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/3f4977433.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/3f4977433.html,
*通信联系人。Email：xpzhang@https://www.doczj.com/doc/3f4977433.html,
值功率，光脉冲的功率达到布里渊散射阈值时，受激布里渊散射会将绝大部分输入光功率转换为后向斯托克斯波。布里渊阈值与传感距离是一对相互制约的量，随着传感距离的增加，受激布里渊阈值就会降低[4]，限制了探测脉冲光的功率，降低了探测距离。目前，需要探测的距离越来越大，精度要求越来越高，研究脉冲光的布里渊阈值，提高布里渊光时域反射仪的探测距离及系统的分辨率显得非常必要。光纤中受激布里渊阈值的研究[5、6]很多，但给出的结果都是基于连续泵浦的布里渊散射过程，没有见到对脉冲光布里渊散射阈值的研究。
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，通过分析该脉冲光阈值表达式，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，得到脉冲光泵浦时的阈值，与理论推导的结果进行了对比。
2 理论分析
2.1 脉冲光布里渊阈值计算
在光纤中，当注入光功率为和背向斯托克斯波功率为p P s P 时，那么注入光
功率与背向斯托克斯光的传输差分方程可以用方程式1和2表示[7]：
()p
p s p dP f P P P dz γζ=??α （1）
()s p s s dP f P P P dz
γζ=?+α （2） 其中f 为频率，α为光纤的损耗系数，单模光纤的声波模式增益因子γ可以表示为0eff g A γ=z ，设泵浦源输出的功率为，在泵浦光没有损耗的情况下，距
离泵浦源处的泵浦光功率可以表示为0P 0P P exp()p z α=?，具有洛伦兹形状的布里
渊增益()f ζ可以表示为：
2
1()1()/2p B
B f f f f f ζ=
?++Δ （3） 由以上分析，方程式2可以改写为：
0()exp()s s s dP f P z P dz
P γζαα=??+ （4） 若斯托克斯波中注入的光子占有数为，方程式4又可以改写为[8]： N
0()exp()()sp dN f P z N n dz
N γζαα=??++ （5） 其中自发光子数1(exp(/)1))()sp B n hf kT kT =+?=B hf ，k 为玻尔兹曼常量，h 为普朗克常量，T 为绝对温度。光纤中在没有起始的自发布里渊散射光子的边界情况下（即），那么在单一极化状态时的布里渊增益为：
()=0N L ()G f (0)11()exp[()(1exp())]()1()()
L sp N G f f L e n f ακζακζκζ?==??+??f （6） 其中000eff g P A P καγ==α，那么在整个频谱范围内的斯托克斯光功率
可以写为：
(0)s P 2(0)2()()s sp B kT P n hfG f df fG f df f ∞∞?∞?∞==∫∫ （7）
将式6代入式7可以得出：
/20114(0)(1)[()((1)(3222222L L p B q s B kTf f e q q e q P e q I I f ααπ??Δ??=+??????
?I （8） 其中，c 为真空中的光速，n 为纤芯折射率，/2(1)c n q e ατκ?=?τ
为脉冲宽度，0()I 124q q =+
，1I ()q =?324q ，根据布里渊阈值定义：光纤入射端的背向散射光功率等于入射光功率的η倍时的入射光功率，即(0)(0)s p P P η=时的入射光功率为受激布里渊散射阈值，这里的η值为0.1 [9、10]，
那么由方程式8可以得到布里渊阈值为： th P /2/2/20114(1(()](1)()3222222c n c n p B q th B kTf f e q q e P e q I I f ατατπη??Δ??=+??????
?q I （9） 2.2 脉冲光阈值系数
人们对光纤中的连续光泵浦的布里渊散射阈值做了很多理论分析，继Smith
[8]给出的基于入射光功率等于背向散射光功率时的入射光功率的受激布里渊散射阈值功率理论估算模型之后，Sebastien LeFloch [7]等人又通过实验研究后提
出了连续光的增益模型。这些阈值估算都可以用一个通用的计算模型，如10式表示：
th P 0eff th eff
GA P g L ? （10）
其中是有效纤芯面积，G 为布里渊阈值系数，是布里渊增益峰值系数，是光纤的有效作用长度，他们可以分别表示为：
eff A 0g eff L 271202
2a B p n g cV f πρλ=Δ （11） []1exp()eff L L αα=?? （12）
其中λ是入射光波长，n 是光纤折射率，c 是真空中的光速，12p 是光弹性张量系数，ρ是光纤密度，V 是纵模声速，a B f Δ为布里渊线宽。
当入射光脉宽为τ的脉冲光时，且任意时刻光纤中仅容许一个光脉冲存在的情况下，光纤有效作用长度可以用13式表示[8]：
eff L 2eff c L n
τ= （13） 由方程式1和4可以得出脉冲光布里渊阈值的估算模型：
th P 02eff th nA P G g c τ? （14）
由方程式9和14，可以得出脉冲光布里渊阈值系数G 为：
/2/2/2011024(1)[()()](1(/3222222c n c n p B eff q B kTf f nA e q q e q G e q I I I f g c ατατπητ??Δ??=+??????
? （15） 若35B f MHz Δ=， 1.55p f m μ=，，110210/g m ?=×W 11B f GHz =的普通单模
光纤，通过计算方程式15可以得出脉冲光布里渊阈值系数与脉冲宽度、光纤半径和温度因素之间的关系，如图1所示。
(a) 布里渊阈值系数与光纤半径的关系
(a) The coefficient of Brillouin threshold versus the fiber radius
(b) 布里渊阈值系数与脉冲宽度的关系
(b) The coefficient of Brillouin threshold versus the pulse width
(c) 布里渊阈值系数与光纤温度的关系
(c) The coefficient of Brillouin threshold versus temperature
图1. 脉冲光布里渊阈值系数与光纤长度、脉宽、光纤半径和温度的关系
Fig.1 The coefficient of Brillouin threshold of pulsed light versus the fiber length and pulse width
and fiber radius and temperature
从图1中可以看出，脉冲光阈值系数不是一个常数，而是随着入射光的脉宽、
光纤半径、光纤温度的变化而改变。在a 图中，随着纤芯半径从1到10m μ变化时，阈值系数从25到32逐渐增加，当半径大于5m μ时，阈值系数增加的趋势逐渐变缓；在b 图中，随着脉宽从的增加系数在减小，当脉宽从0增加到300ns 的过程中，阈值系数从35减小到30，当脉宽大于150ns 时，阈值系数减小的趋
势逐渐变缓；在c 图中，阈值系数受温度变化的影响较小，可以认为是常数31。
从分析中可以看出，脉冲光布里渊阈值系数不是一个常数，是根据光纤半径、脉宽和温度变化而变化的量，但是变化的量很小，结合目前光纤结构以及布里渊传感器自身的特性，在实际应用中，脉冲光的布里渊阈值系数可以认为是31，因此脉冲光的布里渊阈值估算模型可以用方程式9表示： 00231eff eff th eff A n P G
g L g c A τ=? （9）
3 实验与讨论
3.1 实验测试系统 布里渊阈值测试系统如图2所示，半导体光源发出的光经过偏振控制器(PC)后通过电光调制器(EOM)产生脉冲光，脉冲光的脉宽以及周期由脉冲发生器调节，产生的脉冲光经耦合器后，一路信号经掺铒光纤放大器(EDFA)进行放大，再经光环形器(OC)进入到光纤，产生的背向散射光经环形器3#端口后，利用光谱分析仪(OSA)进行测试，经耦合器输出的另一路脉冲光经光示波器观察脉冲信号的波形。
图2. 布里渊阈值实验测试系统
Fig.2 The experimental testing systems for Brillouin threshold
3.2 结果与分析
图3为背向散射功率与注入光功率之间的关系图，其中脉冲宽度为100ns ，光纤长度为4km ，为了保证在光纤中传输的是一个脉冲，脉冲周期设为40μs ，图4为耦合器输出的脉冲光经光示波器得到的脉冲波形图。
-60
-55
-50
-45
-40-35-30-25-20-15-10-50
B a c k s c a t t e d P o w e r (d B m )Input Power(dBm)
图3. 背向散射光功率与注入光功率的关系
Fig.3 The Backscattered power versus the incident light
图4. 脉冲光波形图
Fig.4 The pulse light wave
根据图3中的实验数据，以及方程式9的计算结果，脉冲光的布里渊阈值可以用表1来表示。
表1 脉冲光的布里渊阈值功率
Table 1 Brillouin threshold power for pulsed light
阈值定义 背向斯托克斯
功率等于瑞利
散射光功率时
的注入功率[11]
背向散射光功率等于入射光功率的0.1倍时的入射光功率[9-10] 以布里渊增益系数31计算 背向散射光功率快速增加时的入射光功率[12-13] 阈值(dBm) 44 45.5 42.5 44.5
由图4可以看出，随着注入光功率的增加，瑞利散射光、斯托克斯光和反斯托克斯光功率都在增加，但是瑞利散射光和反斯托克斯光功率增加的幅度很小，而斯托克斯光的功率增加较快。由表1可以看出，在条件一定的情况下，几种定义下的阈值大小非常接近，以背向散射光功率等于入射光功率的0.1倍时的入射光功率为阈值的值最大45.5dBm，以本文模型计算的结果最小42.5dBm，由于在实验中各种器件的损耗，使得实验的数据要稍高于理论计算的数据，可以认为理论计算与实验相符合。
η=倍时的入射光功率图5为实验中以背向散射光功率等于入射光功率的0.1
为脉冲光阈值定义下布里渊阈值功率以及以本文的阈值模型计算的阈值与脉冲宽度的关系图。
图5. 布里渊散射阈值与脉宽的关系
Fig.5 The Brillouin threshold versus the pulse width
从图5可以看出，实验的结果略高于理论计算的结果，主要是由于实验中器件的损耗造成的，但是相差的数值很小，可以认为理论与计算相符合。
4 结论
本文根据光纤中泵浦光与斯托克斯光之间耦合波方程，推导出布里渊阈值的关系式，通过分析该阈值与脉冲宽度、光纤半径与温度的关系，提出了脉冲光布里渊阈值理论估算模型。通过实验，利用布里渊光时域反射仪系统，得出了脉冲的布里渊阈值，通过对比分析，发现由于在实验中各种损耗的增加，使得实验的数据要稍高于理论计算的数据，可以认为理论模型的结果与实验相符合。
参考文献
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【专题】动态光散射基本原理及其在纳米科技中的应用——Zeta电位测量 -------------------------------------------------------------------------------- 作者: 骑着蜗牛追火箭收录日期: 2009-11-28 发布日期: 2009-11-28 动态光散射基本原理及其在纳米科技中的应用——Zeta电位测量 前言：Zeta电位是纳米材料的一种重要表征参数。现代仪器可以通过简便的手段快速准确地测得。大致原理为：通过电化学原理将Zeta电位的测量转化成带电粒子淌度的测量，而粒子淌度的测量测是通过动态光散射，运用波的多普勒效应测得。 1.Zeta电位与双电层（图1） 粒子表面存在的净电荷，影响粒子界面周围区域的离子分布，导致接近表面抗衡离子（与粒子电。荷相反的离子）浓度增加。于是，每个粒子周围均存在双电层。围绕粒子的液体层存在两部分：一是内层区，称为Stern层，其中离子与粒子紧紧地结合在一起；另一个是外层分散区，其中离子不那么紧密的与粒子相吸附。在分散层内，有一个抽象边界，在边界内的离子和粒子形成稳定实体。当粒子运动时（如由于重力），在此边界内的离子随着粒子运动，但此边界外的离子不随着粒子运动。这个边界称为流体力学剪切层或滑动面（slippingplane）。在这个边界上存在的电位即称为Zeta电位。 ZETA电位是一个表征分散体系稳定性的重要指标。由于带电微粒吸引分散系中带相反电荷的粒子，离颗粒表面近的离子被强烈束缚着，而那些距离较远的离子形成一个松散的电子云，电子云的内外电位差就叫Zeta电位。也称电动电位（只有当胶粒在介质中运动时才会表现出来），实际上就是扩散层内的电位差。ξ电位较高时，粒子能保持一定距离消弱和抵消了范德华引力从而提高了颗粒悬浮系统的稳定性。反之，当ξ电位较低时，粒子间的斥力减小并逐步靠近，进入范德华引力范围内，粒子就会互相吸引、团聚。ξ电位与液体递质内的粒子质量分数有关，改变液体的pH值、增加体系的盐含量都会引起双电层压缩，改变粒子的ξ电位，降低颗粒间的静电排斥作用，从而影响颗粒悬浮系统的稳定性。 2.Zeta电位与胶体的稳定性（DLVO理论） 在1940年代Derjaguin, Landau, Verway与Overbeek 提出了描述胶体稳定的理论，认为胶体体系的稳定性是当颗粒相互接近时它们之间的双电层互斥力与范德瓦尔互吸力的净结果。此理论提出当颗粒接近时颗粒之间的能量障碍来自于互斥力，当颗粒有足够的能量克服此障碍时，互吸力将使颗粒进一步接近并不可逆的粘在一起。（图2） Zeta电位可用来作为胶体体系稳定性的指示： 如果颗粒带有很多负的或正的电荷,也就是说很高的Zeta电位,它们会相互排斥,从而达到整个体系的稳定性；如果颗粒带有很少负的或正的电荷,也就是说它的Zeta电位很低,它们会相互吸引,从而达到整个体系的不稳定性。 一般来说, Zeta电位愈高,颗粒的分散体系愈稳定，水相中颗粒分散稳定性的分界线一般认为在+30mV或-30mV，如果所有颗粒都带有高于+30mV或低于-30mV的zeta电位,则该分散体系应该比较稳定 3.影响Zeta电位的因素 分散体系的Zeta电位可因下列因素而变化: A. pH 的变化 B. 溶液电导率的变化
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。
CMA8800光时域反射测试仪 操 作 手 册 郑州维修中心
目录 第一章快速开始 第二章概览 第三章OTDR测量模式 第四章储存及打印功能 附录 CMA8800的特点及日常维护
第一章快速开始 1.1仪器供电 CMA8800是通过220VAC适配器/充电器从外部供电。 注意：CMA8800不能用内置电池供电! 电源开关位于上面板的右侧。按下开关即可启动。 1.2启动顺序 当该单元上电后，首先出现了一个开始画面，包括软件版本及日期，接着单元进行自检。结果显示如图1-2所示。 当自检结束后，按下PAUSE可以读屏幕上的信息。按下“继续”可以继续进行操作。 图1－2典型设备和自检屏幕 1.3操作模式选择屏幕 当上电完成后，将显示一个可供选择模式的屏幕，每一种可见的模式均位于相应软键的旁边，你只要按下相应的键就按相应的模式进行操作。这里为有经验的用户出了每一种模式的快速操作信息，详细的信息见于手册中后面的章节。
1.3.1故障定位模式 故障定位模式是一种快速确定光纤端/断点位置的方法。当你按下FAULT LOCATE，首先就开始一个光纤接口质量的检查（如果在附加设置中，光纤接口质量的检查功能已启动），这个检查会告诉你基于用户在快速设置菜单中所定义的背向散射系数的连接是不好的、一般的还是好的。当检查进行测试完成后，光纤端/断点显示如图1－4所示。 通过按下硬键TEST/STOP或者模式屏幕软键可使测试取消，
1.3.2配置模式 按“配置模式”键进入“快速设置菜单”屏，在这里设置自动测试功能及测量参数，参见3.1节和3.2关于快速设置和附加设置的信息 按“启动”键显示光纤存储信息屏幕(如图1-5所示)，从这里你可以输入描述新的测试的信息，按“继续”就到达了连接光纤屏幕，接着再按“继续”就开始进行测试。 如需要，此时可按“模式屏”回到模式选择屏幕。 1.3.3专家模式 专家级的OTDR模式是为那些想应用CMA8800更先进功能的用户而设计的，所有的OTDR功能均见于这种模式。 按软键“专家模式”进入快速设置菜单（参见图3－1）；在此处，你可以在测试之前设置所有的必要的参数；目前的设置决定了自动执行哪些操作功能，如果“全自动”设为开，则所有的操作均被认定为自动执行，如果“全自动”设为关，则你必须选择哪一种操作是自动执行的。 按下“启动”进入显示曲线屏幕，按下硬键“REAL TIME”开始运行实时扫描，再按下硬键“REAL TIME”可以终止实时扫描状态。按下硬键“TEST/STOP即可开始测试。 1.3.3.1曲线显示屏幕 从设置状态按GO就显示了一个与图6-1相似的曲线屏。 1、图标行 在曲线图形区上方的图标行，显示了对比曲线和背景曲线参考的曲线文件名和其他信息，包括该曲线是否已被滤波、是否被施加衰减、是否进行过曲线分析的，测试平均是否未完成等产，对比曲线的文件名在屏幕左边显示，背景曲线(如果存在)的文件名在网络上的屏幕右边显示。 光标行图标：有效结果表 平滑已经运行 正在行进数据采集 差值比较 光标锁定 曲线被施加衰减
动态光散射仪测定粒径的操作步骤 Brookhaven BI-200SM laser light scattering spectrometer 该测试可以获得以下实验参数：流体力学粒径 需要准备的样品：一份浓度适宜的样品溶液 1. 制样 注意：制样是实验成功的关键；无论是测试瓶、溶剂还是样品溶液都需要进行严格的除尘处理（通常采用注射器滤膜反复过滤），否则会引入较大的误差。 2. 打开光散射仪 打开光源、检测器、恒温循环水的电源，在样品池内放入待测样品。 3. 打开软件：BIC Dynamic Light Scattering Software 4. 调出测量窗口 （1）将检测器调至“C档” （2）依次调出以下测定窗口 A、在Correlation Functions下拉菜单中调出Correlator Control Window B、在Graphs下拉菜单中调出Correlation Function Window C、在Graphs下拉菜单中调出Count Rate History Window D、在ISDA下拉菜单中调出NNLS Window E、在ISDA下拉菜单中调出Contin Window （3）在Windows下拉菜单中点击Smart Tile，优化窗口布局 （4）您将得到如下界面 5. 设置参数 在左上角窗口点击Dur调出测量时间参数窗口，依据当前的实际情况设置测量时间（如下图），点击“OK”在左上角窗口点击M.Bass调出测量基线参数窗口，选择Auto选项（如下图），点击“OK” 在左上角窗口点击Params调出样品参数窗口，按照下图中的方框提示填写相应的值，点击“OK” 注1、如溶剂为非水相体系，请在溶剂选项的下拉框中选择对应的体系（如下图） 注2、如溶剂体系为软件提供的选项之外的情况，请在溶剂选项的下拉框中选择Unspecified，并手动输入相应的粘度和折光指数（如下图） 在左上角窗口点击Display调出显示选项窗口，按照下图点勾，点击“OK” 在左下角CF窗口点击Scale，在弹出的窗口中按照下图勾选Show Fit，然后在下面点选NNLS或Contin，点击“OK” 6. 检测器设置：孔径选择100或200，波长根据激光源选择。 注、孔径选择使检测光强在50KCPS~500KCPS左右。如选择100，检测光强仍过强，考虑通过中密度滤光轮衰减入射光功率或者对样品进行稀释。 7. 测定 （1）点击主界面左上方的绿色圆形图标开始测试 （2）测试结束（如下图） （3）NNLS/Contin结果分析 点击Layout弹出窗口，根据需要选择图像表现形式（如下图） 点击Summary弹出窗口，点Copy For Spreadsheet数据复制（可在EXCEL，TXT文件中处理），点Copy
动态光散射原理-Dynamic Light Scattering (DLS) 动态光散射(DLS)，也称光子相关光谱Photon Correlation Spectroscopy (PCS) ，准弹性光散射quasi-elastic scattering，测量光强的波动随时间的变化。DLS技术测量粒子粒径，具有准确、快速、可重复性好等优点，已经成为纳米科技中比较常规的一种表征方法。随着仪器的更新和数据处理技术的发展，现在的动态光散射仪器不仅具备测量粒径的功能，还具有测量Zeta电位等的能力。因此，被广泛地应用于描述各种各样的微粒系统，包括合成聚合物(如乳液、PVC、等等),水包油、油包水型乳剂、囊泡、胶束、生物大分子、颜料、染料、二氧化硅、金属溶胶，陶瓷和无数其他胶体悬浮液和分散体。美国PSS粒度仪Nicomp380系列，就是采用的这种检测原理。 动态光散射:扩散的影响 经典的光散射测得的是平均时间散射光强度，认为散射强度与时间没有关系，实际上光散射强度是随时间波动的，这是由于检测点内不同的粒子发出的不同的光波相干叠加的或“重合”的结果，这个物理现象被称为“干涉”。每个单独的散射波到达探测器时建立一个对应入射激光波的相位关系。在光电倍增管检测器前方的一个狭缝处相互混合发生干涉。光电倍增管检测器在一个特定的散射角(90度角的DLS模块)处测量净散射量。 光的衍射（Diffraction）：又称为绕射,波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象.衍射现象是波的特有现象,一切波都会发生衍射现象。 光的散射（Scattering）：光束通过不均匀媒质时,部分光束将偏离原来方向而分散传播,从侧向也可以看到光的现象,叫做光的散射. 为了更好的理解粒子分散和散射强度中 波动结果的相关性，我们假设只有两个悬浮 粒子存在的简单情况。如图2所示。检测器 (远离散射单元,针孔孔径) 所检测到的净强 度是一个只有两个散射波叠加的结果。在图 2中,我们定义了两个光路长度、 L1 = l1a + l1b 和 L2 = l2a + l2b。(更准 确地说，折射光折射率会影响光程。但为了 简单起见,我们假设折射率为1.0，这样光程 L1和L2是就可以简化为图2所示)。 当两个粒子所处的位置恰好使两个散射图2:简化的散射模型:两个扩散粒子 波在到达探测器时?L = L1 - L2刚好等于激 光的波长λ整数倍时，两个散射光波就会增强。这就是常说的“相长”干涉，在探测器内产生最大可能的强度。还有一种极端，你有可能发现两个粒子位置是这样的；?L等于半波长λ/ 2的奇数倍。在这种情况下，两个散射波到达探测器时彼此完全抵消。这完全是“相消”干涉，由此产生的净强度为零。随着时间的推移，粒子的扩散将导致探测器接收到的净强度在这两个极端值之间波动——就像一个典型的“噪音”信号。如图3所示，为一个具有代表性的总信号强度。当光程在受到半波长λ/ 2(增加或减少)的影响时。信号强度会在最大值和最小值之间变化。真正构成DLS粒子粒径测量的关键物理因素就是是图3所示的——波动随时间的表现取决于粒子的大小。
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/3f4977433.html, 3通信联系人。E -mail :zhangxm @https://www.doczj.com/doc/3f4977433.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
光时域反射仪 科技名词定义 中文名称：光时域反射仪 英文名称：optical time-domain reflectometer;OTDR 定义：通过对测量曲线的分析，了解光纤的均匀性、缺陷、断裂、接头耦合等若干性能的 仪器。 所属学科：通信科技（一级学科）；通信计量（二级学科） 光时域反射仪OTDR（Optical Time Domain Reflectometer）， 是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射所产生的背向散射而制成的 精密的光电一体化仪表。 OTDR用于光缆线路的施工、维护之中，可以进行光纤长度、光 纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。 编辑本段 9.6.1 光时域反射仪概述 ? 光时域反射仪OTDR（Optical Time Domain Reflectometer），是利用光线 在光纤中传输时的瑞利散射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，广泛应用于实验、教学和施工现场。OTDR采用背向散射测试技术，能够测试整个光纤链路的衰减，并能提供和长度有关的衰减细节。OTDR同时 可测试接头损耗及故障点。它具有非破坏性且只需在一端测试的优点。OTDR 功能多、操作简便、测量的重复性高、体积小、不许其它仪表配合、 能自动存储和打印测量结果，目前已成为光通信系统工程检测中最重要的仪表。如图9-13所示是HP8147光时域反射仪。光时域反射仪（OTDR）的主要 功能为： ? （1）单光盘光缆传输损耗和光缆长度的检测。
? （2）光缆连接工艺的监测。 ? （3）中继段状态的测量，包括各盘光缆的损耗、各个接头的损耗及整个种极端的平均损耗的测量。 ? （4）线路故障原因及故障点位置的准确判断。 ? （5）OTDR自动存储、打印的背向散射信号曲线可以作为线路的重要技术档案。 9.6.2 OTDR 9.6.2 OTDR工作原理工作原理 1．瑞利散射 瑞利散射：当光线在光纤中传播时，由于光纤中存在着分子 级大小的结构上的不均匀，光线的一部分能量会改变其原有传 播方向向四周散射，这种现象被称为瑞利散射。其强度与波长 的4次方（λ4）成反比，其中又有一部分散射光线和原来的传播 方向相反，被称为背向散射，如图9-14所示。
OTDR的基本原理 OTDR勺基本原理 什么是OTDR? 基础 OTDR将激光光源和检测器组合在一起以提供光纤链路的内视图。激光光源发送信号到光纤中，检测器接收从链路的不同元素反射的光。激光光源发送信号到光纤中，检测器在光纤中接收从链路的不同元素反射的光。发送的信号是一个短脉冲，其携带有一定数量的能量。然后，时钟精确计算出脉冲传播的时间，然后将时间转换为距离，便可以得知该光纤的属性。当脉冲沿着光纤传播时，由于连接和光纤自身的反射，一小部分脉冲能量会返回检测器。当脉冲完全返回检测器时，发送第二个脉冲一直到取样时间结束。因此，会立刻执 行多次取样并平均化以提供链路元件的清晰特性图。取样结束后，执行信号处理，除了计算 总链路长度、总链路损耗、光回损(ORL)和光纤衰减外，还计算每个事件的距离、损耗和 反射。使用OTDR的主要优势在于单端测试，只需要一位操作人员和一台仪器来鉴定链路质 量或查找网络故障。图#1显示了OTDR的框图。 图1. OTDR框图 图1 OTOR框图* 反射是关键 如前文所述，OTDR通过读取从所发送脉冲返回的光级别以显示链路情况。请注意，有两种类型的反射光：光纤产生的连续低级别光称为Rayleigh 背向散射，连接点处的高反射 峰值称为Fresnel反射。Rayleigh背向散射用于作为距离的函数以计算光纤中的衰减级别(单位是dB/km)，在OTDR轨迹中显示为直线斜率。该现象来源于光纤内部杂质固有的反射 和吸收。当光照射到杂质上时，一些杂质颗粒将光重定向到不同的方向，同时产生了信号衰减和背向散射。波长越长，衰减越少，因此，在标准光纤上传输相同距离所需的功率越小。 图2说明了Rayleigh 背向散射。 图2. Rayleigh 背向散射 -iOR Puuse GEhJERATOft Dlf Ei?Tl JNAL C OUPLER ? Waller —Distance range
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/3f4977433.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/3f4977433.html, *通信联系人。Email：xpzhang@https://www.doczj.com/doc/3f4977433.html,
动态光散射测定 文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-
动态光散射仪测定粒径的操作步骤 BrookhavenBI-200SMlaserlightscatteringspectrometer 该测试可以获得以下实验参数：流体力学粒径 需要准备的样品：一份浓度适宜的样品溶液 1.制样 注意：制样是实验成功的关键；无论是测试瓶、溶剂还是样品溶液都需要进行严格的除尘 处理（通常采用注射器滤膜反复过滤），否则会引入较大的误差。 2.打开光散射仪 打开光源、检测器、恒温循环水的电源，在样品池内放入待测样品。 3.打开软件：BICDynamicLightScatteringSoftware 4.调出测量窗口 （1）将检测器调至“C档” （2）依次调出以下测定窗口 A、在CorrelationFunctions下拉菜单中调出CorrelatorControlWindow B、在Graphs下拉菜单中调出CorrelationFunctionWindow C、在Graphs下拉菜单中调出CountRateHistoryWindow D、在ISDA下拉菜单中调出NNLSWindow E、在ISDA下拉菜单中调出ContinWindow （3）在Windows下拉菜单中点击SmartTile，优化窗口布局 （4）您将得到如下界面 5.设置参数 在左上角窗口点击Dur调出测量时间参数窗口，依据当前的实际情况设置测量时间（如下 图），点击“OK”
在左上角窗口点击M.Bass调出测量基线参数窗口，选择Auto选项（如下图），点击“OK” 在左上角窗口点击Params调出样品参数窗口，按照下图中的方框提示填写相应的值，点击“OK” 注1、如溶剂为非水相体系，请在溶剂选项的下拉框中选择对应的体系（如下图） 注2、如溶剂体系为软件提供的选项之外的情况，请在溶剂选项的下拉框中选择Unspecified，并手动输入相应的粘度和折光指数（如下图） 在左上角窗口点击Display调出显示选项窗口，按照下图点勾，点击“OK” 在左下角CF窗口点击Scale，在弹出的窗口中按照下图勾选ShowFit，然后在下面点选NNLS或Contin，点击“OK” 6.检测器设置：孔径选择100或200，波长根据激光源选择。 注、孔径选择使检测光强在50KCPS~500KCPS左右。如选择100，检测光强仍过强，考虑通过中密度滤光轮衰减入射光功率或者对样品进行稀释。 7.测定 （1）点击主界面左上方的绿色圆形图标开始测试 （2）测试结束（如下图） （3）NNLS/Contin结果分析 点击Layout弹出窗口，根据需要选择图像表现形式（如下图） 点击Summary弹出窗口，点CopyForSpreadsheet数据复制（可在EXCEL，TXT文件中处理），点CopyToClipboard进行图像复制（如下图） 8.后续 （1）点击“Clear”可以清除当前的实验数据，开始另一样品的测试 （2）主界面上方菜单“File”?“Database”?可以中调出已测定的样品数据
动态光散射的基本原理及现代应用 电气本132班 张泽明 2013040211 贾东 2013040228 郑欣宇 2013040224
动态光散射的基本原理及现代应用 今天打开了高中时的物理课本，发现很多的知识已经都忘得差不多了。时而一翻，也有一中怀念的感觉。随便翻了一页，看到了这样一个陌生的词汇—动态光散射法，于是打开了电脑，到网上去查阅了一下资料。便写下了这篇论文。 一、什么是动态光散射 动态光散射，也称光子相关光谱，准弹性光散射，测量光强的波动随时间的变化。DLS技术测量粒子粒径，具有准确、快速、可重复性好等优点，已经成为纳米科技中比较常规的一种表征方法。 二、动态光散射的基本原理 1. 粒子的布朗运动导致光强的波动 微小粒子悬浮在液体中会无规则地运动 布朗运动的速度依赖于粒子的大小和媒体粘度，粒子越小，媒体粘度越小，布朗运动越快。 2. 光信号与粒径的关系 光通过胶体时，粒子会将光散射，在一定角度下可以检测到光信号，所检测到的信号是多个散射光子叠加后的结果，具有统计意义。瞬间光强不是固定值，在某一平均值下波动，但波动振幅与粒子粒径有关。某一时间的光强与另一时间的光强相比，在极短时间内，可以认识是相同的，我们可以认为相关度为1,在稍长时间后，光强相似度下降，时间无穷长时，光强完全与之前的不同，认为相关度为0。根据光学理论可得出光强相关议程。之前提到，正在做布朗运动的粒子速度，与粒径（粒子大小）相关。 大颗粒运动缓慢，小粒子运动快速。如果测量大颗粒，那么由于它们运动缓慢，散射光斑的强度也将缓慢波动。类似地，如果测量小粒子，那么由于它们运动快速，散射光斑的密度也将快速波动。附件五显示了大颗粒和小粒子的相关关系函数。可以看到，相关关系函数衰减的速度与粒径相关，小粒子的衰减速度大大快于大颗粒的。最后通过光强波动变化和光强相关函数计算出粒径及其分布。 3. 分布系数 4. 分布系数体现了粒子粒径均一程度，是粒径表征的一个重 要指标。 < 0.05单分散体系，如一些乳液的标样。
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