激光等离子体的受激Brillouin散射

高功率双包层光纤激光器受激布里渊散射张韶冬，熊彩东电子科技大学物理电子学院，成都(610054)E-mail ：shaodongzhang163@摘 要：建立了考虑受激布里渊散射的光纤激光器速率方程，并采用打靶法对其求解，从理论上分析了高功率双包层光纤激光器的受激布里渊散射效应。

通过比较不同的纤芯直径、光纤长度以及掺杂浓度的情况下输出激光功率极限值的不同，发现增大纤芯直径、减小光纤长度以及降低掺杂浓度可以有效地减少受激布里渊散射的影响。

关键词：光纤激光器，受激布里渊散射，速率方程 中图分类号: TN248.1; O437.2 文献标识码: A1. 引言近年来，双包层光纤激光器得到了快速发展，输出功率水平快速提高[1]。

目前，受激布里渊散射是影响光纤激光器和光纤放大器输出功率提高的主要因素[2]。

它是一种在光纤内发生的非线性过程，达到阈值之后，它能将大部分泵浦能量转移到斯托克斯波上，从而限制光纤激光器输出功率[3]。

本文从速率方程出发，对单端泵浦方式下的光纤激光器的受激布里渊散射进行了详细的研究与讨论，得出了纤芯直径、光纤长度以及掺杂浓度对输出激光功率极限值的影响。

2. 理论模型双包层光纤激光器线形谐振腔模型如图 1所示，泵浦光从左端面注入，光纤长度为L ，1R 和2R 分别为前端面和后端面对激光的反射率，3R 为后端面对泵浦光的反射率[4]。

图 1 双包层光纤激光器线形谐振腔模型示意图在稳态条件下，考虑一阶受激布里渊散射，光纤激光器的速率方程可以表示为如下形式，由于反射回来的泵浦光比较小，由反向泵浦光产生的前向斯托克斯光也要小很多，所以我们将其略去，只考虑由前向泵浦光产生的反向斯托克斯光：()()()()()()21PP ap PSS as SP S P P ap ep PS S as es SP S PP P P h Ah AN N P P P P h Ah Aσσγγσσσσγτγ+−+−+−+−+Γ+Γ+=++Γ++Γ++()1 12N N N =−()2 21P B P ep ap P P P B P effdP g N N P P P P dz A σσα+++−+⎡⎤=Γ−−−⎣⎦()321P P ep ap P P P dP N N P P dzσσα−−−⎡⎤=−Γ−+⎣⎦ ()4 []21S S es as S S S dP N N P P dzσσα+++=Γ−− ()5 []21S S es as S S S dP N N P P dzσσα−−−=−Γ−+ ()6 B B B P B B effdP gP P P dz A α−−+−=−+()7式中：P P ±，S P ±，B P ±分别表示光纤中泵浦光、激光和布里渊斯托克斯光的功率（±代表正向和反向）；2N 和1N 分别为上、下能级粒子数浓度，N 为总的粒子数浓度；P Γ和S Γ分别为泵浦光和激光与纤芯的重叠因子；ep σ和ap σ分别为泵浦光发射和吸收截面，es σ和as σ分别为激光发射和吸收截面；P α、s α和B α分别为泵浦光、激光和布里渊斯托克斯光的散射损耗系数，由于布里渊频移相对较小，可以认为泵浦光与斯托克斯光有相同的光纤损耗，即B P αα=，后面的式子将用P α来代替B α；P γ和S γ分别为泵浦光和激光的频率；h 为普朗克常量；A 为纤芯面积；τ为2E 能级粒子的自发辐射寿命；B g 为布里渊增益系数峰值；eff A 为有效纤芯面积。

光纤brillouin散射效应光纤Brillouin散射效应（Fiber Brillouin Scattering Effect）是一种非线性光学效应，通过光纤中的声波相互作用而产生。

这种效应在光纤通信系统中具有重要的应用，特别是在光纤传感领域。

本文将详细介绍光纤Brillouin散射效应的原理、现象以及其应用。

一、光纤Brillouin散射效应的基本原理光纤Brillouin散射效应是由光纤中的声波与光波的相互作用而产生的。

当光波在光纤中传播时，它会与光纤中存在的声波相互作用，并引起光的频率和波矢的微小变化。

这些微小的波矢和频率变化以及声波的散射现象称为光纤Brillouin散射效应。

在光纤中，声波可以以不同的形式存在，如弹性波、伸缩波和曲率波等。

这些声波与光波之间可以发生相位匹配，进而产生Brillouin散射。

具体来说，当光波的频率与声波的频率差等于声波的固有频率时，就会产生相位匹配，从而引发Brillouin散射效应。

二、光纤Brillouin散射效应的观测现象1. 反向散射（Backscattering）光纤Brillouin散射效应可以分为正向散射和反向散射。

反向散射是指声波在光纤中向背向光波传播方向散射的现象。

在光纤通信系统中，反向散射一般被认为是光信号的噪声来源。

2. 频移（Frequency shift）由于光纤Brillouin散射效应引起了光的频率微小的改变，因此光波在经过散射后会产生频率的偏移。

这种频率的偏移可以通过测量反射光和入射光之间的频率差来获得。

3. 压缩（Compression）光纤Brillouin散射效应还会导致光波的压缩现象。

当光波通过光纤时，它会与声波相互作用并引发散射，而散射光的时间延迟比入射光要短。

这种时间延迟的差异可以引起光波的压缩效应。

三、光纤Brillouin散射效应的应用光纤Brillouin散射效应在光纤通信系统和光纤传感领域有着广泛的应用。

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。

拉曼散射与布里渊散射拉曼散射和布里渊散射都属于非弹性散射，它是光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效应。

非弹性散射的一个特点就是它的散射频率不等同于入射频率。

布里渊散射布里渊散射是泵浦光子、斯托克斯光子与声子间的相互作用，其过程是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。

不过与此同时，一个泵浦光子也可以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。

受激布里渊散射的具体过程是：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。

布里渊散射在分布式光纤传感器、光纤陀螺、光纤相位共轭镜、布里渊放大器等领域有重要的应用。

受激布里渊散射光纤陀螺的基本原理是：经过分束的两束激光沿不同的方向在光纤环中传播，其产生的SBS光的频率与系统三角速度有关，测量SBS光的拍频，即可得到系统的角速度。

拉曼散射光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。

其物理意义是入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。

拉曼散射光谱中同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关，只和样品的振动转动能级有关；斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。

拉曼散射分为两种，表面增强拉曼散射与共振拉曼散射。

共振拉曼散射是当一个化合物被入射光激发，激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡然增加，这个效应被成为共振拉曼散射。

受激布里渊散射波导
受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）是一种光学非线性效应，常常出现在光纤中。

当光波在光纤中传播时，光波与光纤内部的声波相互作用，产生了声光相互作用。

这种相互作用会导致光波的频率被转移给声波，从而产生散射光子。

这些散射光子具有与输入光波相同的频率偏移，并与声波经过的区域有关。

波导是一种可以限制和导引光波传播的结构。

在光纤中，波导通常由一根细长的玻璃纤维构成，而在其他器件中，波导可以采用不同材料和结构实现。

波导的核心功能是保持光波在波导中的传播，并限制光波的传输方向。

在受激布里渊散射中，波导通常扮演着两个角色。

首先，波导可以提供一种约束介质，使声波和光波之间的相互作用更强。

其次，波导可以限制声波和光波的传播方向，使它们保持在波导中，从而增加受激布里渊散射的强度和效果。

通过控制波导的尺寸、材料和几何形状，可以调整光波与波导内声波之间的相互作用强度，以及受激布里渊散射的效应。

这对于光纤通信、光纤传感和光波调制等应用非常重要，因为受激布里渊散射可以影响光信号的传输和调制特性，甚至可能导致光功率损耗和噪音增加。

因此，对波导中受激布里渊散射的研究和理解对于光学器件的设计和优化至关重要。

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。