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1、UPDOWNBACK光电子技术Photoelectronic TechniquePhotoelectronic Technique光束的光束的光束的光束的传播传播传播传播主讲：周自刚主讲：周自刚主讲：周自刚主讲：周自刚 助教：助教：助教：助教：范宗学范宗学范宗学范宗学UPDOWNBACKUPDOWNBACK2.1 光波在大气中的传播光波在大气中的传播2.2 光波在电光晶体中的传播光波在电光晶体中的传播 2.3 光波在声光晶体中的传播光波在声光晶体中的传播2.4 光波在磁光介质中的传播光波在磁光介质中的传播 2.5 光波在光纤波导中的传播光波在光纤波导中的传播2.6 光波在非线性介质中的传播光波
2、在非线性介质中的传播章节内容章节内容UPDOWNBACK 主要讲授激光光波在各种介质中的传播规律与分析方法。主要讲授激光光波在各种介质中的传播规律与分析方法。1. 基本要求基本要求 牢固掌握光波在常见电介质中的传播规律。牢固掌握光波在常见电介质中的传播规律。2. 重点、难点重点、难点重点：重点：光波在大气、电光晶体、声光晶体、和磁光介质中的传播特性光波在大气、电光晶体、声光晶体、和磁光介质中的传播特性难点：光波在电光晶体和声光晶体的传播特性难点：光波在电光晶体和声光晶体的传播特性知识要点知识要点UPDOWNBACK光电子技术Photoelectronic TechniquePhotoelect
3、ronic Technique光束在大气中的传播光束在大气中的传播光束在大气中的传播光束在大气中的传播主讲：周自刚主讲：周自刚主讲：周自刚主讲：周自刚 助教：范宗学助教：范宗学助教：范宗学助教：范宗学 冯杰冯杰冯杰冯杰UPDOWNBACK 大气激光通信、探测大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。等技术应用通常以大气为信道。 光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸吸收收和和散射散射会引起的光束能量衰减，会引起的光束能量衰减，空气折射率空气折射率不均匀会不均匀会引起的光波引起的光波振幅和相位振幅和相位起伏；当光波功率足够大、持续起伏；当光波功
4、率足够大、持续时间极短时，时间极短时，非线性效应非线性效应也会影响光束的特性。也会影响光束的特性。UPDOWNBACK1. 1. 大气衰减大气衰减 激光辐射在大气中传播时，激光辐射在大气中传播时，部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量（如（如热能热能等）等）部分能量被散射而偏离原来的传播方向部分能量被散射而偏离原来的传播方向（即（即辐射能量空间重新分配辐射能量空间重新分配）。）。 吸收吸收和和散射散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。的总效果使传输光辐射强度的衰减。UPDOWNBACK 设强度为设强度为I的单色光辐射，通过厚度为的单色光辐射，通过厚度
5、为dl的大气薄层。不考虑非线性效应，光的大气薄层。不考虑非线性效应，光强衰减量强衰减量dI正比与正比与I及及dl，即即dI/I=(I -I)/I= dl。积分后得大气透过率积分后得大气透过率IIdl假定可以简化为假定可以简化为 ：大气衰减系数（1/km）。此描述大气衰减的朗伯定律，表明光强随光强随传输距离的增加呈指数规律衰减传输距离的增加呈指数规律衰减。UPDOWNBACK 因为衰减系数因为衰减系数 描述了吸收和散射两种独立物理过程对传播光辐射强描述了吸收和散射两种独立物理过程对传播光辐射强度的影响，所以度的影响，所以 可表示为可表示为km和和 m分子的吸收和散射系数；分子的吸收和散射系数；k
6、a和和 a气溶胶的吸收和散射系数。气溶胶的吸收和散射系数。 对大气衰减的研究可归结为对上述四个基本衰减参数的研究。对大气衰减的研究可归结为对上述四个基本衰减参数的研究。 衰减系数常用单位为（衰减系数常用单位为（1/km）或（）或（dB/km）。二者之间的换算关系为）。二者之间的换算关系为 (dB/km)=4.343 (1/km) UPDOWNBACK 大气分子的吸收大气分子的吸收 大气分子大气分子极化极化受迫振动受迫振动吸收。吸收。 分子的分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。 极性分子极性分子电子运动电子运动原子振动原子振动转动转动。 相应的共振吸收
7、频率分别与光波的紫外和可见光、近红外和中红外以及相应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近红外和中红外以及远红外区相对应。远红外区相对应。 因此，分子的吸收特性强烈的依赖于因此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率光波的频率。 UPDOWNBACK 大气中大气中N2、O2 可见光和红外区几乎不表现吸收可见光和红外区几乎不表现吸收远红外和微波远红外和微波吸收。吸收。 大气中大气中He，Ar，Xe，O3，Ne等等可见光和近红外可见光和近红外有吸收谱线有吸收谱线大气中的大气中的含量甚微含量甚微不考虑吸收不考虑吸收在高空处，其余衰减因素都已很弱在高空处，其余衰减因素都已很弱吸收作用。吸收作用。 U
8、PDOWNBACK 大气中大气中H2O和和CO2分子，特别是分子，特别是H2O分子在分子在近红外近红外区有宽广的振区有宽广的振动动-转动及纯振动结构，因此是转动及纯振动结构，因此是可见光和近红外可见光和近红外区最重要的吸收分子区最重要的吸收分子表表1： 可见光和近红外区主要吸收谱线可见光和近红外区主要吸收谱线吸收吸收分子分子主要吸收谱线中心波长主要吸收谱线中心波长( m)H2O0.72 0.82 0.93 0.94 1.13 1.38 1.46 1.87 2.66 3.15 6.26 11.7 12.6 13.5 14.3CO21.4 1.6 2.05 4.3 5.2 9.4 10.4O24.
9、7 9.6UPDOWNBACK表表1： 可见光和近红外区主要吸收谱线可见光和近红外区主要吸收谱线吸收吸收分子分子主要吸收谱线中心波长主要吸收谱线中心波长( m)H2O0.72 0.82 0.93 0.94 1.13 1.38 1.46 1.87 2.66 3.15 6.26 11.7 12.6 13.5 14.3CO21.4 1.6 2.05 4.3 5.2 9.4 10.4O24.7 9.6 对某些特定的波长对某些特定的波长大气呈现出极为强烈的吸收大气呈现出极为强烈的吸收光波几乎无法通过。光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将
10、透过率一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为较高的波段称为“大气窗口大气窗口”。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用的激光波长都处于这些窗口之内目前常用的激光波长都处于这些窗口之内。 UPDOWNBACK 大气分子散大气分子散射射 大气中总存在着局部的密度与平均密度统计性的偏离大气中总存在着局部的密度与平均密度统计性的偏离密度起伏密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，一部分辐射光会向其他方向传播，从而导致光破坏了大气的光学均匀性，一部分辐射光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的散射。在各个方向上的散射。 在可见光和近红外波段，辐射波长总
11、是远大于分子的线度，这一条件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下的散射为瑞利散射瑞利散射。瑞利散射光的强度与波长的四次方成反比瑞利散射光的强度与波长的四次方成反比。波长越长波长越长(短短)，散射越弱，散射越弱(强强)UPDOWNBACK 由于分子散射波长的四次方成反比。波长越长，散射越弱；波长越由于分子散射波长的四次方成反比。波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。故短，散射越强烈。故可见光比红外光散射强烈，蓝光又比红光散射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，又因为蓝光散射在晴朗天空，其他微粒很
12、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。最强烈，故明朗的天空呈现蓝色。 UPDOWNBACK（3）大气气溶胶的衰减）大气气溶胶的衰减 大气气溶胶：大气气溶胶：大气中有大量的粒度在大气中有大量的粒度在 0.03 m到到2000 m之间的固态和液态之间的固态和液态微粒，它们大致是微粒，它们大致是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等。由于这等。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。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。 气溶胶对光波的衰减包括气溶胶的气溶胶对光波的衰减包括气溶胶的散射
13、散射和和吸收吸收。 当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时，当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时，即产生米即产生米-德拜散射。德拜散射。米米-德拜散射则主要依赖于德拜散射则主要依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，与散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，与波长的关系远不如瑞利散射强烈（可以近似认为波长的关系远不如瑞利散射强烈（可以近似认为与波长无关）与波长无关）。 UPDOWNBACK气溶胶微粒的尺寸分布极其复杂，受天气变化的影响也十分大。气溶胶微粒的尺寸分布极其复杂，受天气变化的影响也十分大。表表2-2 霾、云和降水天气的物理参数霾、云和降水天气的物理参数 天气类型天气类型N (cm
14、-3)amax ( m)气溶胶类型气溶胶类型霾霾M100 cm-33海上或岸边的气溶胶海上或岸边的气溶胶霾霾L100 cm-32大陆性气溶胶大陆性气溶胶霾霾H100 cm-30.6高空或平流层的气溶胶高空或平流层的气溶胶雨雨M100 cm-33000小雨或中雨小雨或中雨雨雨L1000 m-32000大雨大雨冰雹冰雹H10 m-36000含有大量小颗粒冰雹含有大量小颗粒冰雹积云积云C.1100 cm-315积云或层云、雾积云或层云、雾云云C.2100 cm-37有色环的云有色环的云云云C.3100 cm-33.5贝母云贝母云云云C.4100 cm-35.5太阳周围的双层或三层环的太阳周围的双层或
15、三层环的云云UPDOWNBACK雾和霾 霾霾:也称灰霾(烟霞)空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子也能使大气混浊，视野模糊并导致能见度恶化，如果水平能见度小于10000米时，将这种非水成物组成的气溶胶系统造成的视程障碍称为霾(Haze)或灰霾(Dust-haze)，香港天文台称烟霞(Haze)。 雾雾：雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统，是近地面层空气中水汽凝结(或凝华)的产物。雾的存在会降低空气透明度，使能见度恶化，如果目标物的水平能见度降低到1000米以内，就将悬浮在近地面空气中的水汽凝结(或凝华)物的天气现象称为雾(Fog)；而将目标物的水平能见度在1
16、000-10000米的这种现象称为轻雾或霭(Mist)。 UPDOWNBACK （1）相对湿度：水分含量达到90以上的叫雾，水分含量低于80的叫霾。8090之间的，是雾和霾的混合物，但主要成分是霾。 （2）能见度：如果目标物的水平能见度降低到1千米以内，就是雾；水平能见度在110千米的，称为轻雾；水平能见度小于10千米，且是灰尘颗粒造成的，就是霾或灰霾。 （3）厚度：雾的厚度只有几十米至200米，霾则有13千米。 （4）颜色：雾的颜色是乳白色、青白色或纯白色，霾则是黄色、橙灰色。 （5）边缘轮廓：雾的边界很清晰，过了“雾区”可能就是晴空万里，但是霾则与周围环境边界不明显。 雾和霾UPDOWNB
17、ACK2. 大气湍流效大气湍流效应 大气是一种均匀混合的单一气态流体，其运动形式分为大气是一种均匀混合的单一气态流体，其运动形式分为层流运动和湍层流运动和湍流运动。流运动。 层流运动：层流运动：流体质点做有规则的稳定流动，在一个薄层的流速和流向流体质点做有规则的稳定流动，在一个薄层的流速和流向均为定值，层与层之间在运动过程中不发生混合。均为定值，层与层之间在运动过程中不发生混合。 湍流运动：湍流运动：无规则的漩涡流动，质点无规则的漩涡流动，质点的运动轨迹很复杂，既有横向运动，也有的运动轨迹很复杂，既有横向运动，也有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值
18、随机起伏。一平均值随机起伏。UPDOWNBACK 惯性力与此气体容积边界上所受的粘滞力之比超过惯性力与此气体容积边界上所受的粘滞力之比超过某一临界值时，有规则的某一临界值时，有规则的层流运动层流运动就会失去，其稳定性就会失去，其稳定性而过渡到不规则的而过渡到不规则的湍流运动湍流运动，这一比值就是表示流体运，这一比值就是表示流体运动状态特征的雷诺数动状态特征的雷诺数Re： 为流体密度（为流体密度（kg/m3）；）；l为某一特征线度（为某一特征线度（m），）， vl为在为在 l上速度变化量上速度变化量（m/s）；）； 为流体粘滞系数（为流体粘滞系数（kg/m s）。雷诺数）。雷诺数Re是一个无量纲
19、的数。是一个无量纲的数。 当当Re 小小于于临临界界值值Recr（由由实实验验测测定定）时时，流流体体处处于于稳稳定定的的层层流流运运动动，而而大大于于Recr时时为为湍湍流流运运动动。由由于于气气体体的的粘粘滞滞系系数数 较较小小，所所以以气气体体的的运运动动多多半半为为湍湍流运动。流运动。UPDOWNBACK 激光的大气湍流效应，本质是激光在折射率起伏场中传输时的效应。激光的大气湍流效应，本质是激光在折射率起伏场中传输时的效应。 湍流理论表明，大气速度、温度、折射率的统计特性服从湍流理论表明，大气速度、温度、折射率的统计特性服从“2/3次方次方定律定律” i分别代表速度（分别代表速度（v）
20、、温度（）、温度（T）和折射率（）和折射率（n）；）； r为考察点之间的距离；为考察点之间的距离；Ci为相应场的结构常数，单位是为相应场的结构常数，单位是m-1/3。 通常用折射率结构常数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：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：，中等湍流： Cn =4 10-8m-1/3 ，强湍流：，强湍流： Cn =5 10-7m-1/3UPDOWNBACK（1）、）、 大气闪烁大气闪烁 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。束强度闪
21、烁。 大气闪烁的幅度特性由接收平面上某点光强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的对数强度方差来表征 式中，式中， 可通过理论计算求得，而可通过理论计算求得，而 则可由实际测量得到。则可由实际测量得到。 UPDOWNBACK 一般地，波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。一般地，波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。当湍流强度增强到一定程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。略有减小而呈现饱和，故称之为闪烁的饱和效应。 在弱
22、湍流且湍流强度均匀的条件下：在弱湍流且湍流强度均匀的条件下： UPDOWNBACK（2）、）、 光束的弯曲和漂移光束的弯曲和漂移 在接收平面上，光束中心的投射点（即光斑位置）以某个统计平均位在接收平面上，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），此现象称为称为光束漂移光束漂移。若将光束视为一体，经过若干分钟会发现，其平均方向明。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，这种慢漂移亦称为显变化，这种慢漂移亦称为光束弯曲光束弯曲。 光束弯曲漂移现象亦称天文折
23、射，主要受制于大气折射率的起伏。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。动。 UPDOWNBACK（3）、）、空间相位起伏空间相位起伏 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因湍流影
24、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。面的倾斜产生随机起伏。 UPDOWNBACK1. 何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。 答答：对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法：对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。而对于另外一些波长的光波，几乎不吸收，根据大气的这种选择吸收通过。而对于另外一些波长的光波，几乎不吸收，根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。特性，一般把近红外区分成八个区
25、段，将透过率较高的波段称为大气窗口。 光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素主要有：大气分子的吸收，光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素主要有：大气分子的吸收，大气分子散射大气分子散射 ，大气气溶胶的衰减，大气气溶胶的衰减 (散射和吸收散射和吸收)。UPDOWNBACK2. 何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？ 答答 大气湍流效应是一种无规则的漩涡流动，流体大气湍流效应是一种无规则的漩涡流动，流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平
26、均值随向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。这种湍流状态将使激光辐射在传播过程中机起伏。这种湍流状态将使激光辐射在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，出现所谓光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂出现所谓光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。性退化等现象，统称为大气湍流效应。 UPDOWNBACK 背背 景景 2014年年6月月6日，美国航天局宣布，利用激光束把一日，美国航天局宣布，利用激光束把一段
27、高清视频从国际空间站传送回地面，成功完成一种可段高清视频从国际空间站传送回地面，成功完成一种可能根本性改变未来太空通信的技术演示。这一通信试验能根本性改变未来太空通信的技术演示。这一通信试验名为名为“激光通信科学光学载荷激光通信科学光学载荷”（OPALS）。一段时长）。一段时长37秒的高清视频，只用了秒的高清视频，只用了3.5秒就成功传回，相当于传输秒就成功传回，相当于传输速率达到每秒速率达到每秒50兆，而传统技术下载需要至少兆，而传统技术下载需要至少10分钟。分钟。OPALS利用极为细小的激光束传输数据，速率可比现有利用极为细小的激光束传输数据，速率可比现有基于无线电波的通信方式提高基于无线电波的通信方式提高10倍到倍到1000倍。倍。请问：请问： 这里提到的这里提到的“激光通信科学光学载荷激光通信科学光学载荷”是具体指什是具体指什么，有哪些光子器件，与大气光传输有何关系？么，有哪些光子器件，与大气光传输有何关系？课后作业课后作业
