第14卷 第3期 2002年5月
强激光与粒子束
H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S
V o l.14,N o.3
M ay,2002
文章编号:100124322(2002)0320353204
受激布里渊散射相位共轭激光组束规律Ξ
丁迎春, 吕志伟, 何伟明
(哈尔滨工业大学光电子技术研究所,黑龙江哈尔滨150001)
摘 要: 提出了一种新的SBS激光组束的方法。此方法中,一束按时间分布的激光脉冲序列作为泵浦光
从SBS放大池的一端入射,另一束Stokes频移种子光从SBS池的另一端入射,Stokes种子光在SBS池的相互
作用区提取泵浦光能量。研究了组束效率和输出脉宽随脉冲串个数、间隔和泵浦功率密度等的变化规律。研究
结果表明种子注入型泵浦脉冲串的受激布里渊散射相位共轭组束是一种高效的组束方法。
关键词: 相位共轭;受激布里渊散射;组束效率;脉冲串
中图分类号:O433.5 文献标识码:A
受激布里渊散射是最早被证明能够产生相位共轭的非线性光学技术。从此人们进行了大量的SB S应用的研究,其中包括利用SB S相位共轭技术进行激光组束的研究[1～4]。这种研究的目的是把多束激光合并成具有均匀波前的单一相干光束。文献报道SB S相位共轭激光组束得到标定能量,打破了传统的由单一激活介质得到的最大能量的限制[5]。SB S相位共轭激光组束有两种方法,一种是重叠耦合组束,另一种是后向注入种子光组束。在重叠耦合组束中,多束入射光交叉在SB S波导中或者是SB S池的远场相互作用区。在这种情况下所有光束的布里渊声场都是共同的,导致了Stokes输出光束是入射光束的共轭。也就是说在重叠耦合组束中不仅入射光束的相位彼此锁定(即在两光束间建立起固定的位相关系),而且两光束间的相对位相被共轭,返回光束有零的相位延迟。在后向注入种子光组束中,把一束与入射光方向相反的种子光注入到被组束的入射光束的相互作用区,种子光束的功率低于SB S的峰值功率,尽管如此,但它也比通常激发共轭光束的任意声场噪声的自发辐射要大,所以只要控制种子光束的相就可以控制Stokes输出光束的相。也就是说,在后向注入种子光组束中,SB S返回光(Stokes输出)的位相被外部提供的低功率的种子光束锁定。在以上两种组束方法中,两束激光要同时到达SB S池,因此调整精度要求较高;多束激光同时入射到SB S池,使得这种组束方法不能承受大能量负载;组束效率较低,为了弥补上述组束方法的不足,我们研究了串脉冲的SB S相位共轭组束。
F ig.1 Physical model of beam com binati on by sti m ulated B rillouin scattering
图1 SBS相位共轭组束的物理模型
1 理论模型
1.1 物理模型
图1是串脉冲的SB S相位共轭组束的物理模型。在SB S放大器模型中,泵浦脉冲串从z=L处入射到放大池,Stokes种子从z=0处入射到放大池,Stokes种子光与泵浦脉冲串在放大池中相互作用,Stokes种子光束从泵浦脉冲串提取能量并从z=L处出射。
1.2 数学模型
斯托克斯场和抽运场由麦克斯韦波动方程描述,介质中的声波场由纳维2斯托克斯(N avier2Stokes)能量传
Ξ收稿日期:2001204205; 修订日期:2002201215
基金项目:1999年教育部“跨世纪优秀人才培养计划”基金;国家863惯性约束聚变领域资助课题;国家自然科学基金(60088001)资助作者简介:丁迎春(19662),女,副教授,哈尔滨工业大学物理电子学专业博士研究生,现从事非线性光学方面的研究。
输方程给出。在平面波近似及忽略二次时间导数情况下,瞬态受激布里渊散射耦合波方程为
(55t
+#)Q =i g 1A L A 3S (1)(n 5c 5t +55z
)A S =i g 2A L Q 3(2)(n 5c 5t -55z
)A L =i g 2A S Q (3)A L ,A S 分别为激光场和斯托克斯场振幅,Q 为声波场振幅,#是受激布里渊散射线宽,#=1
2ΣP ,ΣP 为声子寿命;c 为真空光速,n 为SB S 介质的折射率,g 1,2代表了光子2声子耦合常数,g 1=Χe K 2
16ΠΞ,g 2=Χe ΞL 2cn Θ0,Χe 为电致伸缩耦合常数,K 为热力学温度,Ξ为声子角频率
。 从方程(1)中直接积分得到Q ,并把它代入其它两个方程,并考虑介质的吸收得
(55z +n c 55t )A S =g #2A L ∫t 0A 3L A S exp [-#(t -Σ)]d Σ-12
Α!S (4)(55z -n c 55t )A L =g #2A S ∫t 0A L A 3S exp [-#(t -Σ)]d Σ+12
Α!L (5)其中:Α为吸收系数;g =2g 1g 2 #。
1.3 数值模型
在时间上使用隐式有限差分法,在空间上使用后向差分格式对偏微分方程组(4)和(5)离散化得
A m +1S j +1-A m +1S j +n ?z c ?t (A m +1S j -A m S j )=G ’[ A m +1L j 2A m +1S j +p m j A m +1L j ]-12
Α?zA m +1S j (6)A m +1L j +1-A m +1L j -n ?z c ?t (A m +1L j -A m L j )=G ’( A m +1S j 2A m +1L j +p 3m j A m +1S j )+12
Α?zA m +1L j (7)
其中m =0,1,2,…,M ,是指时间间隔(t =m ?t );j =0,1,2,…,J ,是指空间间隔(z =j ?z );p m j =(p m -1j +2A 3m L j
A m S j )exp (-#?t )(8)p 0j =A 30L j A
0S j exp (-#?t )(9)
G ’=g #?t ?z 4
(10)令Χ=n ?z c ?t ,G j =G ’j p m j ,则G S j =1+Χ+G ’j A
m +1S j 2+12Α?z (11)G L j =1-Χ+G ’j A m +1L j 2+12Α?z (12)
把方程(8),(9),(10),(11),(12)代入到方程(6)和(7)得到G S j A m +1L j +G 3j A m +1S j -A m +1L j +1=Χ
A m L j (13)
-G L j A m +1S j -G j A m +1L j +A m +1S j +1=Χ
A m S j (14) 在数值求解中,放大池激光场与斯托克斯场相互作用介质为SF 6,对于248nm 的波长,各参数取值如下:介质的折射率n =1.452,介质的吸收系数Α=4.65×10-4,受激布里渊散射增益系数g =4g 1g 2 #=25c m G W ;在初始时刻(t =0)的所有的场振幅都是已知的,包括在z =0处入射到放大池的Stokes 种子光和在z =L 处入射到放大池的泵浦脉冲串的振幅都是已知的。
2 模拟和讨论
我们详细计算了在各种不同的泵浦参数下串脉冲的SB S 相位共轭组束的组束效率和输出脉宽随泵浦参数的变化规律。
对于串脉冲的SB S 相位共轭组束,两个脉冲之间的持续时间(光从一个脉冲的峰值到另一个脉冲峰值的传播时间)对组束也是有影响的。我们计算了具有不同持续时间、不同脉冲串个数组束输出的脉冲波形。在图2中,两个脉冲之间的持续时间是2倍脉宽,从左到右分别是1个、2个、3个、4个和5个脉冲串组束输出的脉冲波形。泵浦和种子脉冲的峰值功率分别为9MW 和0.09MW ,泵浦脉冲串和种子脉冲的脉宽分别为10n s 和4n s ,种子和泵浦光的脉冲波形都采用高斯线型。从图中可以看到不论脉冲串之间的间隔大小如何,当脉冲串的
453强激光与粒子束第14卷
F ig 2Pulse p rofile of the output by SBS phase conjugati on com binati on 图2 SBS 相位共轭组束输出的脉冲波形
个数增加时,输出脉冲的峰值功率增加。图3(a )和图3(b )
是能量反射率和输出脉宽随脉冲串个数和脉冲间隔的变化
规律。两个脉冲之间的持续时间大约是3倍脉宽时,相当于
两个脉冲没有重叠的情况。当脉冲的持续时间是0.5倍、1
倍和2倍脉宽时,能量反射率比一个脉冲时要大。当持续时
间大于3倍脉宽时,随着持续时间的增加反射率降低。对于
具有相同持续时间的脉冲串随着脉冲串个数的增加,能量
反射率降低。当脉冲串的持续时间是7倍脉宽时,最小能量
反射率是35%。从图3(b )中可以看出,在脉冲串的持续时
间相同的条件下,随着脉冲串个数的增加脉宽减小。对于不
同的持续时间,持续时间越小,脉冲串的个数越多,输出脉
宽越小
。F ig .3 Energy reflectivity and pulse 2w idth of the output as functi on of the num ber of pulse fo r vari ous durati on
图3 在不同脉冲串间隔的条件下,能量反射率和输出脉宽随脉冲串个数的变化规律
我们计算了能量反射率和输出脉宽随泵浦峰值功率的变化规律,本文中的峰值功率是指一个脉冲的峰值功率。在计算中,泵浦光是由3个脉冲组成,保持种子和泵浦光的脉宽(t p )不变,持续时间取6个值,计算结果如图4(a )和图4(b )所示。无论持续时间是多少,能量反射率随泵浦功率的增加而增加,当增加到一个最大值以后,随着功率密度的继续增加而稍有下降。输出脉宽随着功率密度的增加而下降,几乎与持续时间无关。当峰值功率为900MW 时,输出脉宽为53p s 。
我们研究了持续时间对串脉冲SB S 相位共轭组束的影响。在计算中除了泵浦光的持续时间以外,泵浦光和种子光的所有参数都是不变的。随着持续时间的增加能量反射率降低,输出脉宽增加。当持续时间从10n s 增加到80n s 时,能量反射率从81.20%降到47.60%,输出脉宽从0.47n s 增加到1.29n s 。总之,长持续时间对SB S 相位共轭组束是有害的
。
F ig .4 Energy reflectivity and pulse 2w idth of the output as functi on of
peak pow er density of pump fo r vari ous durati on
图4 在不同持续时间下,能量反射率和输出脉宽随泵浦光峰值功率密度的变化规律
553第3期丁迎春等:受激布里渊散射相位共轭激光组束规律
653强激光与粒子束第14卷
3 结 论
从我们的研究可以看出,SB S相位共轭技术可以应用到一种与前不同的SB S相位共轭组束中。这种组束是泵浦脉冲串从SB S放大池的一端入射,Stokes种子光从放大池的另一端注入,种子光从泵浦脉冲串提取能量并从放大池射出。运用这种方法,只要我们适当选择泵浦光和种子光的参数,我们可以得到高功率和窄脉宽的激光脉冲。并且由于泵浦光和种子光从放大池的两端入射,使得这种组束方法比以往方法更能够承担大能量和高功率负载。
参考文献:
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Study of beam com b i na tion by sti m ula ted Br illou i n sca tter i ng
βZh i2w ei,H E W ei2m ing
D I N G Y ing2chun,LU
(Institu te of Op to2E lectron ics,H a rbin Institu te of T echnology,H a rbin150001,Ch ina)
Abstract: In th is paper,a new m ethod of laser beam com b inati on by SBS is p ropo sed.In th is m ethod,the pump pu lse clu ster,w h ich con sists of series pu lses that is distribu ted by the vari ou s ti m e,is inciden t at one side w h ile the Stokes seed is in2 ciden t at the o ther side of the SBS cell.T hen the Stokes seed beam ex tracts energy from the inpu t pu lse clu ster in the in teracti on regi on of the SBS cell.Energy reflectivity and pu lse w idth of the Stokes seed ou tpu t are calcu lated on conditi on of vari ou s pu lse clu ster,seed and m edium.T he resu lts show that h igh ly effective beam com b inati on is ob tained by back in jecting Stokes seed in2 to amp lified SBS cell and the ex tracting energy from the pu lse clu ster of the pump.
Key words: phase con jugati on;sti m u lated B rillou in scattering;beam com b inati on efficiency;pu lse clu ster
光 通 信 技 术V o l.23 O PT I CAL COMM U N I CA T I ON T ECHNOLO GY N o.1 中国电信技术类核心期刊 受激布里渊散射对光纤传输系统特性的影响α 王晖 谢世钟 谢 涌 吴小萍 孙成城 周炳琨(清华大学电子工程系北京100084) 摘要 受激布里渊散射(SB S)是光纤传输系统中一种重要的非线性效应,它限制了光纤中的光功率。文中主要讨论了SB S的阈值特性与光源静态线宽及光源调制类型的关系,并通过实验进行了验证。同时,还研究了SB S效应对系统误码率特性的影响。所得结果可为系统设计工作中考虑SB S的影响提供一定依据。 关键词 受激布里渊散射 光纤传输系统 Effect for Character istic of Optica l F iber Tran s m ission Syste m due to Sti m ula ted Br il-lou i n Sca tter i ng W ang Hu i,X ie Sh izhong,X ie Y ong,W u X i aop i ng,Sun Chengcheng, Zhou B i ngkun Tsi nghua Un iversity,Be ij i ng100084 Abstract Sti m u lated B rillou in Scattering(SB S)one of i m po rtan t non linear op tical ef2 fects in op tcal fiber tran s m issi on system,it li m its the op tical pow er that can be tran s m it2 ted th rough fiber.In th is p aper,the relati on sh i p of SB S th resho ld characteristic w ith linew idth of ligh t sou rce and m odu lati on typ es w as talked abou t,and w as app roved by exp eri m en ts.A t the sam e ti m e,w e have investigated the effects fo r b ite ero r rate charac2 teristic of system due to SB S. Keywords Sti m u lated b rillou in scattering Op tcal fiber tran s m issi on system 1 引言 在长距离光纤通信系统中,大功率半导体激光器和掺铒光纤放大器(ED FA)被广泛使用,使得传输线路中的光功率提高到很高的水平,最高点可达到50甚至100mW,这就可能导致产生各种光纤非线性效应,对系统传输质量产生较大影响。其中受激布里渊散射(SB S)因阈值较低,在窄线宽情况下可能达到仅仅几个mW的量级,而对系统的影响最大[1]。 SB S是一种在光纤内发生的非线性过程,一旦光纤中传输的光功率超过布里渊阈值,SB S将把部分输入功率转换为后向斯托克斯波,造成传输光强不稳定,从而引入噪声,影响接收灵敏度,而且SB S带来泵浦消耗,使接收端功率远小于无SB S效应时的功率,极大地恶化系统传输特性[2]。因此,在光通信系统中,必须保证进入光纤的功率低于SB S阈值。 本文研究了光源为连续光(C W)及光源 α
第14卷 第3期 2002年5月 强激光与粒子束 H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S V o l.14,N o.3 M ay,2002 文章编号:100124322(2002)0320353204 受激布里渊散射相位共轭激光组束规律Ξ 丁迎春, 吕志伟, 何伟明 (哈尔滨工业大学光电子技术研究所,黑龙江哈尔滨150001) 摘 要: 提出了一种新的SBS激光组束的方法。此方法中,一束按时间分布的激光脉冲序列作为泵浦光 从SBS放大池的一端入射,另一束Stokes频移种子光从SBS池的另一端入射,Stokes种子光在SBS池的相互 作用区提取泵浦光能量。研究了组束效率和输出脉宽随脉冲串个数、间隔和泵浦功率密度等的变化规律。研究 结果表明种子注入型泵浦脉冲串的受激布里渊散射相位共轭组束是一种高效的组束方法。 关键词: 相位共轭;受激布里渊散射;组束效率;脉冲串 中图分类号:O433.5 文献标识码:A 受激布里渊散射是最早被证明能够产生相位共轭的非线性光学技术。从此人们进行了大量的SB S应用的研究,其中包括利用SB S相位共轭技术进行激光组束的研究[1～4]。这种研究的目的是把多束激光合并成具有均匀波前的单一相干光束。文献报道SB S相位共轭激光组束得到标定能量,打破了传统的由单一激活介质得到的最大能量的限制[5]。SB S相位共轭激光组束有两种方法,一种是重叠耦合组束,另一种是后向注入种子光组束。在重叠耦合组束中,多束入射光交叉在SB S波导中或者是SB S池的远场相互作用区。在这种情况下所有光束的布里渊声场都是共同的,导致了Stokes输出光束是入射光束的共轭。也就是说在重叠耦合组束中不仅入射光束的相位彼此锁定(即在两光束间建立起固定的位相关系),而且两光束间的相对位相被共轭,返回光束有零的相位延迟。在后向注入种子光组束中,把一束与入射光方向相反的种子光注入到被组束的入射光束的相互作用区,种子光束的功率低于SB S的峰值功率,尽管如此,但它也比通常激发共轭光束的任意声场噪声的自发辐射要大,所以只要控制种子光束的相就可以控制Stokes输出光束的相。也就是说,在后向注入种子光组束中,SB S返回光(Stokes输出)的位相被外部提供的低功率的种子光束锁定。在以上两种组束方法中,两束激光要同时到达SB S池,因此调整精度要求较高;多束激光同时入射到SB S池,使得这种组束方法不能承受大能量负载;组束效率较低,为了弥补上述组束方法的不足,我们研究了串脉冲的SB S相位共轭组束。 F ig.1 Physical model of beam com binati on by sti m ulated B rillouin scattering 图1 SBS相位共轭组束的物理模型 1 理论模型 1.1 物理模型 图1是串脉冲的SB S相位共轭组束的物理模型。在SB S放大器模型中,泵浦脉冲串从z=L处入射到放大池,Stokes种子从z=0处入射到放大池,Stokes种子光与泵浦脉冲串在放大池中相互作用,Stokes种子光束从泵浦脉冲串提取能量并从z=L处出射。 1.2 数学模型 斯托克斯场和抽运场由麦克斯韦波动方程描述,介质中的声波场由纳维2斯托克斯(N avier2Stokes)能量传 Ξ收稿日期:2001204205; 修订日期:2002201215 基金项目:1999年教育部“跨世纪优秀人才培养计划”基金;国家863惯性约束聚变领域资助课题;国家自然科学基金(60088001)资助作者简介:丁迎春(19662),女,副教授,哈尔滨工业大学物理电子学专业博士研究生,现从事非线性光学方面的研究。
第13卷 第3期强激光与粒子束V o l.13,N o.3 2001年5月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S M ay,2001 文章编号: 1001—4322(2001)03—0287—04 角反射器阵列作为伪相位共轭器件的保真度分析① 侯 静1,2, 姜文汉1, 凌 宁1 (1.中国科学院光电技术研究所,四川成都610209; 2.国防科技大学理学院,湖南长沙410073) 摘 要: 研究了共光路共模块自适应光学系统中用角反射器阵列构成伪相位共轭器件,角反射器 阵列形成伪相位共轭波的能力,具体计算了不同单元数的角反射器阵列形成具有Zern ike多项式展开 的各阶像差的波面的相位共轭波的保真度。角反射器阵列的保真度决定于其单元数和阵列结构,对于不 同类型的像差保真度也是不同的。最后还对各种影响因素如衍射、二面角误差和面形误差等也进行了分 析。 关键词: 自适应光学; 共光路共模块; 角反射器阵列; 相位共轭; 伪相位共轭; 像差; 保真度 中图分类号: TN247 文献标识码: A 共光路共模块(comm on p ath comm on m ode)自适应光学系统[1～3]主要由激光器、共模块哈特曼波前传感器、波前校正器件、相位共轭器件、控制系统等组成,其中共模块哈特曼波前传感器中包括两个哈特曼传感器:一个用于探测主激光的波前像差,另一个用于探测信标光的波前像差。系统的主要像差来自于:(1)激光器内腔镜的制造误差及热变形和工作介质的不均匀性引起的像差;(2)发射通道中大气湍流和热晕;(3)分光镜的热变形及其他光学元件的制造误差、内部光路内的扰动引起的像差。因此一般自适应光学系统只能进行光束净化和校正大气湍流造成的波前畸变中的一项,而该系统具有光束净化、校正大气湍流、自准直、校正分光镜热变形、校正内部光路内的扰动引起的像差和降低了光学元件的制造要求等优点,实现这些功能其中一个重要的器件就是由角反射器阵列构成的伪相位共轭器件。利用角反射器阵列的后向反射特性,使之作为伪相位共轭器件,在70年代末80年代初就被提出并有实验验证[4～7]其伪相位共轭波有较好的波前畸变校正效果。相位共轭镜与角反射器阵列有本质的区别,前者是利用一些光学材料的特有性能,即非线性光学相位共轭来改变光束波前,产生理想的相位共轭波,但由于非线性相互作用而有一定的时间延迟,响应速度相对较慢;后者是将角反射器排为阵列利用其后向反射特性形成伪相位共轭波,这与相位共轭波也是有区别的,但角反射器阵列是实时响应,且所形成的伪相位共轭波在一定条件下仍是有效的。 本文对角反射器阵列形成具有像差的光波的相位共轭波的能力进行了研究,分析了角反射器阵列结构及二面角误差、面形误差等制造误差对伪相位共轭波波面面形的影响,这对共光路共模块系统的设计和分析是十分有用的。 1 角反射器阵列作为伪相位共轭器件的原理 角反射器具有空间定向反射特性,以任意方向入射的空间光线经过理想角反射器的三个反射面相继反射后,仍以入射光线严格平行的方向返回。如图1所示,从棱镜的底面看,可以看到三条棱线和其象将底面分割为六个区域。按照入射光线所处区域的不同,可以有六种不同的反射顺序。 对于单一的理想角反射器而言,出射波面是入射波面关于中心的完全倒置,即其所成像左右、上下都是反向的,这一点极易用一角反射器验证。设入射光波光强分布均匀而E1=exp[i<0(x,y)],如表1所示,对于有奇函数相位因子的入射光波,出射光波是入射光波的共轭。 任何像差的波面都可以将其细划分为许多足够小的区域,则在每一个小区域上可以近似认为是只 ①收稿日期:2000212227; 修订日期:2001203212 作者简介:侯 静(19752),女,博士生,主要研究方向为自适应光学和非线性光学;成都双流350信箱。
文章编号:025827025(2005)0420497204 单模光纤中受激布里渊散射阈值研究 沈一春,宋牟平,章献民3,陈抗生 (浙江大学信息与电子工程学系,浙江杭州310027) 摘要 分析和讨论了受激布里渊散射(SBS )阈值计算的Smith 模型和K üng 模型,研究了更为准确估算光纤中布里渊散射阈值的方法,通过布里渊增益系数与光纤长度的关系,发现对于较短长度光纤,其布里渊增益系数随着光纤长度变化范围较大,仅在长距离光纤时,布里渊增益系数才可以近似为常数。实验测量了25km 单模光纤的受激布里渊散射阈值,推导出用布里渊时域反射仪(BO TDR )测量受激布里渊散射阈值计算公式,最后用布里渊时域反射仪测量了不同长度光纤受激布里渊散射阈值,实验结果与理论分析吻合。关键词 光电子学;单模光纤;布里渊时域反射仪;受激布里渊散射中图分类号 TN253 文献标识码 A Analysis and Measurement of Stimulated Brillouin Scattering Threshold in Single Mode Fiber SH EN Y i 2chun ,SON G Mu 2ping ,ZHAN G Xian 2min ,C H EN Kang 2sheng (De partment of I nf ormation and Elect ronic Engineering ,Zhej iang Universit y ,H angz hou ,Zhej iang 310027,China ) Abstract The Smith ′s model and K üng ′s model for calculating the threshold of stimulated Brillouin scattering (SBS )are analyzed and discussed.The more exact method is investigated.The relationship between critical gain coefficient and fiber length is obtained ,which shows that the critical gain coefficient can be considered as constant only when fiber length is long enough.The SBS threshold of 25km single mode fiber is measured by experiment.Finally ,the experiment to measure SBS threshold using Brillouin optical 2time 2domain reflectometer (BO TDR )is done.The results are well agreed with the theoretical predication. K ey w ords optoelectronics ;single mode fiber ;Brillouin optical 2time 2domain reflectometer ;stimulated Brillouin scattering 收稿日期:2004202217;收到修改稿日期:2004207206 基金项目:浙江省自然科学基金(M603127)资助项目。 作者简介:沈一春(1979— ),男,江苏南通人,浙江大学信息与电子工程学系博士研究生,主要从事光纤光子学方面的研究。E 2mail :syczju @https://www.doczj.com/doc/045951787.html, 3通信联系人。E -mail :zhangxm @https://www.doczj.com/doc/045951787.html, 1 引 言 受激布里渊散射(SBS )是一种光纤内发生的非线性过程,抽运波通过电致伸缩产生声波,然后引起介质折射率的周期性调制。抽运引起的折射率光栅通过布拉格衍射抽运光,由于多普勒位移与声速移动的光栅有关,散射光产生了频率下移,形成了斯托克斯波[1]。受激布里渊散射是光纤中的一种常见的非线性现象,通常会对光通信系统造成危害[2～4]。但近些年来,光纤中的受激布里渊散射在激光器、放大器、滤波器、传感器等许多领域的应用引起了人们 极大的关注[5～9]。光纤中布里渊散射一旦达到阈 值,受激布里渊散射将把绝大部分输入功率转换为后向斯托克斯波。因而研究光纤中的布里渊散射阈值显得十分必要。Smit h 提出了布里渊散射阈值的理论估算法[10],由于当时光纤损耗较大,这样的理论估算法应用于现在低损耗光纤并不准确。传统上测量光纤中布里渊散射阈值的系统搭建比较复杂,而且不适合野外作业。C. C.Lee 等[11]提出了使用布里渊时域反射仪(BO TDR )测量光纤中布里渊散射阈值的简单方法,但使用的理论模型中将布里渊 第32卷 第4期2005年4月 中 国 激 光 C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS Vol.32,No.4 April ,2005
基于脉冲光的布里渊散射阈值分析 王如刚1 张旭苹1*宋跃江1吴建伟1,2 (1.南京大学光通信工程研究中心，江苏南京 210093; 2. 河海大学理学院，江苏南京 210098) 摘要：针对连续分布式布里渊光纤传感器的阈值问题，本文根据光纤中泵浦光与斯托克斯光之间耦合波方程，推导出布里渊阈值关系式，通过分析该关系式与脉冲宽度、光纤半径和温度的关系，提出了脉冲光布里渊阈值理论估算模型。在实验中，利用布里渊光时域反射仪系统，得出了脉冲光布里渊阈值，并与理论模型的结果进行对比分析，实验证明了该脉冲光阈值模型的结果与实验得到的布里渊阈值符合较好。 关键词：脉冲光；布里渊散射阈值；时域反射仪；光纤传感 中图分类号TN247 文献标识码 A Analysis of Brillouin Threshold Based on Pulsed Light Wang Ru-gang1 Zhang Xu-ping1 Song Yue-jiang1 Wu Jian-wei1,2 (1.Institute of Optical Communication Engineering Research, Nanjing University, Nanjing 210093, China;2. School of Science, Hohai University, Nanjing 210098, China) Abstract Arming at the problem of threshold for the distributed optical fiber sensor based on Brillouin scattering, the calculated expression of the Brillouin threshold is received through the coupled equation between the pump and stokes wave in optical fiber, by analyzing the threshold coefficient expression of pulse light in this paper, and propose the theoretical estimation model of Brillouin threshold for pulsed light. In the experiment, receive the power relationship between the incident light and scattered light using of Brillouin optical time domain reflectometer system, by comparing the threshold power under the various definitions, the experimental results are consistent with the theoretical calculation. Keywords Pulsed Light; Brillouin Scattering Threshold; Optical Time Domain Reflectometer; Fiber Sensor 1 引言 布里渊散射是入射光波与介质中的声波相互作用而产生的一种非线性过程， 在光纤通信以及光纤传感等方面有着广泛的利用，如布里渊放大器[1]，布里渊多 波长激光器[2]，分布式光纤传感[3]等。基于自发布里渊散射的布里渊光时域反射 仪(BOTDR)具有抗干扰、单端测量、可实现对传感光纤上温度与应变信息的连续 测量等优点，但在长距离、大范围结构监测中，需注入功率较高的脉冲光，而高 功率的光脉冲会在光纤中产生受激布里渊散射，此时的入射光功率称为布里渊阈 收稿日期： 基金项目：国家重点基础研究发展计划（“973”计划）基金资助项目（2010CB327803）；国家自然科学基金资助项目(60644001)。 作者简介：王如刚(1976-)，男，博士研究生，主要从事光纤传感方面的研究。Email：wrg3506@https://www.doczj.com/doc/045951787.html, 导师简介：张旭苹(1962-)，女，教授，博士生导师，主要从事光通信网络的监测与故障定位、分布式光纤传感技术、光通信系统关键器件与组件等方面的研究。E-mail: xpzhang@https://www.doczj.com/doc/045951787.html, *通信联系人。Email：xpzhang@https://www.doczj.com/doc/045951787.html,
凝聚态物理导论 书面报告 学院：物理科学与技术学院专业：物理电子学 姓名：李晓果 学号：31646044
周期和准周期中波的传播 1.晶体中的电子 1.1自由电子气模型 如果周期势很弱假设0)(=r V ,则晶体中电子的定态方程 )r ()r ()](2[22ψψE r V m =+?- 的平面波解为r k i k e r ?-Ω=2/1)(ψ其中Ω是晶体的体积,此时的色散关系为k m E 222)k ( =对于具有N 电子的系统可以用波失k 来表征其状态。这里我们引入费米面的概念，在k 空间中有这样一个表面，位于表面内 的所有状态都被填满，在他之外的所有状态都是空的，费米面的能量为费米能 )(F F k E E =这里F k 为费米波失，只有T=0时F k 才严格确定。由自由电子近似很容易求出费米波失和费米能，首先?∑Ω==k d N k 3)2(2π，式子中因子2来自于电子自旋的简并度又由于3/43F k k d π=? ,我们可以得到312)3(Ω =N k F π和3222)3(2Ω =N m E F π ,由色散关系我们可以知道电子能量依赖于波失k ，事实上由于周期性势存在，任何态都可以用简约波失来表征。 1.2近自由电子近似模型 模型认为金属中价电子在一个很弱的周期场中运动，价电子的行为很接近于自由电子，又与自由电子不同。这里的弱周期场设为()V x ?，可以当作微扰来处理，即：零级近似时，用势场平均值V 代替弱周期场V (x )；所谓弱周期场是指比较小的周期起伏[()]()V x V V x -=?做为微扰处理。零级近似下，电子只受到V 作用，波动方程及电子波函数，电子能量分别为：20000202202()2ikx k k d V E m dx x k E V m ψψψψ-+===+
目 录 1 概述 ..................................................................... 1 2 缩略语 ................................................................... 1 3 SBS理论 (1) 3.1 物理过程 ............................................................ 2 3.2 阈值特性 ............................................................ 2 4 SBS阈值功率的测试装置 . (3) 4.1 光源 ................................................................ 4 4.2 掺铒光纤放大器 ...................................................... 4 4.3 可变光衰减器 ........................................................ 4 4.4 光纤偏振控制器 ...................................................... 4 4.5 耦合器和环形器 ...................................................... 5 4.6 耦合器尾纤与接续 .................................................... 5 4.7 端口C光纤连接 ....................................................... 5 4.8 功率计 .............................................................. 6 5 测试程序 .. (6) 5.1 反射功率测试 ........................................................ 6 5.2 输入功率测试 ........................................................ 7 6 系统测试的重复性 ......................................................... 7 7 SBS阈值定义 .. (7) 7.1 定义A ............................................................... 9 7.2 定义B ............................................................... 9 8 测试结果的分析和计算 .. (9) 8.1 采用定义A时的数据分析 ............................................... 9 8.2 采用定义B时的数据分析 .............................................. 10 8.3 测试和计算的重复性 ................................................. 10 8.4 试验数据与理论计算 ................................................. 11 8.5 dBm与mW的转换 ...................................................... 11 8.6 长度归一化 ......................................................... 11 8.7 衰减归一化 ......................................................... 13 9 结果 .................................................................... 13 参考文献 (14) 电话：82054513 h t t p ://w w w .p t s n .n e t .c n
在光纤中传播的光波，其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会发生散射。光纤中的散射过程主要有三种：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，它们的散射机理各不相同。其中，布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在不同的条件下，布里渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来。 在注入光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用，同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈现周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移，这种散射称为自发布里渊散射。自发布里渊散射可用量子物理学解释如下：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。因此在自发布里渊散射光谱中，同时存在能量相当的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线，其相对于入射光的频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系。 由于构成光纤的硅材料是一种电致伸缩材料，当大功率的泵浦光在光纤中传播时，其折射率会增加，产生电致伸缩效应，导致大部分传输光被转化为反向传输的散射光，产生受激布里渊散射。具体过程是：当泵浦光在光纤中传播时，其自发布里渊散射光沿泵浦光相反的方向传播，当泵浦光的强度增大时，自发布里渊散射的强度增加，当增大到一定程度时，反向传输的斯托克斯光和泵浦光将发生干涉作用，产生较强的干涉条纹，使光纤局部折射率大大增加。这样由于电致伸缩效应，就会产生一个声波，声波的产生激发出更多的布里渊散射光，激发出来的散射光又加强声波，如此相互作用，产生很强的散射，这就是受激布里渊散射（SBS）。相对于光波而言，声波的能量可忽略，因此在不考虑声波的情况下，这种SBS过程可以概括为频率较高的泵浦光的能量向频率低的斯托克斯光转移的过程。这样受激布里渊散射可以看成仅仅是在有泵浦光存在的情况下在电致伸缩材料中传播的斯托克斯光经历了一个光增益的过程。在受激布里渊散射中，虽然理论上反斯托克斯和斯托克斯光都存在，一般情况下只表现为斯托克斯光。
利用色散管理抑制中距光相位共轭系统的边带不稳定性Vo .l 37, No. 1 第 37卷第 1期激光与红外 J anua ry, 2007 LA SER & IN FRAR ED 2007年 1月 ( ) 文章编号 : 100125078 2007 01 20059203 利用色散管理抑制中距光相位共轭系统的边带不稳定性 1 2刘耀明 ,李庆山 ( )1. 桂林工学院电子与计算机系 ,广西桂林 541004; 2. 杭州电子科技大 学通信工程学院 ,浙江杭州 310018 摘要 :文章从理论上分析了光相位共轭系统中边带不稳定性产生的机理及其 危害 ,提出了利用色散管理来减小边带不稳定性影响的方法。数值模拟和分析结果表明 : 色散管理能够有效地抑制边带不稳定性。 关键词 :光通信 ;边带不稳定性 ;色散管理 ;相位共轭 中图分类号 : TN929. 11文献标识码 : A Suppression of S ideband In stab ility in M idway O ptica l Pha se Con juga tion by Using D ispersion M anagem en t 1 2L IU Yao2m ing, L I Q ing2shan ( 1. D ep a rtm en t of E lec tron ic s & Comp u te r, Gu lin U n ive rsity of Techno logy, Gu ilin 541004 , Ch ina; )2. Co llege of Comm un ica tion Enginee ring, H angzhou D ianzi U n ive rsity, H angzhou 310018 , Ch ina A b stra c t: The gene ra ting m echan ism of sideband in stab ility and the co rre spond ing imp a irm en ts a re ana lyzed theo re ti2 ca lly. A schem e fo r supp re ssion of sideband in stab ility u sing d isp e rsion m anagem en t is p ropo sed.
受激布里渊散射中弛豫振荡研究 受激布里渊散射（SBS）的动态响应具有很多有趣的特征。尽管当泵浦脉冲 宽度T0远远大于声子寿命T B时，声学动态的影响很小。已有研究表明，斯托克斯 光的功率并非单调地趋近某个稳态值，而是呈现出周期为2T r的弛豫振荡特点，?为在长度L光纤中的传输时间。这种振荡的示例如图1所示，其中泵T r=L v g 浦脉冲宽度为1 us。当存在外部反馈情况时，弛豫振荡可以变为稳定振荡，即泵 浦和斯托克斯波发展为自强度调制。 图1 （a）泵浦脉冲的输入和输出强度（b）斯托克斯脉冲的强度 即使泵浦和斯托克斯波的群速度v g相同，由于两者反向传播而相对速度为2v g，这种等效群速度失配导致了弛豫振荡的出现。获得这种弛豫振荡的频率和延时的方法是对耦合传播方程的稳态解进行线性稳定性分析，类似与对调制不稳定性（MI）的分析。外部反馈的影响可通过设定光纤为一个封闭腔并使用恰当的边界条件进行等效。这种线性稳定性分析方法同时可以得到由稳态变为非稳态的临界条件。 设稳态时延的微小扰动为e??t，复数h可由（1）式线性求得。 （1） 如果h的实部为正，扰动的时延随时间呈指数增长，频率为υr=Im(?)/2π。
相反，如果h的实部为负，扰动随时间增长，稳态变为非稳态。对于CW泵浦情况，SBS也可导致泵浦和斯托克斯强度的时域调制。图2表示反馈随增益因子g0L变化的稳定和非稳定区域，与泵浦功率的关系是g0=g B P p/A eff。参数b0表示泵浦功率转变为斯托克斯功率的占比。 图2 存在反馈时，SBS的稳态和非稳态区域 图3表示通过数值求解（1）式得到的斯托克斯和泵浦强度的时间演变。上排为g0L=30情况，无反馈时出现弛豫振荡，振荡周期为2T r。物理上，弛豫振荡的起因可以解释为：在光纤输入端附近斯托克斯功率的快速增长使泵浦功率快速消耗，这引起增益下降直至泵浦的消耗部分从光纤传出，然后增益重新不断增加，该过程不断重复。 图3的下排对应弱反馈情况，其中R1R2=5×10?5，R1、R2分别是光纤两端的反射率，增益因子g0L=13低于布里渊阈值。尽管如此，由于反馈降低了布里渊阈值，所以斯托克斯波仍会产生。然而，并未达到稳态，是因为图2中所示的非稳定性，取而代之，光纤两端的泵浦输出和斯托克斯输出表现出稳定振荡。如果反馈增加使得R1R2≥2×10?2，同样能达到稳态。这是因为该反馈的b0值在图2中的稳态区域。SBS的所有这些动态特征都已在相关实验中观察到。
相位共轭镜及其用途 在物理学的幼年时期，人们就发现一条光学定律，即“入射角等于反射角”；但是本世纪70年代初，苏联科学家发明了一种所谓“过失镜”，这种镜的特点是：无论从什么角度观察, 你自身的象都能被反射回来。起初，这种新型反射镜只被看作一种实验室珍品，现在，这种反射镜却引起许多部门的科学家的极大兴趣，如集成电路芯片制造行业、核聚变以及美国的战略预御倡议计划。 这种新型反射镜，称为相位共轭镜。位相共轭波是在振幅、位相（即波阵面）及偏振态三个方面与入射光波互为时间反演的光波，它能消除非均匀介质引起的波前畸变。由于其物理学原理复杂，此处只谈应用。美国在推行它的战略防御倡议计划时，就需要采用激光束以摧毁空间飞行的导弹。科学家们设想，将庞大的激光器安装在地面上，将激光束射向太空，再通过放在地球轨道上的反射镜将激光束反射到敌方的导弹上。问题在于,在穿过地球湍流的大气层后，激光束就会杂乱无章，以致射入太空时没有什么破坏力。相位共轭镜能将已混乱的光波校正过来。假定在你和你盟洗室中的镜子之间有一块蒙上水汽的玻璃，从你面部反射的光波通过这块玻璃后，就将变得混乱不清。从镜子反射回来的象，通过玻璃后就畸变得无法辨认。如果在这块蒙上水汽的玻璃的前面有一面相位共轭镜，情况就变了。它可以把每一束光线沿着它的入射路径反射回来；实际具有使光线逆向传播的特点。镜子反射回来的象通过蒙上水汽的玻璃后，由于反射光得到校正，因而消除了畸变。
遗憾的是，校正镜实验实际上没有能取得成功。这是因为要使此镜能正常工作，照到镜上的光必须是强光，即由激光器发出的强相干光，而不是由面部反射的那种杂乱无章的光。有了激光, 模拟试验就能成功。莫斯科列别捷夫物理研究所的波里斯·捷尔多维奇博士和他的助手，在1972年进行的校正镜试验首次获得了成功。他们使激光束通过一个畸变玻璃板，发生畸变的光束再射入由充入高压甲烷气体管组成的相位共轭镜。该镜反射回的光束通过玻璃板后，激光束就没有一点畸变。 相位共轭镜能够避免用来摧毁导弹的激光束在射入太空时发生的混乱。用激光摧毁敌方导弹的一种方案是：送上地球轨道的是一台低功率激光器，装在地面的则是一台装有相位共轭镜的高功率激光器。发现目标时，轨道运行的激光器发出的激光束射到地面的位相共轭镜上，大气层的作用像那块蒙上水汽的玻璃。因此激光束到达位相共轭镜时就受到畸变。由于此镜的准确“反畸变”作用，在反射激光束通过相同的大气柱时，畸变就消失。 制造位相共轭镜的方法有两种： 一种是捷尔多维奇1972 年所用的方法，即利用众所周知的布里渊散射现象（在注入光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用，同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈现周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移，这种散射称为自发布里渊散射）。在条件适合的情况下，通过某些物质传播的光能在该物质内部产生声波。可使声波的轮廓与引起畸变的光学反射镜的相同，以反射入射光波的共轭波。 另一种方法是“动态”全息法。就是把全息术的记录、显影和再现步骤合并成一个连续过程。普通全息术是将一束激光分成两束光来进行记录的。从物体上反射的物光束照在感光板上，与参考束相遇。这两束光波相互干涉形成的干涉条纹图形则储存在感光板上。再现时，将参考束照射在全息图上，即可看到原物逼真的立体图。 在动态全息术中，记录和再现是同时的。两个参考束和一个物光束在位相共轭镜中相遇, 镜的作用与照相干版相同, 镜连续不断地将三个光束的干涉图形记录下来。第四个光束就是从镜反射的物光束。 物理学家用位相共轭进行实验已有四十年。许多概念现在已走出实验室，其应用范围从
受激布里渊散射介绍 印新达 武汉光迅科技股份有限公司 简述。在向较长的光纤中发射激光时，如果超过了某个最大临界功率，则由于线宽和光纤类型的原因，可能会发生强烈的反射，从而导致在光纤另一端所观测到的功率达到最大极限值，这就是受激布里渊散射（SBS）。显而易见，受激布里渊散射（SBS）现象将对传输功率产生限制，并且引发信号噪声。该现象起源于光纤中的声波对信号光的反向散射。在较短的光纤中，也会发生这种现象，但程度要轻微得多。被散射的光将产生一个等于布里渊散射漂移频率的偏移，变为较低的光频（较长的波长），这是光纤材料的一项固有特性。普通单模石英光纤的漂移频率约为11GHz（波长0.09nm）。如果光纤中前向和反向传输的光之间的频率差恰好等于布里渊散射漂移频率，则反向散射光将引起更多的前向传输的光信号被反向散射。因此，如果信号功率足够大，由该受激反向散射所导致的反向散射光功率，可能会超过因为光纤衰减而损失的功率。 为了实现更大距离与更高速率的传输，现代传输系统的光发射功率越来越大。因此，人们不得不考虑非线性效应，特别是受激布里渊散射（SBS）等现象，而系统设计者们也需要在功率分配要求与由SBS等非线性效应所引起的信号损失这两者之间进行平衡。 为了使光纤放大器的高输出功率能够有效地注入单模光纤，必须提高SBS门限功率。采用的方法主要是对信号光源作附加调制或对外调制器作附加调相，使入射光的谱宽增大。 1 SBS的产生和物理现象 当注入光纤中的光功率从0开始增加，在光功率很小时，光纤中不产生非线性过程。当注入光纤功率增加到超过某一阈值光功率后，光纤中出现非线性过程。该非线性过程产生的物理现象是：绝大部分输入光功率转换为后向散射的斯托克斯光波。这一非线性过程称为受激布里渊散射。产生SBS的阈值光功率与入射光波的谱宽有关。对连续光波或相对较宽的脉冲光波(≥1Ixs)，SBS 的阈值光功率可低至lmW(0dBm)；而对脉冲宽度<1Ons的短脉冲光波，SBS几乎不会发生。 2 SBS产生机理及减小SBS对光纤传输影响的方法 2．1 SBS产生机理 SBS过程可经典地描述为泵浦光波(即注入光纤的信号光)、斯托克斯光波和声波之问的参量相互作用。泵浦光波通过对光纤的电致伸缩产生声波，该声波对光纤的折射率周期性调制，在光纤中产生折射率光栅。泵浦光通过该光栅时，由于光栅的布喇格散射，使泵浦光后向散射产生斯托克斯光。斯托克斯光的频率比泵浦光下移，频移 B为： 式中n为光纤折射率，V A为声波速度，入P为泵浦光波长。石英光纤中声波速度V =5．95km／s， n=1．45，则在入 =1550nm 附近斯托克斯光波的频移 =11．1GHz，即斯托克斯光波频率比波长为1550nm 的光波频率低11．1GHz，二者的波长相差不到0．1nm。