大气对激光的散射.ppt

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1、大气对激光的散射作用1中科院半导体研究所1.大气散射现象大气散射将降低探测和传输的数据的质量，造成影像模糊，影响判读。这已经成为激光雷达、激光成像和光通信的重要理论基础之一，也是以激光雷达研究大气的理论基础。散射是电磁波同大气分子或气溶胶等发生相互作用。在光学性质均匀的介质中，或两种折射率不同的均匀介质的界面上，无论光的直射、反射和折射，都仅限于在特定的一些方向上，而在其余的方向光强则等于零。因此，沿光束的侧向观察就应当看不到光。但当光束通过光学性质不均匀的物质时，从侧向却可以看到光。纯散射不影响光总能量的

2、损耗，但却使入射能量以一定规律在各方向重新分布。图中给出了分子散射和气溶胶粗粒散射的强度分布。其实质是大气分子或气溶胶等粒子在入射电磁波的作用下产生电偶极子或多极子振荡，并以此为中心向四周发出与入射波频率相同的子波，即散射波。散射波的能量分布同入射波的波长、强度以及粒子的大小、形状和折射率有关。2图1两类散射模型的强度分布对一波长为λ的单色激光光束，在不均匀媒介内传播距离X后，由于纯散射作用，将使光束沿x方向衰减为式中，和分别为散射前和经过x距离散射后的单设激光光束功率；为单纯散射情况下的散射系数。因而纯散

3、射所决定的透射率为一般情况下，大气的散射由两类散射元的作用所构成，即大气分子的散射和大气中悬浮微粒（气溶胶）的散射。所以上式中的散射系数可以分成下列两项之和。由于散射系数随激光光束波长的变化，所以透射率应是波长的函数。若能求出散射系数，就可以计算出给定大气路程长度x的纯散射透射率。32.散射的物理模型光和粒子相互作用，按粒子同入射波波长的比较，采用不同的物理模型。当粒子尺度比波长小得多时，采用较简单的瑞利散射模型；当粒子尺度与波长可比拟时，采用复杂的米氏（Mie）散射模型；当粒子尺度比波长大得多时，可认为是

4、无选择性散射。2.1瑞利散射当粒子波长比激光光束波长小得多时，所产生的散射称为瑞利散射，因此时散射元基本上是大气中的气体分子，所以有时也成瑞利散射为分子散射。它一般发生在上层大气中。激光光束被散射过程，可以当作激光光束的光子与散射粒子的碰撞过程来处理。为了简单起见，只考虑单行碰撞过程。因此，当激光光束被散射后，只改变原来激光光束的传播方向，而不改变激光光束总能量的光谱分布。设有一小体积元，其中包含个散射粒子，如果它受到光谱福照度为的平行单色激光光束的照射，沿路程被散射的功率在沿空间方向（散射角）的单位立体角

5、内，被小体积元内的粒子散射掉的某一波长激光光束功率，与散射粒子数目成正比，即4式中，是散射的辐射强度；是比例系数，它是散射角和波长的函数；是散射粒子浓度；是入射到厚度为的元体积上的某一波长激光的光束功率。将上式改写为如只考虑纯散射，忽略吸收，则有式中，为入射光功率，为光散射功率，为透射光功率。因此被散射的激光光束功率就是5因为，所以，上式对Ω积分即得6再对dx积分，得与式（1）或或（2）比较，有令式中，每个散射粒子对入射激光光束的散射截面，一般称为微分散射截面。7考虑最一般情况，一个电荷沿一直线作振幅很小的

6、的上下加速运动，在与其中a(t-r/c)是(t-r/c)时刻的加速度，叫做推迟加速度。S是能流密度，就是在方向每平方米所辐射的功率。注意到它与距离平方成反比，要求出向所有方向辐射的总能量，则必须对上式所有方向积分。运动轴成角方位的电场就沿着与视线垂直的方向，并在包含加速度与视线的平面内。设距离为r，那么在t时刻电场的大小为假设电荷按非相对论性的任何方式作加速运动，由此我们计算加速电荷所辐射的总能量。图2电荷产生的电场8在上述情况中，考虑被所截部分的的面积。若球半径为r，则环状球截形的宽度为，周长为，因为为该

7、圆周的半径，故这一小片球面的面积为：以包含在小角内的面积乘能流，即得到此方向上在到之间所释放的能量值；然后将它从到积分从而有图3球型辐射面这里的P是一个平均值，原因在于加速度是变化的。对于简谐振动，我们知道其加速度为，加速度平方在一周中的平均值为9从而得到现在考虑当入射光束的电场，原子中的电子将由于此电场E而作上、下振动，其振动幅度将是我们只取一种振子并忽略辐射阻尼，于是对于外场的响应就是单个原子每秒钟在所有方向散射的光能量的总量显然由（18）式给出。所以把各部分写在一起并加以整理，得到在所有方向上辐射的总

8、散射功率为10将结果写成上述形式，容易看到散射的总能量正比于入射场的平方。现在考虑入射光散射的比例是多少？试在光束中想象一个具有一定面积的“靶”，在给定条件下，通过此表面的能量总量与入射强度和都成正比，进而有设原子的总散射强度是落在某一几何面上的全部强度，于是只要求出该面积，就可以知道散射的比例。这样，该结果与入射强度无关；它给出了散射能量与每平方米入射能量的比率。即比率是面积。这个面积我们称为散射截面。这个概念