光电子技术第三课光电子技术第三课王炜路王炜路TelTel：：1829613614118296136141 ：：6714845367148453 EmailEmail：：wlwang@wlwang@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-玻尔兹曼定律上节复习上节复习单色辐射出射度单色吸收比维恩位移定律第二章 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 朗伯定律 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 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。
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 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可见(－q)是lna ~ln直线的斜率，q值可通过实验确定对于可见光，/0.551，故有a=3.91/V (km) 对于近红外光，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： 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）； h为流体粘滞系数（kg/ms） 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L06.510-7 m-1/3/h，c值约为40rad，不再按 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。