激光在水中的衰减特性研究
水下激光通信技术及发展研究
• 89•目前水声技术是应用范围最为广泛且时间也是最长的水下无线通信技术。
但是随着发展的需求不断地提高，水声通信的短板也逐渐被揭示出来。
如传播延迟长、信号衰减大、多径效应严重、通信带宽有限等一些特性导致水声通信在水下通信网络设计面临巨大挑战。
在水下激光通信具带宽受环境影响小、可用载波频率高、传输时延小等特点，其具有水声通信所没有的优势。
水下激光通信采用450-570nm 的蓝绿光束，通过海水时不仅穿透能力强，而且方向性好。
水下激光通信传输速率高、实时性强，可以通过无线传输设备实时且高速传输给附近的移动接收设备。
水下激光通信拥有比水声通信更长的频带宽度、更大的通信容量，十分适合大数据传输，是未来水下通信的趋向。
因此水下激光通信是将来水下无线通信主要发展方向。
1 国内外发展自1980年，美国进行了多次海上大型蓝绿激光对潜通信试验，实验结果证明蓝绿激光能在极端天气及海水污浊等恶劣环境下可以进行常规通信。
澳大利亚2005年开始研发体积小成本低结构简单的蓝绿光学通信装置。
选用Luxeon ⅢLED460纳米的蓝光、490纳米的青光、520纳米的绿光，接收机方面选用了SLD-70BG2A 光电二极管，到2010年，在速度和稳定性兼顾的前提下，系统速率达57.6kbit/s 。
美国伍兹霍尔海洋研究所2009年研发利用键控调制技术（OOK ）在低功耗的蓝绿光发光二极管（LED ）的深海光学水下通信试样机器，最高可实现10Mbit/s 的通信传输速率。
但是该技术主要针对深海领域的水下通信，并没有考虑水下光学通信中环境对光学信号和信道的散射影响。
我国研究起步较晚，但也取得了几项重要成果。
中国海洋大学1998年和2009年采用半导体激光器在3m 和1.8m 的水箱中进行了不同水质不同频率的光传输实验，其传输数据率为9.6kbit/s 。
并对水下无线光通信系统的调制技术和差错控制技术进行了分析研究。
中国科学院沈阳自动化研究所研制了全向光通信模块，采用IrDA 协议。
超快激光在液态水中的非线性光学效应研究
超快激光在液态水中的非线性光学效应研究超快激光在液态水中的激光成丝涉及到丰富的物理效应,包括锥状辐射、超连续谱白光、气泡的产生、超声冲击波、受激拉曼散射以及光丝诱导的化学反应等,相关的物理效应将加深人们对水这种液体更深层次的了解,从而对生命科学、环境监测、水下通信、核反应冷却等与人类生活息息相关的领域具有重要研究意义。
然而,由于水中光丝过程的复杂性以及对水中光丝直观诊断手段的缺乏,人们对水中光丝过程的认知仍然不够全面,需要继续深入探索。
本文采用800 nm和400 nm飞秒激光,对其聚焦后在液态水中成丝的非线性效应进行了研究,并借助于悬浮在水中的纳米金颗粒作为散射介质,实现了对水中光丝的直接观测,从而对超快激光在水中传输时的流体动力学、超连续谱散射、干涉效应、受激拉曼散射等过程进行了详细研究与讨论。
本文的主要研究内容及进展包括:1、利用800 nm飞秒激光在液态水中成丝,发现在飞秒光丝的作用下,水中产生的气泡会做纺锤状的定向运动。
该现象揭示了飞秒光丝在液态介质中由冲击波引起的液体对流过程,从而证明激光具有对液态介质中的反应物进行无接触、定点地光学搅拌的潜能。
而在纯水中,光丝不同部位产生的气泡密度则反映了该处的光丝强度。
由于纯水中激光成丝具有较弱的侧向散射及等离子体荧光信号,光丝产生的气泡可以作为一种评判纯水中光丝的直观手段。
2、利用皮秒光纤激光器在液态水中对金块进行激光消融,获得了一批直径为～30 nm的纳米金颗粒。
该方法不需要添加其它化学试剂,具有绿色、纯净、产物天然稳定的独特优势。
随后,利用近红外800 nm飞秒激光在纳米金水溶胶中成丝,获得了沿传播方向色彩从短波长到长波长依次变化的“彩色”光丝,光丝中超连续谱的演化与纳米金颗粒对超连续谱的Mie氏散射可用来对其进行解释。
3、通过往纯水中添加低浓度的纳米金颗粒作为散射介质,实现了对水中由两束800 nm飞秒光丝干涉形成的等离子体光栅的直接成像观测。
水下激光通信技术的发展现状及趋势
水下激光通信技术的发展现状及趋势引言水下激光通信技术是一项关键的技术，用于在水下环境中实现高速、稳定的通信传输。
随着人类对海洋资源的开发和利用越来越深入，对水下通信技术的需求也越来越迫切。
本文将全面、详细地探讨水下激光通信技术的发展现状及趋势。
现状分析1. 传统水下通信技术的局限性传统的水下通信技术，如声波通信和无线电通信，在水下环境中存在一些局限性。
声波通信的传输距离有限，而且受到海洋环境中的噪声干扰；无线电通信在水下的传输效果也受到海水的吸收和散射的限制。
2. 激光通信的优势水下激光通信技术以其高速、大带宽和抗干扰能力强的特点，成为了一种有前景的水下通信技术。
激光通信利用光的传输特性进行数据传输，在传输速率和稳定性上有着明显的优势。
3. 目前的水下激光通信技术应用案例目前，水下激光通信技术已经在一些特定场景下得到了应用。
例如，水下机器人的远程控制和海洋观测数据的传输等。
这些应用案例验证了水下激光通信技术的可行性和潜力。
4. 水下激光通信技术的挑战然而，水下激光通信技术在实际应用中仍然面临着一些挑战。
首先，水下环境对光的传输会造成衰减和散射，降低激光通信的传输距离和质量。
其次，水下环境中存在浑浊的水质、浮游生物和沉积物等，会对激光通信的信号传输造成干扰。
发展趋势分析1. 提高激光通信的传输距离为了克服水下激光通信技术的传输距离限制，研究人员正在寻找各种方法来提高光信号在水中的传输距离。
例如，利用波束成型技术控制光的传输方向，优化光的传输路径，以减少衰减和散射。
2. 解决水下环境干扰问题为了解决水下环境中的干扰问题，研究人员正在探索各种减少干扰的方法。
例如，利用自适应光学系统对激光通信信号进行优化，以适应不同水下环境的特点；开发高灵敏度的接收器来提取弱光信号。
3. 结合其他通信技术为了进一步提高水下通信的效率和可靠性，研究人员开始探索将水下激光通信技术与其他通信技术结合的方法。
例如，将水下激光通信与声波通信结合，利用声波通信的传输距离较远的特点与激光通信的高速传输特性相结合。
不同温度、盐度海水中激光的衰减特性研究
海南热带海洋学院学报
Journa- of Hainan Tropica- Ocean University
Vol. 26 No. 5 Ocy. 2019
引用本文格式:陈祥子，翁溶，裴红梅•不同温度、盐度海水中激光的衰减特性研究［J］ •海南热带海洋学院学报,2019,26 (2) &93 -100.
作为海洋遥感探测辅助手段的光学技术受光波在海水中衰减较为严重的影响一直未得到较好的应用和长足发展?但随着科学技术的不断创新光学技术在海洋遥感探测领域应用日益增多主要表现在探测海洋生物海底地形水下隐身潜艇探测等应用研究领域?光作为电磁波的一种形式34在海水介质中的传播与在空气中传播完全不同其能量在水中的传播是按指数式衰减的一般情况下水下200m以下可见光的照度不足水面照度的0
收稿日期：2019-01 -16 基金项目：海南省自然科学基金项目(618QN308);海南省高等学校科学研究项目(Hnky2018 -53);海南热带海洋学院
科研项目(RHDXB201713) 第一作者：陈祥子，女，海南三亚人，讲师，博士，研究方向为海洋光学、光学测量.
・93・
第26卷第5期
海南热带海洋学院学报
组成，
c = & + b,
(3)
其中:&为水体的吸收系数,G为水体的散射系数.则公式(1)可以写成
当I =丄=0. 367 9时,d =丄，光强减少到原来的0. 367 9倍，则Z称为衰减长度.透明长度定义为入
0
射光衰减到初始入射光能量的2%时的传输距离，用R表示，透明长度约为衰减长度的3. 9倍. 罡定
指 律衰减的.衰减系数、透Fra bibliotek长度、衰减长度、衰减和
强激光在水中衰减的数值模拟与实验分析的开题报告
强激光在水中衰减的数值模拟与实验分析的开题报告一、研究背景及意义强激光在水中的传输和作用是当今研究热点之一，涉及到激光在水下通讯、精密加工、激光声学、水下探测等多个领域。
然而，在水中，强激光与水分子发生相互作用，会导致激光能量的衰减和光束形态的变化，影响到激光在水中的传输，使得激光功率密度、束径和强度分布等参数发生改变。
因此，了解强激光在水中的衰减规律和光学特性，对理解激光在水下的作用机理和优化激光水下传输具有重要意义。
二、研究内容本研究拟通过数值模拟和实验手段，探讨强激光在水中的衰减规律。
具体内容如下：1. 了解水对于激光的吸收、散射和反射等过程，建立适合于水中的强激光传输数值模型。
2. 利用COMSOL Multiphysics等软件，对强激光在水中的传输过程进行数值模拟，通过分析激光在水中的功率密度、光束形状以及强度分布等参数的变化规律，探究强激光在水中的衰减规律。
3. 借助自主搭建的实验平台，进行强激光在水中的传输实验，通过测量强激光在水中的功率密度、光束形状以及强度分布等参数的变化，验证数值模拟的结果，并进一步探究强激光在水中的光学特性。
4. 分析强激光在水中的衰减规律，探讨影响激光在水下传输的因素，并提出优化激光水下传输的建议和方案。
三、研究方法本研究主要采用数值模拟和实验相结合的研究方法，具体包括：1. 借助COMSOL Multiphysics软件，建立基于散射和吸收的强激光在水中传输数值模型，探究强激光在水中的光学特性。
2. 利用实验平台对强激光在水中的传输过程进行实验研究，测量强激光的功率密度、光束形状以及强度分布等参数的变化，验证数值模拟的结果，并进一步探究强激光在水中的光学特性。
3. 根据数值模拟和实验结果，分析强激光在水中的衰减规律、影响因素和优化方法，并提出相关建议和方案。
四、预期成果1. 建立适合于水中强激光传输的数值模型，通过数值模拟研究强激光在水中的光学特性，并分析其规律。
激光水下通信
1.激光对潜通信的作用及前景一．潜艇通信概述潜艇主要工作于水下30~400m，带有核弹头的导弹核潜艇可在海水300~400m深度活动几个月因此，发展核潜艇具有极重要的战略意义。
而潜艇航行深度及航速的快速发展．给通信带来巨大困难。
随着通信技术的发展，干扰机在定位、识别等领域取得了重大突破。
对潜艇来说，隐蔽性就是生命。
如采用传统的超短波无线电对潜通信，潜艇应浮至近水面伸出天线对外收发电文、极易暴露目标。
图1示出了无线电渡、红外、可见光和紫外、x射线在海水中的衰减曲线。
从图看出，频率低于1×103Hz的无线电超长波在海水中的衰减值小于ldB／m；频率约6×1014Hz的0．48mμ蓝绿激光波长在海水中的衰减值小于1×10-2。
dB／m。
困此，岸对潜通信具有两个“窗口”，即超长波无线电通信窗El和0．48v．m的蓝绿激光波长窗口两者相比，0．48v．m的蓝绿激光波长为对潜通信的最佳窗El，即激光通信“窗口”。
激光对潜通信不仅具有超长波通信的全部优点，还具有传输速率高、信息容量大、：抗电磁和核辐射干扰，方向性强、体积小、隐蔽性好等超长波无法与之比拟的优点，能实现最复杂的通信系统。
如地面通过卫星对潜实施激光通信，仅发射三颗卫星，先从地面用微波向卫星发送信息，再经卫星上的激光束向潜艇所在海域进行扫描传输信息，而不影响潜艇的战术机动，能对400m 以下深度、航运3O节以上的战略核潜艇实施全球海域的通信联网。
二、激光对潜通信的作用及前景不同波长的光波穿透水的能力不同，经测量表明，无论在海水或纯水中，水下μ的蓝绿可见光，称光波穿透海水的蓝绿光“窗传输的有效光波长范围0．47～0.54mμ。
口”，最佳波长为0．48m经测量，蓝绿光在海水中的穿透深度可达600m，这一特性与极低频120～180m 比较，在海军对潜通信中具有极大的吸引力。
美国海军一开始的基本设想和方案是：(1)先从地面将报文用微波送至卫星，再由卫星上的蓝绿激光发到潜艇所在海域；(2)由地面激光发射机以小于2O。
第八讲-光在大气和水中的传播、激光损伤
I2 [ln(I / I 0 )]2 4[ln(A / A0 )]2 4 2
(2.1-10)
2 式中， 2 可通过理论计算求得，而 I 则可由实际测量 得到。在弱湍流且湍流强度均匀的条件下：
2 1.23Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6 2 12.8Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6 I2 4 2 2 6 / 7 11 / 6 0.496Cn (2 ) L 2 1.28Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6
10.4
9.6
2、 大气分子散射， m
(1)散射的基本概念
大气中总存在着密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，
造成部分光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的
散射(实质是反射、折射和衍射的综合反映)。散射主要发生 在可见光波段，其性质和强度取决于大气中分子或微粒的半
径ｒ与被散射光的波长λ二者之间的对比关系。
3
4
(2.1-6)
式中
m为瑞利散射系数（cm-l）；
N为单位体积中的分子数（cm-3）；
A为分子的散射截面（cm2）；
为光波长（cm）。
m 0.827 N A /
3
4
波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。 因此可见光散射大于红外光散射，而蓝光散射又大 于红光散射： • 在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主 要的，又因为蓝光散射最强烈，故明朗的天空呈 现蓝色。 • 而黎明和黄昏时，太阳辐射穿过大气的路程长， 蓝绿光已被散射殆尽，只剩下黄红光，所以阳光 呈黄红色。
(2)散射的类型
瑞利散射（Rayleigh-Scattering），选择性散射
大气分子的半径是10-4 m量级的，在可见光（0.4-
石墨富集方式下水中 Cr元素的 LIBS检测
石墨富集方式下水中 Cr元素的 LIBS检测王寅;赵南京;马明俊;王春龙;余洋;孟德硕;刘建国;刘文清【摘要】为了在石墨富集的方式下测量并分析水中Cr元素的激光诱导击穿光谱特性，利用Nd∶YAG脉冲激光器作为激发光源，以高分辨率、宽光谱段的中阶梯光栅光谱仪和增强型电荷耦合器件为光信号分离和探测器件，以Cr元素的425．435nm谱线作为分析线，研究了水中Cr元素的时间衰减特性。
结果表明，最佳延时时间为1100ns，最佳门宽为1800ns，通过对具有不同Cr元素含量的样品的测量，给出了Cr元素的定标曲线，并最终计算取得Cr元素的检出限为0．520mg/L。
这一结果为激光诱导击穿光谱应用于水中Cr元素的快速检测提供了数据参考。
%In order to study the spectroscopy emission characteristics of chromium in water enriched with graphite based on laser induced breakdown spectroscopy , the characteristic spectral line of 425.435nm was selected for chromium in the experiment when a Nd∶YAG laser in 1064nm wavelength was used as an excitation source , the echelle spectrometer and intensified charge coupled device detector with high resolution and wide spectral range were used for spectral separation and high sensitive detection .The results show that detection optimal delay time is 1100ns and gate width time is 1800ns.The calibration curve of chromium was plotted based on different concentration measurement results , and the limit of detection was 0.520mg/L.The results of the experiment provide the data reference for fast measurement of chromium in water based on laser-induced breakdown spectroscopy .【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】4页(P808-811)【关键词】光谱学;激光诱导击穿光谱技术;水污染;Cr;石墨富集【作者】王寅;赵南京;马明俊;王春龙;余洋;孟德硕;刘建国;刘文清【作者单位】中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，合肥230031【正文语种】中文【中图分类】O433.1近年来，随着中国工业化进程不断加快，国内水环境污染日益严重。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
激光在水中的衰减特性研究
[摘要] 分析了水的光学特性，水中的衰减主要是水中微小颗粒对光的吸收和散射作用的结果。
利用激光测试平台，设计了简单易操作的实验方案，获得了激光在水中的衰减系数。
研究表明：相同微粒下，其衰减系数与微粒含量成正比。
[关键词] 光学特性吸收散射衰减系数
自激光问世后,国内外几乎同时起步研究激光进行水下观察和探测，获得了较大的进展[1]。
为了用光电方法探测水下目标,首先必须研究光的水下传输及成象特性。
因此，对于激光监测系统的研制,首先必须研究激光在水中的衰减与水中成分的变化关系。
1.水的光学特性
水中含有各种各样矿物质，造成了水的不均匀性，使得光在水中传输时能量衰减比在大气中严重。
目前,对确定的波长,认为其衰减系数为常数。
对532nm波长,其数值在0.04-0.05/m[2]。
研究发现,激光在水中的衰减与水中含有的矿物质有密切的关系。
这是由于光在非纯水中的衰减主要来自吸收和散射[3]两种不同的过程。
吸收是在传输过程中光碰上具有吸收作用的粒子而使光能转换成其他形式能量的过程；散射则是传输过程中光与其他粒子碰撞发散而使传输方向的光能不断减少的过程。
这导致光在水中的衰减急巨变化[4]。
此时,激光在非纯净水中的衰减系数不再是一个常数，而是随着水中成分的不同而不同。
2.实验方案与原理分析
2.1 实验方案
实验测所用的激光器为绿光激光器，有机玻璃水管Φ50cm,长1米。
其实验方案为测量出激光器在有机玻璃水管左侧的功率P0，把功率计移到水管后再测量一次功率P1，计算得到单个通光透明玻璃板的损耗系数；向水管注入自来水，水深须覆盖激光束路径，测量穿过有机玻璃水管后的激光功率P2，计算Pout及水对激光的衰减系数；分5次定量给水中添入少量硫酸钡粉末，再次测量计算水体的衰减系数。
2.2 实验原理
水的光学透射性可用光束衰减系数表示。
光束衰减系数是用来度量无散射光的衰减，可用下式定义：,式中，为初始光束辐射功率；为在处的光束辐射功率；为水的路径长度。
光束衰减系数、吸收系数和散射系数之间的关系为：,水下激光束的透射率为:
与的关系为
由于自来水的不均匀性，透射率或的值通常随传播深度和水温发生变化。
按照公式只要测得入射光光强P0，传播至处的光强Pl以及值，那么就可算出光束衰减系数。
为了提高测量精度，对公式改变一下形式，对两个不同水路1和2有
；
如果其初始光强P0相同，联立以上两式可得：
从而，衰减系数为
在小距离1时探得，又在大距离2时，测得比小的。
知道这四个数即可按照公式求出衰减系数，进行多次测量可求出的平均值。
实验中，由于P1、P2的测量环境不同，玻璃管内前者是由玻璃射入空气，而后者是由玻璃射入自来水，故两者之间的反射率不同，故其衰减不同，而6式是在同意介质中传播的衰减系数算法。
设激光自入射有机玻璃水管前壁至玻璃后壁的衰减系数为，玻璃与空气之间的反射率为R1,玻璃与空气之间的反射率为R2。
激光自玻璃界面入射空气中和自来水介质中时其反射光反射不同。
由反射定律可知，当光束接近正入射（入射角约等于0）时，反射率计算公式是：
其中，n1，n2是两种介质的真实折射率。
取玻璃折射率为1.4985，水的折射率为1.3328，空气的折射率为1.0003。
根据式1，及实验测得的激光功率P0 、P1 、P2 ，可得：
在此计算中，因为激光在有机玻璃管内空气传播时其传播距离只有1米，故其衰减忽略不计。
由式7计算可得R1 =0.0397，R2 =0.0034。
根据式以上公式计算得：
3.实验结果与数据分析
表一、表二为激光衰减测量数据和计算结果；由表一、表二可知:
（1）在表一中，相比于纯水的衰减系数0.04-0.05/m，自来水的衰减系数达到了1.2/m，结合表二，当向自来水中添加少量硫酸钡后，其衰减系数大幅增加。
相对于纯水，自来水中含有次氯酸、盐酸及少量的Ca、Mg、K等矿物质和微量的细菌如大肠杆菌等，激光传输过程中其能量被这些物质所吸收而转换成其它形
式的能量；同时传输过程中光与微粒碰撞发散而使传输方向上的能量减少。
因此，激光在水中的传输衰减的主要原因是水中的各种微粒对激光的发散和吸收。
（2）在表二中，衰减系数随着硫酸钡含量的增加而增加，并呈线性增加的过程。
在相同波长、能量及水中微粒成分相同的情况下，激光在水中的衰减系数主要取决与微粒的数量，并成正比例关系。
4.结束语
由于水中的溶解物、矿物质、其它微粒和纯水对光束的吸收和散射，使激光在水中传输过程中能量不断衰减。
本文利用激光测试平台，设计了简单易行的实验方案对激光在水中的衰减进行实验研究。
研究表明，影响激光水下传输衰减系数的主要原因是水中的各种溶解物、矿物质和其它微粒，其衰减系数与同一成分的含量成正比例关系。
参考文献
[1] 冯文波.蓝绿激光在水下传输中的应用[A]. 中南民族学院学报(自然科学版).2000.9.
[2] 倪恺,何兴道,陈小华,刘娟. 基于虚拟仪器的激光水中传输规律的研究
[A]. 微计算机信息.2008.
[3] PELLEN F,OLIV ARD P,GUERN Y. Radar modulation on optical carrier for target detection in sea-water[C].Lasers and Electro Optics.[S.l.]:[s.n.],2000.
[4] 马泳,林宏,艾青,梁琨. 1.064μm激光在海水中传输特性的研究[A].激光技术.2008.12.
研究方向：军事装备学。