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光波在大气中的传播
大气激光通信、探测等技术常以大气为信道。大气成分复杂, 天气多变，使光在大气中传播不稳定：
光束能量衰减——分子及气溶胶的吸收与散射；
振幅和相位起伏——湍流效应。
一、大气衰减
激光在大气中传播时，吸收和散射的总效果是使传输的光辐射强度发生衰减。
(透过率)
朗伯定律: 光强随传输距离的增加呈指数规律衰减.
I0
I
L
I0
I
L
透过率：
应用中，衰减系数 的常用单位为(1/km)或(dB/km)。二者之间的换算关系为: (dB/km)=4.343 (1/km)
衰减系数 描述吸收和散射两种独立物理过程对传播光辐射强度的影响：
km、 m为大气分子的吸收、散射系数；
ka、 a为大气气溶胶的吸收、散射系数。
附： （dB/km）定义：
(dB/km)=4.343 (1/km)
　　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He，Ne，Ar，Xe，O3等，大气中的含量甚微，一般不考虑其吸收作用。
　 H2O和CO2分子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。
根据大气的这种选择吸收特性，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”。
1 大气分子的吸收
分子的吸收特性强烈依赖于光波的频率和分子的结构.
2 大气分子散射
　可见光和近红外光远大于大气分子的线度(1A0)，大气分子对光产生瑞利散射。瑞利散射光强与波长的四次方成反比 。
　　 m为瑞利散射系数（cm-l）；N为分子数密度（cm-３）；A为分子的散射截面（cm2）； 为光波长（cm）。
　　可见光中蓝光散射最强,故晴朗的天空呈现蓝色(晴朗天空中其他微粒少，以瑞利散射为主)。
教材有误
为什么不是紫色？
——大气吸收+视见函数Vλ
3大气气溶胶的衰减
　　大气中的尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等微粒，线度在 0.03 m到2000 m之间，这些微粒在大气中悬浮呈胶溶状态，通常称为大气气溶胶。
　大气溶胶对光波的衰减也包括散射和吸收。
　 光的波长相当于或小于气溶胶微粒尺寸，气溶胶对光产生米氏散射。
　 米氏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，与波长的关系较小。
　 大气始终处于湍流状态，即大气的运动速度、温度、折射率在时间和空间上随机起伏，其中折射率的起伏直接影响激光的传输特性。
二 大气湍流效应
出现光束变形, 强度闪烁, 光束弯曲和漂移等现象。
L
z
(k//E//z)
x’
y’
~
V
x
电场和光波矢均沿Z轴方向，通过电光晶体后产生沿x’和y’偏振的两个正交分量，它们在晶体内传播L光程分别为nx L和ny L，这样，两偏振分量的相位延迟分别为：
这两个分量光波穿过晶体后将产生一个相位差：
相位差 正比于z方向电压V=EzL。
L
z
(k//E//z)
x’
y’
~
V
x
半波电压是表征电光晶体性能的一个重要参数，越小越好。对KDP, V 高达104V。
半波电压：相位差为 = （光程差为 /2）时所需要加的电压，通常以V 或V /2表示。
相位差又可表示成：
/4波电压 ：相位差为 = /2（光程差为 /4）时所需要加的电压，通常以V /2或V /4表示。
晶体上加纵向电压V=V /2时，电光晶体相当于“1/4波片”，沿x偏振的线偏振光变成圆偏振光( =45 ).
当外加纵向电压V=V ，电光晶体相当于“半波片”,入射线偏振光出射时仍为线偏振光，但偏振方向相对于入射光旋转了一个2 角（若 =45 ，即旋转了90 ，所以沿x偏振的线偏振光，出射时沿着y方向）。
L
z
(k//E//z)
x’
y’
~
V
x
(k // y ) (E//z)
2 横向应用：光束的传播方向与电场方向垂直。
沿z向加电场，光沿y 轴传播， 光矢量与z轴成45 角，进入晶体(y =0)后即分解为沿x 和z方向的两个垂直偏振分量。传播距离L后，两偏振分量的相位延迟为：
L
V
d
z
y
-x
(K E//z)
L
V
d
z
y
-x
这两个光波穿过晶体后产生相位差：
(2-41)
横向运用相位差：
在横向运用时，光波通过晶体后的相位差包括两项：第一项与外加电场无关，是由晶体本身自然双折射引起的；第二项即为电光效应相位差。
(K E//z)
L
V
d
z
y
-x
令第二项电光效应相位差为 ，得横向运用半波电压:
结论：１）横向运用时，存在自然双折射产生的固有相位延迟。表明无外加电场时，入射光通过晶体后其偏振态已改变，且温度稳定性不好，这对光调制器等应用不利，应设法消除或进行温度补偿。
令第二项电光效应相位差为 ，得横向运用半波电压:
结论：２）横向运用时，半波电压与晶体的长宽比(d/L)有关。因此，增大L或减小d就可大大降低半波电压。这是横向运用的优点。
注：纵向应用无自然双折射引起的相位延迟，但半波电压大。
例题 2.4 一块45度-z切割的GaAs晶体，长度为L，电场E沿z方向，求纵向运用时的相位延迟 。
（已知GaAs晶体为各向同性晶体，折射率为n，且其电光张量为：
）
L
z
(k//E//z)
x’
y’
~
V
x

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