光电子技术第二章1

第2章 光辐射的传播●2.1光波在大气中的传播 ●2.2 晶体光学基础(补充) ●2.3光波在电光晶体中的传播 ●2.4光波在声光晶体中的传播 ●2.5光波在磁光介质中的传播

2.1 光波在大气中的传播2.1.1大气衰减 在不考虑非线性效应的条件下：

简化为：

为大气衰减系数

大气对太阳辐射的减弱

太阳辐射在大气中的减弱

此即为描述大气衰减的朗伯定律.它表明光强随传输距离的增加呈指数规律衰减。

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 m ka a单位：

1.大气分子的吸收定义：光波在大气中传播时.大气分子在光波电场 的作用下产生极化，并以入射光的频率做受迫振动。 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。 吸收特性与什么因素有关：依赖于光波的频率。由 于不同分子的各自结构不同，从而表现出完全不同 的光谱吸收特性。同一物质的发射光谱和吸收光谱 之间有严格的对应关系，即物质自身发射哪些波长 的光，它就强烈吸收这些波长的光。

原因：按照经典的电磁理论，原子可以看成是一系列弹 性偶极振子的组合，其中每个振子有一定的固有频率，

于是原子就有了一系列的固有频率。这种偶极振子一旦被外部能源激发，每个振子都会以其固有频率作简谐振 动，并向周围空间发出同一频率的单色电磁波，从而在 发射光谱上形成一条条的光谱线，形成了原子气体的线 状发射光谱。当包含有各种频率的白光照射在原子气体

上时，只有那些频率与原子有固有频率一致的电磁波，会引起共振而被原子气体强烈地吸收。

例如：振荡电偶极子辐射。

+q .

q.

+q . q.

+q . q

+q .

q.

【补充：极化】

大气窗口：通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段 称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有: 紫外、可见光和 近红外波段。 大气窗口按所属范围不同分为光学窗口、红外窗口 和射电窗口。 1)光学窗口： 可见光波长约3000~7000埃。 2)红外窗口 ：较强的水汽吸收带位于0.71~0.735μ, 0.81~0.84μ,0.89~0.99μ,1.07~1.20μ,1.3~1.5μ, 1.7~2.0μ,2.4~3.3μ,4.8~8.0μ。在13.5~17μ处出现 二氧化碳的吸收带。这些吸收带间的空隙形成一些红外窗 口。 3)射电窗口： 这个波段的上界变化于15~200米之间， 视电离层的密度、观测点的地理位置和太阳活动的情况而 定(见大气射电窗)。 CO 可见光和近红外区的主要吸收物质是： 2 和 H 2O

吸收作用主要的吸收成分 氧、臭氧、水汽和CO2 各成分的吸收波段气体成分 氧 臭氧 强吸收波段 <20

0nm的紫外光 200~320nm的紫外光 930~1500nm的红外 光 (三个强吸收带) 弱吸收波段 690~760nm的可见光 600nm的可见光 600~700nm的可见光 (三个弱吸收带)

水汽

2 大气分子散射定义：指由传播介质的不均匀性引起的光线向四周射去 的现象。 散射的原因：一是：光波的电场使大气分子产生了极化， 形成振动的电偶子，从而发出次波，由于大气密度不均匀， 从而导致次波的相干性遭到破坏。二是由于大气中存在各 种微粒，因此一部分光辐射会向其他方向传播，从而导致 在各个方向上的散射。

*各种散射

【瑞利散射】 分子散射理论是瑞利(Rayleigh)在试图解释天空为何呈现蓝色这 样一个问题时提出的。 1871年他假设散射粒子是半径远小于光波波长、球形的各向同性粒 子，其密度大于周围环境，用弹性固体以太学说，得出了现在被称为 瑞利散射的基本特征，即散射能力和粒子体积平方成正比，和波长4 次方成反比。 1899年瑞利再一次研究天空发光问题，这一次他放弃了弹性固体以太学说， 而用Maxwell电磁理论，得到了相同的结果。