非线性光纤光学第九章-受激布里渊散射

基于受激布里渊散射的集成微波光子滤波器的研究现代科学技术的高速发展给人们带来了更加美好的生活,尤其是步入信息时代以后,网络通信以及移动通信给人们之间的交流带来了极大的便利。

对于传统的通信系统,通常是基于电子电路的通信系统,我们称之为电学系统,随着现代通信技术的高速进步以及互联网的发展,信息量呈现爆炸性增长,于是对于通信系统也有了更高的要求。

传统的电学系统由于其特有的电学瓶颈,事实上无法满足现代大容量、高速度、高精确度的信息传输要求,于是微波光子学（Microwave photonics:MWP）应运而生,其是用光学方法来处理电学信号的一门综合学科。

受激布里渊散射（SBS）作为一种非线性光学效应,由于其可以在特定的频率处产生增益峰,因此被广泛应用于光学滤波系统中去,随着现代全光通信的兴起,集成微波系统受到越来越多的重视,研制出能够替代光纤的光学波导就成为了一种趋势,而集成微波光子滤波器作为集成光学器件的一种也受到了越来越多的重视。

本文介绍了微波光子学的发展以及SBS的基本理论,并对基于SBS的集成微波光子滤波器进行了详细的分析与设计。

首先从材料非线性、集成度以及制作工艺上对各种常见的集成波导材料进行分析,这些分析都是建立在SBS的基础之上的,主要看各种材料对SBS增益的加成大小,综合分析最终确定了以硫化砷作为波导的芯层材料,然后结合光场限制、声场限制以及声光耦合效率分析提出了半悬空的波导结构,芯层横截面边长为0.9μm,长度为3.9cm,支撑材料为二氧化硅,支撑物与芯层接触宽度为0.2μm,在此情况下SBS增益为54 dB,3dB线宽为8.2MHz。

然后分析了布拉格光栅的慢光延迟作用对光场能量的增强效果,通过严格计算布拉格光栅的周期以及调制深度使被增强的光波频率恰好落在硫化砷的SBS 增益峰处,此时的光栅周期为344.67nm,调制深度为10^-4,由此使得SBS进一步增强,同时由于SBS增益与线宽的反比关系使得SBS线宽进一步降低,最终增益达到了58.5dB,3dB线宽为7.8MHz,波导的截面边长为0.9μm,长度为3.9cm,泵浦光功率为248mW,无论从SBS滤波性能、波导集成度还是能量利用率上都有较大的提升。

光学频率梳技术受激布里渊散射
光学频率梳技术是一种基于光学现象的精密测量技术。

其中，受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，简称SBS）是一种特殊的效应，为光学频率梳技术的关键部分之一。

受激布里渊散射是一种非线性光学过程，涉及光子和声子之间的相互作用。

当激光传播到某些材料中时，光子与材料中的声波发生耦合，产生新的散射光子。

这些散射光子的频率与入射光的频率之间存在着特定的关系，称为布里渊频移。

利用受激布里渊散射，可以实现光学频率梳的生成和测量。

光学频率梳由一系列均匀分布的频率构成，类似于音乐中的音阶。

通过测量布里渊频移，可以确定激光的频率，并将其与标准参考进行校准。

光学频率梳技术在许多领域中得到广泛应用，如精密测量、频率标准、光纤通信等。

它具有高精度、高分辨率和宽频率范围等优点，为各种科学研究和工程应用提供了重要支持。

⾮线性光学考试知识答案1 说出电极化率的 4 种对易对称性，并说明满⾜的条件本征对易对称性（不需要任何条件）、完全对易对称性（介质⽆耗）、时间反演对称性（介质⽆耗）、空间对称性χ（1）是对称张量（介质⽆耗）；2 说出下式的物理意义：表⽰由频率为ωm ，场振动⽅向为x ⽅向的场分量E x (ωm )，频率为ωn 、场振动⽅向为y ⽅向的场分量E y (ωn )以及频率为ωl ，场振动⽅向为z ⽅向的场分量E z (ω1 )三者间的⾮线性相互作⽤所引起的在x ⽅向上的三阶⾮线性电极化强度的⼀个分量。

3 对于⼆次谐波和三次谐波，相⼲长度的物理意义参量过程中的位相匹配有和物理意义举例说明两种实现位相匹配的⽅法1）Lc 物理意义: 三次谐波强度第⼀次达到其最⼤值的路程长度，典型值为1～100mm.如K=0，Lc 为⽆穷⼤。

2) 位相匹配的物理意义：在位相匹配条件下，⼆次谐波和三次谐波等⾮线性效应产⽣过程效率会⼤到最⾼，相应的位相不匹配条件下，产⽣效率会⼤⼤降低。

(3)0(,,)()()()exp[()]xxyz m n l x m y n z l m n l E E E i t εχωωωωωωωωω-++3）利⽤晶体的双折射特性补偿晶体的⾊散效应，实现相位匹配。

在⽓体⼯作物质中，利⽤缓冲⽓体提供必要的⾊散，实现相位匹配。

4 为什么参量振荡器能够产⽣连续输出频率，⽽激光器只能输出单个频率能量守恒ω3=ω1+ω2 动量守恒 n 3ω3=n 1ω1+n 2ω2改变温度、⾓度(对⾮常光)、电场、压⼒等可改变晶体的折射率，从⽽改变参量振荡器的输出频率1，2。

因此参量振荡器可实现连续调谐。

⽽激光振荡器是利⽤原⼦跃迁的机理⼯作的，不能连续调谐。

这是参量振荡器和激光振荡器的区别5 在拉曼散射中，为何观察不到⾼阶斯托克斯散射在受激拉曼散射中，⾼阶斯托克斯散射光却较强⾼阶斯托克斯光的散射⾓有什么变化规律由p ，s ⾮线性作⽤产⽣。

布里渊散射简介布里渊散射（Brillouin scattering）是一种非线性光学效应，产生于介质中的声子与光子的相互作用。

该过程中，光子与声子之间发生频率和动量的相互转移，导致光子的频率发生改变，这种现象被称为布里渊散射。

布里渊散射广泛应用于光纤通信中的激光器频率稳定、声光调制和传感器等领域。

原理布里渊散射的原理基于声光相互作用。

光子与声子之间的作用可以通过极化率来描述。

当光子与声子发生相互作用时，会使介质的极化率发生变化，从而引起光的频率散射。

根据频率散射的机制，布里渊散射可以分为斯图克斯（Stokes）散射和反斯图克斯（Anti-Stokes）散射。

具体来说，当光子的频率高于声子的频率时，光子向低频方向散射，这称为斯图克斯散射；当光子的频率低于声子的频率时，光子向高频方向散射，这称为反斯图克斯散射。

布里渊散射的散射角度、频率偏移和强度与介质的折射率、光强、声子频率以及散射介质的性质有关。

在光纤通信中的应用布里渊散射在光纤通信中具有重要的应用价值。

布里渊散射可以用于实现光纤激光器的频率稳定。

通过将激光器与光纤连接，在光纤中引入布里渊散射，可以将频率稳定性提高到千分之一，从而保证光纤通信系统的稳定性和可靠性。

此外，布里渊散射还可以用于声光调制。

通过在光纤中引入声波信号，利用布里渊散射的效应，可以实现对光信号的调制。

这种声光调制器可以在光纤通信系统中实现光的调制和解调功能。

同时，布里渊散射还可以应用于光纤传感器。

传统的光纤传感器一般基于光的强度变化进行测量，但由于光的衰减影响，传感器的灵敏度和距离受限。

而基于布里渊散射的光纤传感器可以基于光的频率变化进行测量，不受光的衰减影响，从而提高了传感器的灵敏度和测量范围。

结论布里渊散射是一种重要的非线性光学效应，广泛应用于光纤通信中的激光器频率稳定、声光调制和传感器等领域。

通过深入研究布里渊散射的原理和机制，可以进一步开发更加高效、稳定和灵敏的光纤通信技术。

受激布里渊散射效应
受激布里渊散射是一种光学非线性效应，它可以在光纤中产生声子（声波）和光子（光波）之间的相互作用。

当一束光通过光纤传输时，光子和声子之间会发生能量交换，从而导致光的频率发生偏移。

具体而言，受激布里渊散射的机制是通过声子引起光子的频率变化。

在光纤中存在微弱的声子振动，当光子与这些声子相互作用时，它们可以吸收或发射声子，从而改变光子的频率。

这种频率变化可以通过布里渊频移来描述，它是由声子的频率引起的。

受激布里渊散射效应在光纤通信中具有重要的应用。

一方面，它可以用来制备光纤激光器，通过激光器在光纤中产生受激布里渊散射来实现光纤放大器。

另一方面，受激布里渊散射也是一种光纤传感技术，可以利用光纤中声子的变化来测量温度、压力等物理量。

总之，受激布里渊散射是一种重要的光学效应，具有广泛的应用价值。

它不仅在光纤通信领域有重要作用，还在光纤传感、激光技术等方面具有潜在的应用前景。

受激布里渊散射效应应用受激布里渊散射效应，听起来有点高深，但别担心，我们可以轻松聊聊这玩意儿。

这是一种非常有趣的物理现象，涉及到光和声的互动，听起来像魔法一样吧？想象一下，当光线穿过某种介质，比如水或玻璃，光子与声子相互作用，产生了新的光子，甚至改变了它们的频率。

就像在一场派对上，光子们跳着舞，突然有些光子变得不一样，带着新的节奏和气氛。

你可能会想，这个东西有什么用呢？嘿，别急，这个效果在科技领域可是大显身手的。

受激布里渊散射可以用来制造高灵敏度的传感器。

比如说，科学家们通过这个效应来测量温度、压力甚至应力。

就像是给物体装上一个“听力器”，它能捕捉到那些微小的变化，真是让人惊叹呀。

在通信技术中，这个效应帮助我们提升光纤的传输能力。

说白了，它能让网络变得更快、更稳定，简直是现代生活的“隐形英雄”。

咱们得说说它在激光技术中的应用。

激光，这个光芒四射的家伙，常常被拿来做各种炫酷的事情。

受激布里渊散射效应在激光放大器中发挥了关键作用，让激光更强、更纯。

想象一下，你在夜空下看烟花，激光就像那绚丽的烟花，瞬间点亮整个天空。

这个效应就像是激光的“助推器”，让它能在竞争激烈的科技世界中脱颖而出。

再聊聊医疗领域，受激布里渊散射也是个了不起的家伙。

医生们使用这个效应进行光学成像，能在不侵入的情况下观察到身体内部的情况。

就好像给身体装上一个透明的窗户，医生们能清晰地看到里面的每一个细节。

想象一下，这种技术能够帮助诊断各种疾病，简直是为人类的健康保驾护航。

真是让人感慨，科技的进步真是不可思议！受激布里渊散射在材料科学中也是一位“大咖”。

科学家们通过这个效应可以研究材料的结构和性能，甚至探索新的材料。

就像是一位艺术家在画布上挥洒自如，创造出美丽的作品。

材料的微观世界在它的帮助下逐渐揭开神秘的面纱，为我们带来了更多可能性。

新材料的出现就像是为生活增添了无限的可能，真让人兴奋不已。

咱们不能忘了这个效应在声学中的应用。

受激布里渊散射可以帮助我们分析声波的传播，理解声音是如何在不同介质中传播的。

受激布里渊散射波前畸变校正技术研究
激光在大气传输过程中,湍流效应会使光束相位发生畸变,从而导致接收端光束质量下降,系统误码率增大。

为了解决激光波前畸变而造成的通信系统不稳定问题,人们提出利用受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)相位共轭镜(Phase Conjugation Mirror,PCM)进行波前畸变补偿。

受激布里渊散射的相位共轭特性在改善激光相位分布进而提高光斑能量集中度方面具有重大应用价值。

本文主要研究SBS-PCM系统的波前畸变校正能力以及SBS的基本物理特性,并对其进行相关实验验证。

本文主要工作如下:1、以高斯光束作为研究对象并结合湍流相位屏理论进行研究,研究高斯光束通过湍流大气传输后的畸变情况,仿真分析SBS相位共轭镜补偿波前畸变的效果随湍流强度、取样孔径以及传输距离的变化情况。

2、从SBS 相位共轭基本理论出发设计重复频率为1Hz的SBS实验研究方案,实验测量受激布里渊散射单池系统的能量反射率随泵浦能量、透镜焦距、镜池间隔等的变化规律。

3、依据SBS相位共轭镜补偿畸变的理论,结合环围能量直径及相位共轭保真度对比分析SBS相位共轭镜系统与普通全反射镜系统的畸变补偿能力。

研究结果表明:(1)畸变严重程度不同的光斑经校正后中心能量均变强,湍流较强时选择大取样孔径相位共轭镜显示出明显优势;(2)选取合适的透镜焦距及镜池间隔对系统能量反射率取得最佳效果有重要意义;(3)SBS-PCM系统产生后向相位共轭散射光,沿原光路返回能有效补偿光路中产生的畸变,而全反射镜系统无补偿畸变能力。

受激布里渊散射理论姓名：李磊 学号：SC140090301. 受激布里渊散射（SBS ）的概念布里渊散射起源于激光电场与分子或固体中的声波场的相互作用，也就是光子与声子的相互作用，又称声子散射。

强入射激光场在介质中感应出强声波场，并被它散射的一种非线性光效应。

与自发布里渊散射不同，受激布里渊散射的产生过程是：在激光的电场作用下，通过电致伸缩效应，使介质发生周期性密度和介电常数的变化，感生声波场，而导致入射光与声波场间发生相干散射过程。

强泵浦激光场射入介质时，光波场的电致伸缩效应开始起作用，使介质内某些状态的声频振动（声子）得到极大增强，增强了的声波场又反过来增强对入射激光的散射作用，声波场、激光波场、激光的散射光波场在介质中同时存在，互相耦合。

当入射激光的强度达到阈值后，使介质内声波场与散射光波场的增强作用补偿各自的损耗作用，产生感应声波场与布里渊散射光波场的受激放大或振荡效应，散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性，故称为受激布里渊散射（SBS ）。

2. 受激布里渊散射（SBS ）的方向性入射光子（p ω，k p ）、散射斯托克斯光子（s ω，k s ）与声子（b ω，b k ）之间必须满足能量守恒和动量守恒条件，即p s b ωωω=+k k k p s b =+布里渊散射分为向前散射和向后散射两种，它们的动量匹配关系见图所示。

（a ） (b)布里渊散射斯托克斯光动量匹配关系。

(a)为前向散射，(b)为后向散射 声波波矢b k 与b ω间的关系为b b b k v ω=，b v 是介质中的声速。

因为声速比光速p v 和s v 要小几个数量级，可认为s p v v c ≈≈，s p k k ≈。

则由图可见1sin 22b p k k θ=，其中bb bk v ω=，P PP n k cω=, 则2sin2p p bb n v cωθω=，这里θ是散射光波矢k s 与入射光波矢k p 的夹角。

受激布里渊散射技术
光在光纤中传播时，在反方向产生散射光。

其散射光光谱如图1，包括了瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。

布里渊散射是指入射到介质的光波与介质内的弹性声波发生相互作用而产生的光散射现象。

由于介质内部存在一定形式的振动，引起介质折射率随时间和空间周期性起伏，从而产生自发声波场。

光定向入射到光纤介质时受到该声波场的作用则产生布里渊散射。

光纤中布里渊散射通过相对于入射抽运波频率下移的斯托克斯波的产生来表现，可看作抽运波和斯托克斯波、声波之间的参量相互作用。

散射产生的布里渊频移量与光纤中的声速成正比，而光纤的折射率和声速都与光纤的温度及所受的应力等因素有关，这使得布里渊频移随这些参数变化而变化，温度和光纤应变都会造成布里渊频率产生线性移动，即：
自发的散射过程是指引起光散射的介质的某种扰动（通常是介电常数）是由热激励或是由量子机制的零点效应引起的；而受激的散射过程是指这种扰动是由于光场的存在通过非线性效应引起的。

自发布里渊散射十分微弱，观察也十分困难，所以通常采用的是受激布里渊散射，同时利用光时域反射（OTDR）技术，对沿光纤传输路径的空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控，常称为BOTDA。

典型的传感器设置包括两台激光器（一台连续光，一台脉冲光）分别从一根被测光纤的两端输入。

当两台激光器的频率差与布里渊频率相同时，两束激光在光纤内部发生强相互作用并增强光纤中已产生的声波（声子），使得布里渊信号容易定位检测。

光纤测量应变和温度，通常需要扫描频差（拍频）绘出布里渊频谱，通过分析该频谱以获得应变和温度信息。

图 1 BOTDA原理示意图。

光纤受激布里渊散射的光信号特性分析张聪;余文峰;夏珉;杨春华【摘要】In order to study effect of pulse width of pump light on Brillouin scattering light , three-wave coupling equations of stimulated Brillouin scattering in optical fiber sensing system were researched .The approximate expressions of scattering light were deduced based on frequency domain analysis and perturbation approximation theory .The influence of pulse width on Brillouin spectrum was analyzed through numerical calculation .The results show that a multi-peak structure of Brillouin scattering spectrum is gotten when the width is close to20ns(phonon lifetime).When the width is more and more close to 40ns, the main peak increases and the sub-peak decreases gradually .When pulse width is far greater than phonon lifetime , scattering spectrum appears only one peak and maintains a constant peak .The study gives references for the choose of suitable pulse width in sensing.%为了研究抽运光的脉冲宽度对布里渊散射光的影响，对光纤传感系统中基于受激布里渊散射的三波耦合方程进行了分析，采用频域分析和一种微扰近似理论推导了散射光的近似表达式，然后通过数值计算分析了散射光随着脉冲宽度的变化规律。

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。

受激布里渊散射中Stokes光的反Stokes散射与慢光效应朱永祥;陆启生【摘要】In order to investigate the mechanism of slow-light effect via stimulated Brillouin scattering (SBS), the occurrence of the anti-Stokes scattering of Stokes light and the relationship between the anti-Stokes scattering and the mechanism of slow-light via SBS were researched. It is proved that the Stokes light can also be scattered by Brillouin ultrasounds besides the pump light in SBS. The scattering is anti-Stokes, and is a reversal process of the Stokes scattering of the pump light. Therefore, the pump and Stokes lights in SBS experience a back-and-forth scatterings in Brillouin sound fields. On this premise, a model was presented to depict the slow-light effect, in which the optical distance of Stokes wave was enhanced due to the back-and-forth scatterings and the pulse was slowed down as a result. Experiments show the deduced delaying time for the Stokes pulse given by the model agrees with former results. Which suggest that the Stokes light can be anti-Stokes scattered in Brillouin scattered by Brillouin sound fields and also that the enlarged optical distance due to multiple scatterings would be the origin of light slowing in SBS.%为研究受激布里渊散射(SBS)慢光效应的物理机制,研究了Stokes光与布里渊声场之间的反Stokes散射,以及它与SBS慢光之间的内在联系.理论上证明了在SBS中除了泵浦光外,Stokes散射光与布里渊声场之间也满足散射条件,可发生反Stokes散射.该散射过程是泵浦光的Stokes散射的逆过程,因此泵浦光和Stokes光在布里渊声场中经历往返式散射.在此物理前提下建立了SBS慢光模型,其中Stokes光经历多次散射而光程变大,从而产生了慢光.模型所给出的Stokes脉冲的慢光延迟量与前人得到的结果吻合,表明SBS中存在Stokes光的反Stokes散射,多次散射导致的光程变大是产生SBS慢光效应的物理根源.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2011(019)002【总页数】6页(P487-492)【关键词】受激布里渊散射;慢光;反斯托克斯散射【作者】朱永祥;陆启生【作者单位】西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南,长沙,410073;国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南,长沙,410073【正文语种】中文【中图分类】O437.2受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering：SBS)是一种较为重要的非线性光学效应,涉及泵浦光、Stokes散射光和布里渊声场之间的耦合相互作用,其中布里渊声场为两束光的干涉场与介质共振激发的,Stokes光比泵浦光频率低,频差等于布里渊频移;在一般情况下,Stokes散射光起源于自发散射,其方向与泵浦光相反[1-2]。