Будь умным!


У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.ru

Лазерное излучения атмосферными газами

Работа добавлена на сайт samzan.ru: 2016-03-05


3.1.2. Поглощение лазерного излучения атмосферными газами

Основной характеристикой поглощательных свойств атмосферы является коэффициент поглощения k(). Рассмотрим изменение интенсивности излучения при прохождении некой среды

dI = -k()*I()*dl        (3.2)

где I() - интенсивность падающего на среду излучения,

dI()- ослабление интенсивности, при прохождении слоя среды толщиной  dl.

В случае однородной среды, интегрируя выражение (3.2) получим интегральное выражение закона Бугера-Ламберта-Берра:

I() = I0()*exp[-k()l]       (3.3)

k()l =  -принято называть оптической толщей среды.

Молекулярный спектр поглощения, а именно молекулярное поглощение и является основным в атмосфере, представляет собой совокупность отдельных спектральных линий (либо полос), каждая из которых характеризуется рядом параметров (положение центра линии по спектру,  интенсивность, форма контура). В условиях земной атмосферы контур линии определяется радиационным затуханием, эффектом Допплера и столкновениями молекул между собой. Суммарный спектр поглощения атмосферы - не что иное как суперпозиция (наложение) колебательно- вращательных полос поглощения основных компонент атмосферы молекул воды, углекислого газа, кислорода, азота, окиси азота, метана и т.д.(Рис.3.1 взят из [    ]).

Рис. 3.1. Инфракрасные спектры поглощения различных газов, входящих в состав атмосферы.

Данные о параметрах линий поглощения атмосферы в различных спектральных интервалах, полученные как расчетным путем, так и  экспериментально сведены в большие атласы, что позволяет проводить оценки поглощения излучения различных лазерных источников. Однако следует помнить, что закон Бугера был выведен для случая независимости коэффициента поглощения от интенсивности падающего излучения и не зависит от плотности поглощающих молекул (т.е. все молекулы поглощают излучение независимо). В реальности же в связи с большими плотностями лазерного излучения зависимость k() от  I() становится заметной при значениях Io() ,  более 106 Вт/см2. А второе предположение справедливо лишь для относительно малых концентраций поглощающих молекул (меньших 1016 см-3).  

3.1.3.  Рассеяние лазерного излучения в атмосфере

Наряду с процессами поглощения значительная доля энергии лазерного пучка выводится из основного направления распространения в результате аэрозольного и молекулярного рассеяния света. Молекулярное рассеяние света хорошо изучено и теоретически и экспериментально. Имеются обширные таблицы по коэффициентам рассеяния в видимой и ИК-областях спектра. Под аэрозольным рассеянием часто понимают сумму коэффициентов рассеяния и поглощения излучения аэрозольными частицами. Под аэрозолями  в атмосферной оптике в первую очередь понимают облака, туманы, дымки,  осадки.

Теория молекулярного рассеяния света Кабанна-Релея дает следующее выражение для коэффициента рассеяния в газах:

Q рел. = 8(n2 - 1)2*(6 + 3) / 3N4*(6 - 7) ,   (3.4)

где N - число молекул в единице объема,

n - показатель преломления среды,

- длина волны,

- фактор деполяризации рассеянного излучения (равный около 0.035).

Зная коэф. рассеяния можно найти оптическую толщу для релеевского  рассеяния -рел..

В приземном слое атмосферы:

рел.() = kрел.() l, где l- толщина слоя.

Если рассматривать вертикальный слой молекулярной атмосферы, то в этом случае его оптическая толща будет:

                          

 рел.() = kрел.(,x)dx       (3.5)

                         

здесь kрел.(,x) - молекулярный коэффициент рассеяния излучения с длиной  волны  , зависящий от координаты слоя (или высоты в атмосфере).

В таблице 3.1   приведены результаты расчета потерь энергии излучения   различных длин волн за счет молекулярного рассеяния в приземном слое  атмосферы и во всей ее толще.

         Таблица 3.1

Потери  энергии излучения различных длин волн за счет молекулярного рассеяния в приземном слое атмосферы и в вертикальном столбе, %. (взята из [Зуев] - Распространение лаз  изл. в атмосфере).

, мкм

Приземный слой (L=1км)

Вертикальный столб

всей атмосферы

0.30

13.4

70.4

0.55

1.2

9.1

0.69

0.5

3.9

0.80

0.3

2.1

1.06

0.1

0.7

Из таблицы отчетливо заметно, что УФ-излучение сильно рассеивается молекулами, с ростом же длины волны вклад молекулярного рассеяния в ослабление энергии лазерного излучения в атмосфере ослабевает.

Для решения прикладных задач, связанных с явлением молекулярного рассеяния важно знать угловое распределение рассеянного излучения, или, как принято говорить, - индикатрису рассеяния, т.е. отношение

    

f(Q) = I(Q) /  I(Q,) d,       (3.6)

                              4

здесь I(Q) -интенсивность рассеянного излучения в направлении угла Q,     d - элемент телесного угла.

На Рис.3.2 приведен типичный вид симметричной индикатрисы релеевского  рассеяния для малых частиц сферической формы.

Рис.   3.2. Нормированная индикатриса релеевского рассеяния.

Рассмотрим упрощенный случай - падение энергии излучения на одну частицу. Под коэффициентом рассеяния kрел. будем понимать отношение потока энергии поля, рассеянного частицей радиуса a, к интенсивности падающего излучения. Сумму коэфициентов рассеяния и поглощения в соответствии с законом сохранения энергии определим как общий коэффициент ослабления:

k = kпогл. + kрас..        (3.7)

При рассмотрении рассеяния электромагнитных волн сферической частицей вводят понятия факторов эффективности ослабления - K, рассеяния - Kрас. и поглощения Kпогл.

 K = k / a2         (3.8)

Kрас. = kрас. / a2        (3.9)

 Kпогл. = k погл. / a2        (3.10)

Эти коэффициенты - не что иное как отношения энергий ослабленной, рассеянной и поглощенной частицей к энергии, упавшей на ее геометрическое сечение (a2).

Общие формулы для коэффициентов K, Kрас., Kпогл. дает теория Ми. Они представляют бесконечные ряды, которые зависят от двух аргументов, характеризующих относительный размер частицы -  ( = 2a / - для сферической частицы) и относительный показатель преломления частицы - m. Табулированные значения K, Kрас., Kпогл. получены с использованием  формул теории Ми, при сохранении многих членов рядов для достаточной точности.

Конечно, в атмосфере присутствует большое множество аэрозольных частиц, а не одна. Поэтому коэффициент ослабления (), рассчитанный на единицу длины пути луча, будет иметь вид

                            

() = N   k(a, )f(a) da  ,     (3.11)

                           

где N - число частиц в единице объёма, k (a, ) коэффициент ослабления излучения с длиной волны  частицей радиуса a,  f(a) - функция распределения частиц по размерам. А так как

 k ( a, ) = kрас.( a, ) + kпогл. (a, )  ,              (3.12)

то для коэффициента рассеяния    

                                

 рас.() = N  . k рас.(a, )f(a) da             (3.13)

                               

и для коэффициента поглощения

 погл.() = N   k погл.(a, )f(a) da             (3.14)

С помощью коэффициента () уравнение для ослабления интенсивности излучения I() запишется в виде

dI() = - I() () dl      (3.15)

Интегрирование по всей трассе даст

 I / Io = exp ( -    (,l) dl = T() ,    (3.16)

                                 l

где T()- прозрачность атмосферы.

Точно рассчитать этот интеграл не удается, так как и  (,l) меняется вдоль трассы, поскольку меняется и спектр частиц (форма и размеры) и  их количество. Но это как раз та величина, которую необходимо знать при распространении лазерного излучения в атмосфере, и считается она приближенно.

Поговорим о типичных размерах  и концентрациях аэрозольных частиц.  Средние размеры аэрозольных частиц в облаках составляют от 3 мкм (мелкокапельные) до 10 мкм (крупнокапельные). Соответственно, концентрации частиц составляют от 103  до 101 см-3. В приземных дымках размеры частиц обычно меньше (от десятых мкм до  единиц мкм). Размеры частиц осадков изменяются от сотых долей мм до нескольких мм, при концентрации от 10 -4 до 10-2 см-3. Типичные значения величины  () составляют:

- для облаков и туманов - 10+1 км-1

- для приземных дымок    - 10-1 км-1

Соответственно облака, дымки, туманы представляют серьезную преграду на пути распространения лазерного излучения в атмосфере.

Это мы рассмотрели типичные линейные эффекты взаимодействия лазерного излучения с составляющими атмосферу. При прохождении мощного лазерного пучка возможно проявление и нелинейных эффектов, например оптического пробоя воздуха, самофокусировки лазерного пучка и т.д.




1. Верхнеуслонская гимназия Красота и выразительность пушкинско.html
2. Это легко заметить сделав замер роста сразу же после вставания с постели и вечером придя с работы
3. Имущественные права несовершеннолетних Право на защиту
4. Подготовительный этап 1.html
5. Механизм таможенного контроля1
6. Применение BC-анализа в маркетинге
7. Десять эффектов рекламы
8. Доклад- Новые фундаментальные физические константы
9. Реферат- Принципы магнитно-резонансной томографии
10. Были описаны способы преобразования схем с помощью которых в ряде случаев удаётся упростить расчёт разветв
11. записка Програма розрахована на вивчення інформатики в 10~11 класах старшої школи загальноосвітніх навчал
12. Лабораторная работа 6 Блюда из отварного мяса
13. Надёжность информационных систем
14. .03 Среда 12.
15. ним Позднее проанализировав накопленный материал по реализации мер борьбы с гельминтозами К
16. Лекция 5 РАСШИРЕННЫЙ ЯЗЫК РАЗМЕТКИ XML 24 из
17. Этнографическая характеристика России
18. Бедные люди в кот
19. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата медичних наук Дніпропетровськ
20. Творец троичного компьютера