光在大氣中的傳播姓名：黃彪

專業班級：2013級光學工程

一.前言

大氣激光通信、探測等技術應用通常以大氣為信道。光波在大氣中傳播時，大氣氣體分子及氣溶膠的吸收和散射會引起的光束能量衰減，空氣折射率不均勻會引起的光波振幅和相位起伏；當光波功率足夠大、持續時間極短時，非線性效應也會影響光束的特性。

二.大氣衰減

激光輻射在大氣中傳播時：

部分能量被散射而偏離原來的傳向

部分光輻射能量被吸收而轉變為其他形式的能量

吸收和散射的總效果使傳輸光輻射強度的衰減。如熱能等如輻射能量空間重新分配

設強度為I的單色光輻射，通過厚度為dl的大氣薄層。不考慮非線性效應，光強衰減量dI正比與I及dl，

即dI/I=(I-I)/I=dl積分后得大氣透過率：IIdl為大氣衰減系數。此描述大氣衰減的朗伯定律，表明光強隨傳輸距離的增加呈指數規律衰減。化簡得：分子的吸收系數分子的散射系數氣溶膠的吸收系數氣溶膠的散射系數

對大氣衰減的研究可歸結為對上述四個基本衰減參數的研究。⑴大氣分子的吸收

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。所以為了克服大氣分子內部阻力要消耗能量，表現為大氣分子的吸收。

分子的固有吸收頻率由分子內部的運動形態決定。

吸收分子主要吸收譜線中心波長(m)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

從表不難看出，對某些特定的波長，大氣呈現出極為強烈的吸收，光波幾乎無法通過。根據大氣的這種選擇吸收特性，一般把近紅外區分成八個區段，將透過率較高的波段稱為“大氣窗口”。在這些窗口之內，大氣分子呈現弱吸收。目前常用的激光波長都處于這些窗口之內。

⑵大氣分子散射

大氣中總存在著密度起伏，破壞了大氣的光學均勻性，一部分輻射光會向其他方向傳播，從而導致光在各個方向上的散射。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。瑞利散射光的強度與波長的四次方成反比。瑞利散射系數的經驗公式為：

由于分子散射波長的四次方成反比。波長越長，散射越弱；波長越短，散射越強烈。故可見光比紅外光散射強烈，藍光又比紅光散射強烈。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，故明朗的天空呈現藍色。

（3）大氣氣溶膠的衰減大氣氣溶膠的概念：是指大氣中有大量的粒度在0.03m到2000m之間的固態和液態微粒氣溶膠對光波的衰減

散射吸收

當光的波長相當于或小于散射粒子尺寸時，即產生米-德拜散射

三.大氣湍流效應

通常大氣是一種均勻混合的單一氣態流體，其運動形式分為層流運動和湍流運動。層流運動：流體質點做有規則的穩定流動，在一個薄層的流速和流向均為定值，層與層之間在運動過程中不發生混合。湍流運動：無規則的漩渦流動，質點的運動軌跡很復雜，既有橫向運動，也有縱向運動，空間每一點的運動速度圍繞某一平均值隨機起伏。1、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的對數強度方差來表征

式中，可通過理論計算求得，而則可由實際測量得到。

在弱湍流且湍流強度均勻的條件下：

一般地，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律繼續增大，卻略有減小而呈現飽和，故稱之為閃爍的飽和效應。2、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，其平均方向明顯變化，這種慢漂移亦稱為。

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。彎曲表