光电子第二章综述

1、第二章 光辐射的传播 2.1 光波在大气中的传播 2.2 光波在电光晶体中的传播 2.3 光波在声光晶体中的传播 2.4 光波在磁光介质中的传播 2.5 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 2.7 光波在水中的传播 章节内容 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。 光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收 和散射会引起的光束能量衰减; 空气折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏； 当光波功率足够大、持续时间极短时，非线性效应也 会影响光束的特性。 2.1.1 大气衰减 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（如热能等） 部分能量被散射而偏离原来的传播方向（即辐射能量 空间重新分配）。 吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。 设强度为I的单色光辐射，通过厚度为dl的大气薄层。 不考虑非线性效应，光强衰减量dI正比与I及dl， 即 dI/I=(I-I0)/I= dl。 积分后得大气透过率 I0I dl 假定可以简化为 描述大气衰减的朗伯定律，表明光强随传输距离的增加呈 指数规律衰减。 2.1.

2、1 大气衰减 为大气衰减系数（1/km） 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 光辐射强度的影响，所以可表示为 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。 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。 应用中，衰减系数常用单位为（1/km）或（dB/km）。二 者之间的换算关系为 (dB/km)=4.343 (1/km) 2.1.1 大气衰减 大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频 率作受迫振动。所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量， 表现为大气分子的吸收。 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一般有分子内电子运动、组成分子的 原子振动以及分子绕其质量中心的转动组成。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。 因此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。 1. 大气分子的吸收 大气中N2、O2分子虽然含量最多（约90%），但它们在可 见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很 大的吸收。因此，在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作

3、用。 大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3， Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但因它 们在大气中的含量甚微，一般也不考虑其吸收作用。只是在高 空处，其余衰减因素都已很弱，才考虑它们吸收作用。 1. 大气分子的吸收 H2O和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动-转 动及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收分子， 是晴天大气光学衰减的主要因素，它们的一些主要吸收谱线的中 心波长如表1所示。 表1中对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收，光 波几乎无法通过。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”。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。 1. 大气分子的吸收 表1： 可见光和近红外区主要吸收谱线 吸收 分子 主要吸收谱线中心波长(m) H2O 0.72 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 14.3 CO2 1.4 1.6 2.05 4.3 5.2

4、 9.4 10.4 O2 4.7 9.6 从表1不难看出，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。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”。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。 1. 大气分子的吸收 大气分子散射 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，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，从而导致光在各个方向上的散射。 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。瑞利散射光的强度与波长的四 次方成反比。瑞利散射系数的经验公式为 波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。 2. 大气分子散射 光波在遇到大气分子或气溶胶粒子等时，便会与它们 发生相互作用，重新向四面八方发射出频率与入射光的相同 ，但强度较弱的光(称子波)，这种现象称光散射。子波称散 射光，接受原入射光并发射子波的空气分子或气溶胶粒子称 散射粒子。当散射粒子的尺度远小于入射光的波长时(例如 大气分子对可见光的散射)，称分子散射或瑞利

5、散射，散射 光分布均匀且对称。 2. 大气分子散射 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。 2. 大气分子散射 （3）大气气溶胶的衰减 大气气溶胶的概念：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。 气溶胶对光波的衰减包括气溶胶的散射和吸收。 当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时，即产生米-德拜 散射。米-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）。 3. 大气气溶胶的衰减 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，不同天气类型的气溶胶粒子的密度及线度的最大值列于 表2中。 表2-2 霾、云和降水天气的物理参数 天气类型 N (cm-3)amax (m)气溶胶类型 霾M

6、100 cm-33海上或岸边的气溶胶 霾L100 cm-32大陆性气溶胶 霾H100 cm-30.6高空或平流层的气溶胶 雨M100 cm-33000小雨或中雨 雨L1000 m-32000大雨 冰雹H10 m-36000含有大量小颗粒的冰雹 积云C.1100 cm-315积云或层云、雾 云C.2100 cm-37有色环的云 云C.3100 cm-33.5贝母云 云C.4100 cm-35.5太阳周围的双层或三层环的云 通常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 速和流向均为定值，层与层之间在运动过程中不发生混合。 湍流运动：无规则的漩涡流动 ，质点的运动轨迹很复杂，既有 横向运动，也有纵向运动，空间 每一点的运动速度围绕某一平均 值随机起伏。 l0 图-4 2.1.2 大气湍流效应 大气的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，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 畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。 2.1

7、.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）； 为流体粘滞系数（ kg/ms）。雷诺数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。 2.1.2 大气湍流效应 激光的大气湍流效应，实际上是指激光辐射在折射率起伏场中 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“2/3 次方定律” 式中，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。 (2.2-10) 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 =810-9m-

8、1/3，中等湍流： Cn =410-8m-1/3 ，强湍流： Cn =510-7m -1/3 2.1.2 大气湍流效应 1、 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 式中， 可通过理论计算求得，而 则可由实际测量得到 。 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。 在弱湍流且湍流强度均匀的条件下： 1、 大气闪烁 2、 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。 3、空间相位起伏 如果不是用靶面接收，而是在透镜的焦平

9、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。 作业：P88， 2.1、 2.2 1. 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：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。 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 ，大气气溶胶 的衰减 。 2. 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；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。 2.5.1 光纤波导的结构及弱导性 光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导，它由纤芯 、包层和护套三部分组成。当满足一定的入射条件时，光波 就能沿着纤芯向前传播。 护套包层纤芯 2a 2.5 光波在光纤波导中的传播 1、光纤的分类 按折射率分布的方式分类： 阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤。 按传输的模式数量分类： 单模光纤和多模光纤。 按制造光纤的材料分，有： 高纯度熔石英光纤 其特点是材料的光传输损耗低，有的波长可低到0.2dB km，一般均小于ldBkm； 1、光纤的分类 按制造光纤的材料分，有： 多组分玻璃纤维 其特点是芯-皮折射率可在较大范围内变化，因而有利于 制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波段一般 为:1dBkm 塑料光纤 其特

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