光电子技术第3课PPT

evKevmmKKKV1)()()()()(2211TMTTMTTMbvvvvv光视效能单色光视效率基尔霍夫辐射定律普朗克公式斯忒藩-玻尔兹曼定律40()()vbvbMTMTdT上节复习单色辐射出射度单色吸收比维恩位移定律32.89810mTmK第二章光辐射的传播2.1光波在大气中的传播大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。影响光束的特性大气气体分子及气溶胶的吸收和散射光束能量衰减空气折射率不均匀光波的振幅和相位起伏非线性效应（光波功率大、持续时间极短）1.大气衰减传输光辐射强度的衰减吸收而转变为其他形式的能量（如热能等）散射而偏离原来的传播方向dI/I=(I-I)/I=dl大气透过率LdlIIT0exp/朗伯定律)exp(LT光强随传输距离的增加呈指数规律衰减为大气衰减系数（1/km）吸收散射aammkkkm和m分别为分子的吸收和散射系数；ka和a分别大气气溶胶的吸收和散射系数衰减系数常用单位为（1/km）或（分贝dB/km）。二者之间的换算关系为(dB/km)=4.343(1/km)⑴大气分子的吸收大气分子在光波电场的作用下产生极化以入射光的频率作受迫振动克服大气分子内部阻力要消耗能量大气分子的吸收分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定极性分子的内部运动分子内电子运动组成分子的原子振动分子绕其质量中心的转动组成紫外和可见光近红外和中红外远红外分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率N2、O2分子（约90%）远红外和微波He，Ar，Xe，O3，Ne含量甚微可见光H2O和CO2分子可见光和近红外区分子结构不同，吸收特性不同⑵大气分子散射密度起伏破坏了大气的光学均匀性一部分光辐射光会向其他方向传播散射在可见光和近红外波段，辐射波长总是远大于分子的线度，这一条件下的散射为瑞利散射。43/827.0ANmm为瑞利散射系数（cm-l）；N为单位体积中的分子数（cm-1）；A为分子的散射截面（cm2）；为光波长（cm）波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。可见光比红外光散射强烈，蓝光又比红光散射强烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因为蓝光散射最强烈，故明朗的天空呈现蓝色。⑶大气气溶胶的衰减大气中有大量的粒度在0.03m到2000m之间的固态和液态微粒，它们大致是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等。由于这些微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态，所以通常又称为大气气溶胶。二氧化硫氮氧化物可吸入颗粒物PM2.5也就是直径小于2.5微米的污染物颗粒雾霾汽车尾气烧煤废气工业废气扬尘当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时，即产生米氏散射①晴朗、霾、雾大气的衰减)exp(LTaqaAlnlnlnqAa根据朗伯定律，在大气水平均匀条件下，考虑气溶胶衰减，式改写为为水平传输距离。a可写成两边取对数得)exp(LT可见(－q)是lna~ln直线的斜率，q值可通过实验确定。对于可见光，/0.551，故有a=3.91/V(km)。对于近红外光，)km6(585.0)(3.1)(6.13/1VVq当中等能见度能见度很大时qaV)55.0/()/29.3(据气象对能见度V（km）的定义可得②雨和雪的衰减雾粒子和雨滴尺寸有很大差别。雨滴间隙要大得多故能见度较雾高，光波容易通过。加之雨滴的前向散射效应强，这会显著地减小对直射光束的衰减。结果雨的衰减系数比雾小两个数量级以上。由于雪的物理描述难度较大，又缺乏雪的折射率资料，目前还很难做出定量计算。一些实验研究表明，激光在雪中的衰减与在雨中相似，衰减系数与降雪强度有较好的对应关系。不同波长的激光在雪中的衰减差别不大，但就同样的含水量而言，雪的衰减比雨的大，比雾的小。2.大气湍流效应在气体或液体的某一容积内，惯性力与此容积边界上所受的粘滞力之比超过某一临界值时，液体或气体的有规则的层流运动就会失去其稳定性而过渡到不规则的湍流运动，这一比值就是表示流体运动状态特征的雷诺数Re：/ΔRelv式中，为流体密度（kg/m3）；l为某一特征线度（m）vl为在l量级距离上运动速度的变化量（m/s）；为流体粘滞系数（kg/ms）。Re是一个无量纲的数。当Re小于临界值Recr（由实验测定）时，流体处于稳定的层流运动，而大于Recr时为湍流运动。由于气体的粘滞系数较小，所以气体的运动多半为湍流运动。大气湍流气团的线尺度l有一个上限L0和下限l0，即L0ll0，L0和l0分别称为湍流气团的外尺度和内尺度。在近地面附近，l0通常是毫米量级，L0则是观察点（如激光传输光路）离开地面高度。激光的大气湍流效应是指激光辐射在折射率起伏场中传输时的效应。大气速度、温度、折射率的统计特性服从“2/3次方定律”3/22221)(rCiiii分别代表速度（v）、温度（T）和折射率（n）；r为考察点之间的距离；Ci为相应场的结构常数，单位是m-1/3。大气湍流折射率的统计特性直接影响激光束的传输特性，通常用折射率结构常数Ci的数值大小表征湍流强度，即弱湍流Cn=810-9m-1/3中等湍流Cn=410-8m-1/3强湍流Cn=510-7m-1/3⑴大气闪烁光束强度在时间和空间上随机起伏，光强忽大忽小，即所谓光束强度闪烁。大气闪烁的幅度特性由接收平面上某点光强I的对数强度方差来表征2202024)]/[ln(4)]/[ln(AAIII在弱湍流且湍流强度均匀的条件下：对球面波对平面波)()/2(28.1)()/2(496.0)()/2(8.12)()/2(23.1406/116/72006/116/7206/116/72006/116/7222LLLCLLlLCLLLCLLlLCnnnnI波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。当湍流强度增强到一定程度或传输距离增大到一定限度时，闪烁方差就不再按上述规律继续增大，却略有减小而呈现饱和，故称之为闪烁的饱和效应。⑵光束的弯曲和漂移接收平面上，光束中心的投射点（即光斑位置）以某个统计平均位置为中心，发生快速的随机性跳动（其频率可由数赫到数十赫），此现象称为光束漂移。若将光束视为一体，经过若干分钟会发现，其平均方向明显变化，这种慢漂移亦称为光束弯曲。光束弯曲漂移现象亦称天文折射，主要受制于大气折射率的起伏。弯曲表现为光束统计位置的慢变化，漂移则是光束围绕其平均位置的快速跳动。)/7910)1((/1079166TPnNTPn或P为大气压强；T为大气温度（K）。根据折射定律，在水平传输情况下不难证明，光束曲率为dhdTTPdhdPTdhdNc27979c为正，光束向下弯曲；当dT/dh35C/km时，c为负，光束向上弯曲。实验发现，一般情况下白天光束向上弯曲；晚上光束向下弯曲。如忽略湿度影响，在光频段大气折射率n可近似表示为对于光束漂移，理论分析表明，其漂移角与光束在发射望远镜出口处的束宽W0关系密切；漂移角的均方值3/102275.1LWCna由此可见，光束越细，漂移就越大。采用宽的光束可减小光束漂移。当Cn6.510-7m-1/3/h，c值约为40rad，不再按3/102275.1LWCna式变化，表明漂移亦有饱和效应。⑶空间相位起伏如果不是用靶面接收，而是在透镜的焦平面上接收，就会发现像点抖动。这可解释为在光束产生漂移的同时，光束在接收面上的到达角也因湍流影响而随机起伏，即与接收孔径相当的那一部分波前相对于接收面的倾斜产生随机起伏。)(cos0uxtEE)(cos0uxtHH