体积分数（%）
78.08 20.94 0.93 0.03(变动)
质量分数（%）
75.52 23.15 1.28 0.05
含量很少 ，是成云致雨的必要条件
气 溶 胶
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 6 气溶胶。
32
2 光束在光纤中的传播特性
•光纤内的光线必须满足基本的折射/全反射定律： n0sin0 = n1sinθ= n1cosc，其中，n1sinc = n2。 •当产生全反射时，要求1> c。
（1）阶跃光纤中光束的传播
子午光线
偏斜光线
均匀介质中光线轨迹是直线，光纤的传光机理在于光的全反射。
瑞利和米氏散射的特点 在可见光和近红外波段，光 波长总是远大于大气分子的 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， 散射光的方向较为分散。 米氏散射光的向前方向比向 后方向的散射强度更强，方 向比较明显。
15
天空为什么是蓝色的，太阳为什么是红色的？
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气温的垂直 变化特点 随高度的增加而递减， 高度每升高100米，气 温下降0.6℃ 随高度的增加而上升
其他特点 对流运动强烈
与人类活动的关 系
天气现象复杂多 变，与人类关系 最为密切 利于高空飞行， 臭氧层成为人类 生存环境的天然 屏障
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
以水平运动为主
中 间 层
电 离 层 散 逸 层
平流层顶至离地面80千 米
移动反射镜、透射镜式
B、磁光、电光效应式光开关
谢谢
阶跃光纤中与光纤轴成不同夹角的导引光线，在轴向 经过同样距离时，各自走过的光程是不同的。因此， 若有一个光脉冲（含有多种频率的光波）在入射端激 发起各种不同角度的导引光线（光纤色散），那么由 于每根光线经过的光程不同，就会先后到达终端，从 而引起光脉冲宽度的加宽，称为光脉冲的弥散。
光线经过轴向距离L所花的最长和最短时间差为：
9
（1）大气吸收 光在大气中传输时，由于大气的分子和气溶胶等的吸 收作用而减弱的现象。
分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。
10
大 气 分 子 吸 收
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。
11
大气窗口
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。
按光纤折射率分布特点划分，主要分为阶跃光纤和渐变光纤。
按光波模式（即电磁波类型）划分，可分为多模光纤和单模光纤 。 多模光纤：纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大（50 m左右） 适用于中容量、中距离通信。 单模光纤：纤芯内只传输一个最低模式的光波，纤芯直径很小（几个 m ），适用于大容量、长距离通信。
可见，光脉冲弥散正比于，（NA）愈小， 就愈小。
（2）渐变光纤中光束的传播
g－纤芯折射率分布指数
传导光线轨迹呈近似正弦规律变化。
θ0＝0
ri＝0
不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是 最终都会聚在一点上，这种现象称为自聚焦效应。
光线经过单位轴向长度所用的时间称为群迟延，在非 均匀介质中，光线的轨迹是弯曲的。沿光线轨迹经过 距离s所用的时间为
1 2
合波器
2
耦合器 (4端口)
1 2
1
分波器
2
（3） 光隔离器
光隔离器是一种只允许光波往一个方向传播，阻止光波 往其他方向特别是反方向传输的一种无源器件。
47
光 隔 离 器 的 原 理
起偏器 外加磁场
450
解偏器
外加磁场
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（4）光开关
A、机械式光开关
电磁驱动、压电陶瓷驱动等
（3）空间相位起伏
光束产生漂移的同时，在接收面上的到达角也因湍流影响而随 机起伏，像点就不能聚焦在焦平面的同一个位臵上，这个现象 称为像点抖动，也即波前（相位）相对于接收面的倾斜产生随 机起伏。
哈 勃 望 远 镜 观 测 的 星 云 图
25
自适应光学
Adaptive Optics
自适应光学的控制系统是一台 专门的计算机，它通过分析由 波前传感器采集的数据来对镜 面的形状做出修正。分析必须 在极短的时间内完成（0.5到1 毫秒内），不然大气情况的改 变将使系统的改正因延误而产 生错误。
大气湍流导致的空气折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏。 21
（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。
（2） 光束的弯曲和漂移
在接收平面上，光斑位臵以某个统计平均 位臵为中心，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。
最大的群迟延差
41
3 光纤损耗特性
若Pi、Po分别为光纤的输入、输出光功率，L是光纤 长度。衰减系数定义为单位长度光纤光功率衰减的 分贝数，即
光纤衰减主要来源于吸收损耗和散射损耗。
（1）吸收损耗
a .本征吸收损耗： 红外吸收带 紫外吸收带 b.杂质吸收损耗： 过渡金属离子吸收 氢氧根离子吸收
中间层顶到离地面约800 千米 离地面800千米以上
随高度增加而降低 大部分气体以离 子状态存在 电离层能反射无 线电波，有利于 无线电短波通信
随高度增加急剧上升
空气十分稀薄，常有大气粒子散逸到星际 空间
干洁空气的主要成分(25 千米以下)
气体成分
氮(N2) 氧(O2) 大气分子 氩(Ar) 二氧化碳(CO2) 水汽(H2O) 气溶胶 杂质
自 适 应 光 学 改 正 过 程
27
自适应光学改正前后的图片对比
28
29
1 光纤的基本概念
（1）光纤的基本结构 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。
为了使纤芯能够远距离传光，构成光纤的必要条件是纤芯的折 射率必须大于包层的折射率。
（2）光纤的分类
按纤芯和包层材料划分，可分为石英光纤和塑料光纤。
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云为什么是红色或橙色的？
云的顏色还取决于照射在云上的光的顏色。在日落时，当阳光 穿过厚厚的大气层和尘埃顆粒后，蓝光等短波长的光以瑞利散 射方式散射，只剩下红到橙色或红色的光。云反射这些未被散 射的红色或橙色光，并呈现这些颜色。
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3 大气湍流效应
大 气 湍 流
大气湍流是大气中一种不规则的随机运动，它是由各种尺度的 旋涡连续分布叠加而成，旋涡尺度大的可达数百米，最小尺度 约为1毫米 。湍流每一点上的压强、速度、温度等物理特性等 随机变化 。
12
（2）大气散射
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 能量会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的 散射。
散 射 的 类 型
2 a ka 0.3
2 a ka 0.3
Rayleigh Scatter
Mie-Debye Scatter
云是什么颜色？
光的米氏散射
云的颜色
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云为什么是白色的？
云中的水滴或冰晶的大小，足以令各种波长（不同颜色）的 可见光强烈地散射。由于光在大量水滴或冰晶之间向各个方 向作出多重散射，并对可见光只有微弱吸收，所以散射后的 光包含各种可见光波长，并组成我们所看见的白色。
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云为什么是灰色或暗色的？
當云越来越厚时，更多的阳光会被反射或吸收，愈來愈少的阳 光可以穿透云层。由于很少阳光可以到达云层底部，导致地面 观察者看到的阳光大为减少，所以云层呈灰色或暗色。
（2）散射损耗
a .瑞利散射损耗：光波照射到比光波波长还要小 的不均匀微粒时，光波将向四面八方折射。 b.结构不完善散射损耗：光纤制造过程中，由于 光纤结构存在缺陷而引起的损耗。 c.非线性效应散射损耗：受激光散射、非线性折 射、四波混频。
4 几种典型的无源光波导器件
（1）光纤连接器
实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件。
光纤连接器由三个部分组成的：两个配合插头和 一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合 管起对准套管的作用。
（2）光耦合器 光纤耦合器的功能是实现光信号的分路/合路，就是把 一个输入的光信号分配给多个输出或者把多个输入的光 信号组合成一个输出。
分路器 (3端口) N星型耦合器 （多端口）
1
合路器 (3端口)
本讲主要内容
光信息在自由空间（大气）的传输
• 大气衰减
• 大气湍流
光信息在光纤中的传输
•光纤的基本概念 •光束在光纤中的传播特性 •光纤损耗特性
•几种典型的无源光波导器件
1 大气层的结构
地球
大气层结构
大气层的组成及其性质
大气 分层
对 流 层 平 流 层 特点
高度范围
低纬：16-18千米 中纬：10-12千米 高纬：7-8千米 对流层顶至50-60千米
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。
7
2 大气衰减
激光在大气中传播时，一部分光能量被吸收而转变为其他形式 的能量（如热能等），一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能量出现衰减。
衰减系数描述了吸收和散射两种独立物理过程对传播 光能量的影响， 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。 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。