光學(xué)與光子學(xué)概述ppt課件(編輯修改稿)
2025-06-02 03:55 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 1/km）或（ dB/km），二者之間的換算關(guān)系為： ?(dB/km)=?? (1/km) I dl 圖 2 上式積分后得大氣透過率 ： ?????? ??? ? L dlIIT 00 e x p/ ? (6) 簡(jiǎn)化為： )e x p ( LT ???(7) 此即為描述 大氣衰減的 朗伯定律，表明光強(qiáng)隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減。 因?yàn)樗p系數(shù) ?描述了 吸收和散射 兩種獨(dú)立物理過程 對(duì)傳播光輻射強(qiáng)度的影響 ，所以 ?可表示為 ： aamm kk ??? ???? (8) km和 ?m分別為分子的吸收和散射系數(shù)； ka和 ?a分別大氣氣溶膠的吸收和散射系數(shù)。 對(duì)大氣衰減的研究可歸結(jié)為對(duì)上述四個(gè)基本衰減參數(shù)的研究。 1） 、 大氣分子的吸收 光波在大氣中傳播時(shí)，大氣分子在光波電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生極化，并以入射光的頻率作受迫振動(dòng)。所以為了克服大氣分子內(nèi)部阻力要消耗能量，表現(xiàn)為大氣分子的吸收。 分子的固有吸收頻率由分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)形態(tài)決定 。 極性分子的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)一般有分子內(nèi) 電子運(yùn)動(dòng) 、 組成分子的 原子振動(dòng) 以及分子繞其質(zhì)量中心的 轉(zhuǎn)動(dòng) 組成 。 相應(yīng)的共振吸收頻率分別與光波的 紫外 和 可見光 、 近紅外 和 中紅外 以及 遠(yuǎn)紅外 區(qū)相對(duì)應(yīng) 。 由此，分子的吸收特性強(qiáng)烈的依賴于光波的頻率。 大氣中 N O2分子雖然含量最多（約 90%），但它們?cè)诳梢姽夂图t外區(qū)幾乎不表現(xiàn)吸收，對(duì)遠(yuǎn)紅外和微波段才呈現(xiàn)出很大的吸收。 在可見光和近紅外區(qū)，一般不考慮其吸收作用。 大氣中除包含上述分子外，還包含有 He， Ar， Xe， O3，Ne等， 這些分子在可見光和近紅外有可觀的吸收譜線，但其大氣中的含量甚微，一般不考慮其吸收作用。只是在高空處，其它衰減因素都很弱時(shí)，才考慮它們吸收作用。 H2O和 CO2分子，特別是 H2O分子在近紅外區(qū)有寬廣的振動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)及純振動(dòng)結(jié)構(gòu)， 是可見光和近紅外區(qū)最重要的吸收分子，是晴天大氣光學(xué)衰減的主要因素 ，它們的一些主要吸收譜線的中心波長(zhǎng)如表 21所示。 表 1： 可見光和近紅外區(qū)主要吸收譜線 吸收分子 主要吸收譜線中心波長(zhǎng) (?m) H2O CO2 O2 從表 1不難看出， 對(duì)某些特定的波長(zhǎng)，大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)烈的吸收，光波幾乎無法通過。 根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性， 一般把近紅外區(qū)分成八個(gè)區(qū)段，將透過率較高的波段稱為“大氣窗口” 。在這些窗口之內(nèi)，大氣分子呈現(xiàn)弱吸收。目前常用的激光波長(zhǎng)都處于這些窗口之內(nèi) 。 2）、 大氣分子散射 大氣中總存在著局部的密度與平均密度統(tǒng)計(jì)性的偏離 —— 密度起伏，破壞了大氣的光學(xué)均勻性，一部分光輻射光會(huì)向其他方向傳播，從而導(dǎo)致光在各個(gè)方向上的散射。 在可見光 （ ?m ） 和近紅外波段， 輻射波長(zhǎng)總是遠(yuǎn)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(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比。 43 /8 2 ?? ANm ??? (9) 式中， ?m為瑞利散射系數(shù)（ cml）； N為單位體積中的分子數(shù)（ cm1）； A為分子的散射截面（ cm2）； ?為光波長(zhǎng)（ cm）。 由于分子散射波長(zhǎng)的四次方成反比。波 長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越弱；波長(zhǎng)越短，散射越強(qiáng)烈。 故可見光比紅外光散射強(qiáng)烈，藍(lán)光又比紅光 散射強(qiáng)烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因 此瑞利散射是主要的，又因?yàn)樗{(lán)光散射最強(qiáng) 烈，故
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