1、光在湍流大氣中的傳播 姓姓 名：名： XX 專業班級：專業班級：2015級級 xxxx 一.前言 大氣湍流大氣湍流引起的折射率隨機起伏引起的折射率隨機起伏將導致激光束光場的隨機變化，將導致激光束光場的隨機變化，它會嚴重限制不同光學工程系統它會嚴重限制不同光學工程系統的使用性能，甚至決定的使用性能，甚至決定光學工程光學工程系統的技術可行性。因此，研究系統的技術可行性。因此，研究光在大氣傳輸光在大氣傳輸湍流效應湍流效應具有重要具有重要的理論和應用意義。的理論和應用意義。二二. 大氣端流大氣端流大氣層中空氣密度規則起伏稱為大氣湍流。 湍流對光束傳輸的影的影響稱為湍流效應。如在地球表面，熱空氣上升，冷

2、空氣下沉，形成空氣對流。 大大氣氣端端流流大氣的隨機運動造成了大氣湍流，其主要起因是地球表面對氣流拖曳造成的風速剪切、太陽輻射對地球表面不同位置加熱的差異或地表熱輻射導致的熱對流、包含熱量釋放的相變過程造成的溫度和速度場的改變等。2.1大氣折射率和湍流的影響光波在大氣中傳播所呈現的一切性質的改變來源于空氣折射率的影響?？諝獾恼凵渎视煽諝獾拿芏葲Q定。空氣主要的變化因素是水汽和二氧化碳。對空氣折射率的研究，目前通用的計算空氣折射率的公式是基于 Edln 和 Ciddor 的結果.2.2 大氣閃爍大氣閃爍 光束強度在光束強度在時間時間和和空間空間上隨機起伏，光強忽大忽上隨機起伏，光強忽大忽小，即所謂

3、小，即所謂光束強度閃爍光束強度閃爍。大氣閃爍就是由湍流大氣閃爍就是由湍流漩渦引起的漩渦引起的 大氣閃爍的大氣閃爍的幅度特性幅度特性 由接收平面上某點光強由接收平面上某點光強I的的對數強度方差對數強度方差來表征來表征 2202024)/ln(4)/ln(AAIII 式中，式中， 可通過理論計算求得，而可通過理論計算求得，而 則可由則可由實際測量得到。實際測量得到。 2I2在弱湍流且湍流強度均勻的條件下：在弱湍流且湍流強度均勻的條件下： 26/711/60026/711/602226/711/60026/711/601.23(2)()12.8(2)()40.496(2)()1.28(2)()nnI

4、nnCLlLLCLLLCLlLLCLLL對平面波對球面波 一般地，一般地，波長短，閃爍強，波長長，閃爍小波長短，閃爍強，波長長，閃爍小。當湍流強度。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律繼續增大，卻略有減小而呈現飽和，故稱之為再按上述規律繼續增大，卻略有減小而呈現飽和，故稱之為閃閃爍的飽和效應爍的飽和效應。 2.3光束的彎曲和漂移光束的彎曲和漂移若將光束視為一體，經過若干分鐘會發現，其若將光束視為一體，經過若干分鐘會發現，其平均方向明顯變化，這種慢漂移亦稱為。平均方向明顯變化，這種慢漂移亦稱為。 光束彎

5、曲漂移現象亦稱天文折射，主要受制于大光束彎曲漂移現象亦稱天文折射，主要受制于大氣折射率的起伏氣折射率的起伏。彎曲表現為光束統計位置的慢變化，。彎曲表現為光束統計位置的慢變化，漂移則是光束圍繞其平均位置的快速跳動。漂移則是光束圍繞其平均位置的快速跳動。 光束漂移光束漂移在接收平面上，光束中心的投射點（即光在接收平面上，光束中心的投射點（即光斑位置）以某個統計平均位置為中心，發斑位置）以某個統計平均位置為中心，發生快速的隨機性跳動（其頻率可由數赫到生快速的隨機性跳動（其頻率可由數赫到數十赫數十赫）光束彎曲光束彎曲2.4 湍流大氣中的光傳播現象湍流大氣中的光傳播現象當光在湍流大氣中傳播時，大氣湍流造

6、成的折射率的起當光在湍流大氣中傳播時，大氣湍流造成的折射率的起伏導致激光波陣面的畸變，破壞了光的相干性伏導致激光波陣面的畸變，破壞了光的相干性. 而相干性而相干性的退化將嚴重削弱光的光學質量，引起光線的隨機漂移、的退化將嚴重削弱光的光學質量，引起光線的隨機漂移、光能量在湍流大氣中的傳播光束截面上的重新分布（畸光能量在湍流大氣中的傳播光束截面上的重新分布（畸變、展寬、破碎等）、光實際傳播路徑長度的起伏、一變、展寬、破碎等）、光實際傳播路徑長度的起伏、一定接收面積上光強起伏等定接收面積上光強起伏等. 三三. 激光在大氣端流中的傳播激光在大氣端流中的傳播激光是激光是20 世紀最偉大的發明之一世紀最偉

7、大的發明之一. 激光的高相激光的高相干度、高亮度、強方向性是普通光源無法比擬干度、高亮度、強方向性是普通光源無法比擬的優點，它在各個學科與技術領域的應用無所的優點，它在各個學科與技術領域的應用無所不在、與日俱增不在、與日俱增. 但當激光在大氣中長距離傳但當激光在大氣中長距離傳播時，由于大氣的影響，相干度、亮度會下降，播時，由于大氣的影響，相干度、亮度會下降，光束會發散、抖動，當然還有許多物理上的性光束會發散、抖動，當然還有許多物理上的性質要改變，激光的優點被大大消蝕質要改變，激光的優點被大大消蝕. 因此，因此， 要要充分發揮激光的優勢，必須了解大氣湍流對激充分發揮激光的優勢，必須了解大氣湍流對

8、激光的影響光的影響. 3.1強度起伏(大氣閃爍)激光束通過有湍流的大氣傳輸時,其強度、相位和傳輸方向會受到擾動而出現相應的隨機變化,當光束截面內包含許多瑞流渦旋,引起光束強度起伏、相位起伏和光束擴展。3. 2激光束的漂移激光束的漂移湍流大氣中光斑的形變特征最為常見的是光斑漂湍流大氣中光斑的形變特征最為常見的是光斑漂移移. 顧名思義，漂移反映了光斑空間位置的時間顧名思義，漂移反映了光斑空間位置的時間變化變化. 光斑漂移對激光在大氣中的工程應用，如光斑漂移對激光在大氣中的工程應用，如光學跟蹤系統，具有重要的影響光學跟蹤系統，具有重要的影響 . 3. 3 激光束的擴展激光束的擴展湍流大氣中傳播的激光光斑在時刻漂移著，湍流大氣中傳播的激光光斑在時刻漂移著，如果我們長時間觀測（或觀察光斑的長曝如果我們長時間觀測（或觀察光斑的長曝光照片），因光斑漂移引起的累加效果會光照片），因光斑漂移引起的累加效果會形成比瞬時光斑（短曝光光斑）大得多的形成比瞬時光斑（短曝光光斑）大得多的彌散斑，這通常稱為長時擴展彌散斑，這通常稱為長時擴展. 而湍流大而湍流大氣的影響也會使激光