1、光電子技術(shù)第三課,王煒路 TelQQ：67148453 Email：,光視效能,單色光視效率,基爾霍夫輻射定律,普朗克公式,斯忒藩-玻爾茲曼定律,上節(jié)復習,單色輻射出射度,單色吸收比,維恩位移定律,第二章 光輻射的傳播,2.1光波在大氣中的傳播,大氣激光通信、探測等技術(shù) 應用通常以大氣為信道。,影響光束 的特性,大氣氣體分子及氣 溶膠的吸收和散射,光束能量衰減,空氣折射率不均勻,光波的振幅和 相位起伏,非線性效應（光波功率大、持續(xù)時間極短）,1. 大氣衰減,傳輸光輻射 強度的衰減,吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?形式的能量 （如熱能等）,散射而偏離原來 的傳播方向,dI/I=(I-

2、I)/I=dl,大氣透過率,朗伯定律,光強隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減,為大氣衰減系數(shù)（1/km）,吸收 散射,km和m分別為分子的吸收和散射系數(shù)； ka和a分別大氣氣溶膠的吸收和散射系數(shù),衰減系數(shù)常用單位為（1/km）或（分貝 dB/km）。 二者之間的換算關(guān)系為 (dB/km)=4.343(1/km), 大氣分子的吸收,大氣分子在 光波電場的 作用下產(chǎn)生 極化,以入射光的 頻率作受迫 振動,克服大氣分 子內(nèi)部阻力 要消耗能量,大氣分子 的吸收,分子的固有吸收頻率由分子內(nèi)部的運動形態(tài)決定,極性分 子的內(nèi) 部運動,分子內(nèi)電子運動,組成分子的原子振動,分子繞其質(zhì)量 中心的轉(zhuǎn)動組成,紫外和可見光

3、,近紅外 和中紅外,遠紅外,分子的吸收特性強烈的依賴于光波的頻率,N2、O2分子（約90%）,遠紅外和微波,He，Ar，Xe，O3，Ne 含量甚微,可見光,H2O和CO2分子,可見光和 近紅外區(qū),分子結(jié)構(gòu)不同，吸收特性不同, 大氣分子散射,密度起伏,破壞了大氣的 光學均勻性,一部分光輻 射光會向其 他方向傳播,散射,在可見光和近紅外波段，輻射波長總是遠大于分子的線度， 這一條件下的散射為瑞利散射。,m為瑞利散射系數(shù)（cm-l）； N為單位體積中的分子數(shù)（cm-1）； A為分子的散射截面（cm2）； 為光波長（cm）,波長越長，散射越弱；波長越短，散射越強烈。,可見光比紅外光散射強烈，藍光又 比

4、紅光散射強烈。在晴朗天空， 其他微粒很少，因此瑞利散射是 主要的，又因為藍光散射最強烈， 故明朗的天空呈現(xiàn)藍色。,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)，所以通常又稱為大氣氣溶膠。,二氧化硫 氮氧化物 可吸入顆粒物PM2.5也就是直徑小于2.5微米的污染物顆粒,霧霾,汽車尾氣,燒煤廢氣,工業(yè)廢氣,揚塵,當光的波長相當于或小于散射粒 子尺寸時，即產(chǎn)生米氏散射, 晴朗、霾、霧大氣的衰減,根據(jù)朗伯定律，在大氣水平均勻條件下，考慮氣溶膠衰減， 式改寫為,為水

5、平傳輸距離。a可寫成,兩邊取對數(shù)得,可見(q)是lna ln直線的斜率，q值可通過實驗確定。,對于可見光，/0.551，故有a=3.91/V (km)。,對于近紅外光，,據(jù)氣象對能見度V（km）的定義可得, 雨和雪的衰減,霧粒子和雨滴尺寸有很大差別。雨滴 間隙要大得多故能見度較霧高，光波 容易通過。加之雨滴的前向散射效應 強，這會顯著地減小對直射光束的衰 減。結(jié)果雨的衰減系數(shù)比霧小兩個數(shù) 量級以上。,由于雪的物理描述難度較大，又缺乏雪 的折射率資料，目前還很難做出定量計 算。一些實驗研究表明，激光在雪中的 衰減與在雨中相似，衰減系數(shù)與降雪強 度有較好的對應關(guān)系。不同波長的激光 在雪中的衰減差別

6、不大，但就同樣的含 水量而言，雪的衰減比雨的大，比霧的小。,2. 大氣湍流效應,在氣體或液體的某一容積內(nèi)，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)則的 層流運動就會失去其穩(wěn)定性而過渡到不規(guī)則的湍流運動， 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）。 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為湍流

7、運動。,大氣湍流氣團的線尺度l有一個上限 L0和下限l0，即L0l l0，L0和l0分別 稱為湍流氣團的外尺度和內(nèi)尺度。 在近地面附近，l0通常是毫米量級， L0則是觀察點（如激光傳輸光路） 離開地面高度。,激光的大氣湍流效應是指激光輻射在折射率起伏場中傳輸 時的效應。大氣速度、溫度、折射率的統(tǒng)計特性 服從“2/3次方定律”,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為相應場的結(jié)構(gòu)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， 通常用折射率結(jié)構(gòu)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

8、 =410-8m-1/3 強湍流 Cn =510-7m-1/3, 大氣閃爍,光束強度在時間和空間上隨機起伏，光強忽 大忽小，即所謂光束強度閃爍。大氣閃爍的 幅度特性由接收平面上某點光強I的對數(shù)強度 方差來表征,在弱湍流且湍流強度均勻的條件下：,波長短，閃爍強，波長長，閃爍小。 當湍流強度增強到一定程度或傳輸距離增大到一定限度時，閃爍方差就不再按上述規(guī)律繼續(xù)增大，卻略有減小而呈現(xiàn)飽和，故稱之為閃爍的飽和效應。, 光束的彎曲和漂移,接收平面上，光束中心的投射點（即光斑位置）以某個統(tǒng)計 平均位置為中心，發(fā)生快速的隨機性跳動（其頻率可由數(shù)赫 到數(shù)十赫），此現(xiàn)象稱為光束漂移。若將光束視為一體， 經(jīng)過若干

9、分鐘會發(fā)現(xiàn)，其平均方向明顯變化，這種慢漂移亦 稱為光束彎曲。,光束彎曲漂移現(xiàn)象亦稱天文折射，主要受制于大氣折射率的起伏。 彎曲表現(xiàn)為光束統(tǒng)計位置的慢變化，漂移則是光束圍繞其平均位 置的快速跳動。,P為大氣壓強； T為大氣溫度（K）。根據(jù)折射定律， 在水平傳輸情況下不難證明，光束曲率為,c為正，光束向下彎曲；當dT/dh 35C/km時，c為負， 光束向上彎曲。實驗發(fā)現(xiàn)，一般情況下白天光束向上彎曲； 晚上光束向下彎曲。,如忽略濕度影響，在光頻段大氣折射率n可近似 表示為,對于光束漂移，理論分析表明，其漂移角與光束在發(fā)射望遠 鏡出口處的束寬W0關(guān)系密切；漂移角的均方值,由此可見，光束越細，漂移就越大。采用寬的光束可減小光 束漂移。當Cn6.510-7 m-1/3/h，