，一種是空域實現(xiàn)的光束分路裝置，例如12，1 3等等；一種是頻域實現(xiàn)的不同波長的不同位置顯示，如在原子吸收光譜儀，考察分光器對Mn 279.5nm和279.8nm的分辨能力。8/24/2022413.2.3 單色儀、多色儀和干預儀3.2.3.1 單色儀 單色儀是將復合光分出單色光的裝置，一般可用濾光片、棱鏡、光柵、全息柵等元件?，F(xiàn)在比較常用的是棱鏡和光柵。(1

28、) 棱鏡單色器 棱鏡是分光的主要元件之一，一般是三角柱體。棱鏡單色器示意圖如圖3.3-3所示。1-入射狹縫；2-準直透鏡；3-色散元件；4-聚焦透鏡；5-焦面；6-出射狹縫 8/24/202242(2) 光柵單色器 單色器還可以用光柵作為色散元件，反射光柵是由磨平的金屬外表上刻劃許多平行的、等距離的槽構成。輻射由每一刻槽反射，反射光束之間的干預造成色散。 當一束復合光線進入光譜儀的入射狹縫，首先由光學準直鏡準直成平行光，再通過衍射光柵色散為分開的波長(顏色)。利用不同波長離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像于出射狹縫(圖3.3-4b)。通過電腦控制可準確地改變出射波長。 多色儀不同于單色儀在

29、與它有多個輸出狹縫，所以許多波長帶可以被同時分開，常見有羅蘭圓多色儀、階梯光柵多色儀。多色儀配必要的攝譜裝置可形成攝譜儀。8/24/202243圖3.3-4a 光柵截面高倍放大示意圖 圖3.3-4b 一個簡單的光柵單色器 圖3.3-4 光柵及光柵單色器8/24/2022443.2.3.2 干預儀干預儀種類較多，這里介紹其中最典型的三種。8/24/202245 (2) 馬赫-曾特干預儀這種干預儀，由于其兩束光可分得很開，特別適用于空氣動力學中關于氣流折射率或密度分布變化的研究。 8/24/202246(3) 法布里-珀羅干預儀光譜分辨率極高的多光束干預儀。入射光在相對兩面上反復反射和折射后產生多

30、束相干反射光和透射光，透射光束在透鏡 L2的焦面上疊加，形成等傾圓環(huán)狀干預條紋。干預強度分布公式為It=I0/1+4Rsin(/2)2(1-R)-2 (3.3-6) 式中I0 為入射光強；R 為反射面的能量反射率；為相鄰兩相干光間的相位差，與入射光傾角有關。根據(jù)式(3.3-6)，反射率R愈高，干預極大就愈銳法布里-珀羅干預儀的反射率在90以上。 8/24/202247 3.4 光調制和光束掃描光調制器指的是改變光束物理參量如幅度、相位、頻率、偏振等的元件或裝置在光源內部實現(xiàn)的叫做內調制，在光源外部實現(xiàn)的叫做外調制。光束掃描由使光束定向的裝置掃描器實現(xiàn)，實現(xiàn)光路在空間上的選通功能。3.4.1 光

31、調制器 光調制器參見第2.5節(jié)。3.4.2 光束掃描 通過使探測器的瞬時視場在系統(tǒng)視場中移動，實現(xiàn)順序并且完全地分解圖像。8/24/2022488/24/202249 最通常的機械掃描器有：旋轉鏡鼓、多面鏡、折射棱鏡和擺動平面反射鏡。 掃描機構可以在光學子系統(tǒng)的內部，也可以在外部。當在外部時(圖3.4-1a)，反射鏡必須要比通光孔徑大，并且掃描角為scan /2；當在光學子系統(tǒng)內部時，反射鏡可以小得多，但必須有較大的掃描角。3.4.2.1 機械掃描8/24/202250圖3.4-1掃描機構的位置關系。(a)在光學子系統(tǒng)的外部，(b)在光學子系統(tǒng)的內部8/24/2022513.4.2.2 電光掃

32、描電光掃描是利用電光效應來改變光束在空間的傳播方向，其原理如圖3.4-2所示。8/24/2022528/24/2022533.4.2.3 聲光掃描 聲光掃描器的構造與布拉格聲光調制器根本一樣，所不同之處在于調制器是改變衍射光的強度，而掃描器那么是利用改變聲波頻率來改變衍射光的方向。8/24/2022548/24/2022553.5 大氣調光 光在大氣中的傳播與衰減 光電探測、大氣激光通信等技術應用通常以大氣為信道。 當電磁輻射通過大氣從輻射源向接收器傳輸時，可觀察到三種主要現(xiàn)象：到達傳感器的輻射強度降低了。 外界輻射經散射進入視場，降低了目標比照度。 圖像的重現(xiàn)精度由于紊流和微粒雜質的前向小角

33、度散射而降低。8/24/202256圖3.5-1展示了吸收和散射出視場降低了目標信號，紊流和微粒前向散射使圖像失真，進入視場的散射和路徑輻射降低了目標的比照度。8/24/2022573.5.1 大氣衰減8/24/202258 大氣分子的吸收光波在大氣中傳播時，大氣分子在光波電場的作用下產生極化，并以入射光的頻率作受迫振動。所以為了抑制大氣分子內部阻力要消耗能量，表現(xiàn)為大氣分子的吸收。8/24/202259 大氣分子散射大氣氣溶膠的衰減大氣中有大量的粒度在 0.03 m到2000 m之間的固態(tài)和液態(tài)微粒，它們大致是塵埃、煙粒、微水滴、鹽粒以及有機微生物等。由于這些微粒在大氣中的懸浮呈膠溶狀態(tài)，所

34、以通常又稱為大氣氣溶膠。氣溶膠對光波的衰減包括氣溶膠的散射和吸收。8/24/2022603.5.2 大氣湍流效應在氣體或液體的某一容積內，慣性力與此容積邊界上所受的粘滯力之比超過某一臨界值時，液體或氣體的有規(guī)那么的層流運動就會失去其穩(wěn)定性而過渡到不規(guī)那么的湍流運動，這一比值就是表示流體運動狀態(tài)特征的雷諾數(shù)Re：式中， 為流體密度kg/m3；l為某一特征線度m vl為在 l量級距離上運動速度的變化量m/s； 為流體粘滯系數(shù)kg/ms。雷諾數(shù)Re是一個無量綱的數(shù)。當Re 小于臨界值Recr由實驗測定時，流體處于穩(wěn)定的層流運動，而大于Recr時為湍流運動。由于氣體的粘滯系數(shù) 較小，所以氣體的運動多半

35、為湍流運動。8/24/2022618/24/202262式中， i分別代表速度v、溫度T和折射率n； r為考察點之間的距離；Ci為相應場的構造常數(shù)，單位是m-1/3。 大氣湍流折射率的統(tǒng)計特性直接影響激光束的傳輸特性，通常用折射率構造常數(shù)Ci的數(shù)值大小表征湍流強度，即弱湍流 Cn =810-9m-1/3中等湍流 Cn =410-8m-1/3強湍流 Cn =510-7m-1/3折射率的變化引起擾動，它由密度梯度、溫度和濕度梯度以及大氣壓差而引起，微粒雜質的小角度散射，尤其是其多重散射使景象輻射的光子沿各個方向散射，因而模糊了細節(jié)。對于光電成像系統(tǒng)，擾動同樣影響圖像質量。在成像系統(tǒng)分析中，通過MT

36、F理論來描述圖象質量，大氣的MTF用以表征大氣的紊流和微粒散射。當前的自適應光學技術能夠在一定程度上抑制大氣湍流效應帶來的影響。8/24/202263自適應光學空氣會因溫度、流動或密度不同而有不同的折射率，使穿越大氣層的光線扭曲；而一般鏡面無法修正，反射出的也是變形的影像。為了抑制這一問題，于是產生了自適應光學系統(tǒng)Adaptive optics，縮寫為AO，它是一項使用可變形鏡面矯正因大氣抖動造成光波波前發(fā)生畸變，從而改進光學系統(tǒng)性能的技術。自適應光學的原理 自適應光學技術的鏡面可以改變細部的反射，將變形修正回來。因為入射光的變形是不斷改變的，因此適應光學的可調鏡面也要不斷動作。8/24/202264 為了修復大氣湍流等因素對光波波前的扭曲，自適應光學首先要檢測波前扭曲情況，然后，通過安裝在望遠鏡焦面前方的一塊小型的可變形鏡面對波前實時進展矯正?？勺冃午R面后安裝有促動器。自適應光學的控制系統(tǒng)是一臺專門的計算機，它通過分析由波前傳感器采集的數(shù)據(jù)來對鏡面的形狀做出修正。分析必須在極短的時間內完成0.5到1毫秒內，不然大氣情況的改變將使系統(tǒng)的改