光学仿真2020-12-07

这篇博客探讨了大气对光传播的影响,首先解释了天空为何呈现蓝色,通过电子振动和电偶极矩散射理论进行阐述。接着,讨论了大气衰减现象,指出光场在传播过程中因与大气相互作用导致能量呈指数下降。博主通过迭代法模拟这一过程,并推导出衰减公式。最后,提到了在大尺度光学成像中,恶劣天气可能造成渐晕现象。文章深入浅出地解释了复杂的光学现象。

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光学仿真三千问(讲人话)

(第一篇——大气传播篇)

大气衰减的影响

一.天空的颜色
早在我上学时候,某大理论物理卷子上有一道题“请从电子角度诠释为什么天是蓝色的?”
没错!这是多“幼稚”的题目!我们都知道那不就是因为蓝色光频率高散射大吗?
但从电子角度是什么鬼,怎末解释呢?!

这样解释:
我们的大气层中其实存在电离层;
我们可以做一个简化:令电子电荷均匀分布在半径为r的“电子云中”;那么电量-e就均匀分布在这云里,没有电场时候电子云中心就与原子核重合,在太阳光作用下:
E=E0∗exp(−iwt)ex E=E0*exp(-iwt) ex E=E0exp(iwt)ex
(把太阳光当作平面波)
电子云与原子核形成振动的电偶极子,从而散射太阳光;
假设原子核不动,在外场电子云的作用下电子云的位移为z,把电子云看成一种谐振子,他的固有频率为w0,则在太阳光下他的运动方程为:
d2z/d2t+w02z=−e∗E0∗exp(−iwt)/m; d^2z/d^2t+w0^2z=-e*E0*exp(-iwt)/m; d2z/d2t+w02z=eE0exp(iwt)/m;
m为电子云质量,上式的解为:
z=−e∗E0∗exp(−iwt)/(m∗(w02−w2));z=-e*E0*exp(-iwt)/(m*(w0^2-w^2)); z=eE0exp(iwt)/(m(w02w2));
因此尤其产生的电偶极矩为:
p=−e∗z∗ex=e2∗E0∗exp(−iwt)/(m∗(w02−w2))∗ex;p=-e*z*ex=e^2*E0*exp(-iwt)/(m*(w0^2-w^2))*ex; p=ezex=e2E0exp(iwt)/(m(w02w2))ex;
这是一个以频率w振动的电偶极矩。振动产生的电偶极矩要产生辐射,辐射功率为:
P=abs(p0)2∗w4/(12∗pi∗c3∗真空介电常数)P=abs(p0)^2*w^4/(12*pi*c^3*真空介电常数) P=abs(p0)2w4/(12pic3)
带入,我们的p0和w,
P=abs[e2∗E0/(m∗(w02−w2))]2∗w4/(12∗pi∗c3∗真空介电常数)P=abs[e^2*E0/(m*(w0^2-w^2))]^2*w^4/(12*pi*c^3*真空介电常数) P=abs[e2E0/(m(w02w2))]2w4/(12pic3)
但我们刚才假设了一个w0其实是可以算出来的:
在无外场时的振动频率就是固有频率,我们写出没有外场的振动方程:
m∗d2z/d2t=−m∗w02∗z m*d^2z/d^2t=-m*w0^2*z md2z/d2t=mw02z
-m* w0^2 *z就是恢复力;
由于电子云和原子核有吸引力则均匀电子云与原子核间的·z处的场强为:
E=−e∗z/(4∗pi∗R3∗真空介电常数);E=-e*z/(4*pi*R^3*真空介电常数); E=ez/(4piR3);
(R是电子云半径,未知)
故电子云与原子核相互作用力为 :
F=Ee=−m∗w02∗zF=Ee=-m*w0^2*z F=Ee=mw02z
于是
w02=e2/(4∗pi∗真空介电常数∗(m∗R3))w0^2=e^2/(4*pi*真空介电常数*(m*R^3)) w02=e2/(4pi(mR3))
我们还要继续结算电子云半径大概多大,,,,,
在这里插入图片描述
我们假设电子质量m全部来自于电子云的自有能量(静电能量)(这是一个疯狂的想法。这等同于认可了电磁力与质量的联系!)也就是:
E(电子静电能量)=m∗c2!!E(电子静电能量)=m*c^2!! E()=mc2!!
我们做如下运算:
电势V=∫ E∗dr=−e∗(3∗R2−r2)/(8∗pi∗R3∗真空介电常数)电势 V=\int\ E*dr =-e*(3*R^2-r^2)/(8*pi*R^3*真空介电常数) V= Edr=e(3R2r2)/(8piR3)
故电子云的自有质量为:
E=1/2∗∫ V∗电子密度(对R内空间积分)=3∗e2/(20∗pi∗R∗真空介电常数)E=1/2* \int\ V*电子密度(对R内空间积分)=3*e^2/(20*pi*R*真空介电常数) E=1/2 VR=3e2/(20piR)
又由于:
E(电子静电能量)=m∗c2!!E(电子静电能量)=m*c^2!! E()=mc2!!
则:
R=3∗e2/(20∗pi∗m∗c2∗真空介电常数)R=3*e^2/(20*pi*m*c^2*真空介电常数) R=3e2/(20pimc2)

w02=e2/(4∗pi∗真空介电常数∗(m∗(3∗e2/(20∗pi∗m∗c2∗真空介电常数))3))w0^2=e^2/(4*pi*真空介电常数*(m*(3*e^2/(20*pi*m*c^2*真空介电常数))^3)) w02=e2/(4pi(m3e2/(20pimc2)3))
至此经过震动后的二次辐射公式写出来了:
P=abs[e2∗E0/(m∗(e2/(4∗pi∗真空介电常数∗(m∗(3∗e2/(20∗pi∗m∗c2∗真空介电常数))3))−w2))]2∗w4/(12∗pi∗c3∗真空介电常数)P=abs[e^2*E0/(m*(e^2/(4*pi*真空介电常数*(m*(3*e^2/(20*pi*m*c^2*真空介电常数))^3))-w^2))]^2*w^4/(12*pi*c^3*真空介电常数) P=abs[e2E0/(m(e2/(4pi(m3e2/(20pimc2)3))w2))]2w4/(12pic3)
嗯,我知道没人看了。。。。凉凉
好了! 言归正传,这个公式表明散射功率与频率成四次方比;所以蓝光容易被散射;
累死我了。。。。我去喝口水;
(以上公式全部来自于林旋英的电动力学习题集的6.12)!
二.大气衰减
大气衰减是一个道理!刚才的散射是光场带动电子震动所激发出来的电偶极矩的震动场(二次场)。那么光场还会继续传播,激发场也会和光场耦合作为新光场 !一起继续上述过程,迭代迭代。。。。
这样沿着原来方向的光场能量在不断下降,而且频率越高的下降越快!
但,如何下降呢?
实际上,没人知道,我们可以做个实验,用迭代法去结算这个过程;
结果就是他的能量随着距离的下降是呈现指数下降的;
也就是
a∗exp(−xishu∗r)a*exp(-xishu*r) aexp(xishur)
a是初始功率,xishu是我们测量的下降比例,r是距离;

哎,,我编不下去了,锤子! 为啥要指数下降!我们思考一下吧,,,!!
功率P是如何影响传播振幅的呢?
这个问题也很困扰我;
于是我们需要具体知道谐振子的功率场分布:
(查询资料后我得知)
dP/d角度=μ0∗w4∗p02∗sin2(角度)/(32∗pi2∗c)dP/d角度=μ0*w^4*p0^2*sin^2(角度)/(32*pi^2*c) dP/d=μ0w4p02sin2()/(32pi2c)
那么磁感应强度B就可以算出来:
B(r,t)=μ0∗w/(4∗pi)∗exp(ikr−iwt)/r∗(k叉乘p0) B(r,t)=μ0* w/(4*pi)*exp(ikr-iwt) /r*(k叉乘p0) B(r,t)=μ0w/(4pi)exp(ikriwt)/r(kp0)
可以看出来磁场方向和功率辐射方向在光场方向的投影为零,这样子我们就可以知道二次场不随着初始场方向走,所有散射不会向前走!不会沿着传播方向二次叠加!!!
那就相当于能量通过让电子震动去衰减,并且在路径上衰减,能量越大衰减越明显,假设不同介质原子密度为不同,那么对于不同的密度来说衰减不一样,假设密度为rou,那么:
dE/dr=−rou∗P∗a dE/dr=-rou*P*a dE/dr=rouPa
而其中a是未知因素的比例因子;
由于P与入射光场的振幅二次相关,那么,对于光场和P就是正相关的,也就是说:
dE/dr=−rou∗P∗a=−rou∗b∗E∗a=−H∗E dE/dr=-rou*P*a= -rou*b*E*a=-H*EdE/dr=rouPa=roubEa=HE
那么
E=E0∗exp(−H∗r) E=E0*exp(-H*r)E=E0exp(Hr)
我们把H叫做衰减因子;
不同的介质衰减因子不同;
ok,那么对于一个辐射的物体它是这样进行它的过程的,它按照基尔霍夫定律辐射光场:
在这里插入图片描述这就是标量衍射理论,然后每一个路径上的光都衰减,并扩散到屏幕上,值得注意的是,这是一个点光源引起的,我们要对所有点进行叠加;
就ok了!
对于大尺度的拍摄图像(只要你的屏幕和视场角够大),那么恶劣天气甚至可以出现渐晕现象!
ok!
回见!
光学仿真三千问(讲人话)
(第一篇——大气传播篇)
完!

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