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

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(SBS)原理及优化

优化方法及结论
优化方法:
POWSET
在Bias处加一个小的调制电压激光 器的折射率会随电流的变化而变化, 从而导致谱宽展宽。 实现方法: 在POWSET处引人一 飞线,接上一电阻,在其上加入方 波或者正弦波。
DC/DC
POWSET
通过如下几种方法来实现,以选取最佳方案来提高SBS阈值 光功率: 1.加入幅度固定、频率变化的方波。 2.加入幅度变化、频率固定的方波。 3.加入幅度固定、频率变化的正弦波。 4.加入幅度变化、频率固定的正弦波。
改变Iea观察SBS阈值光功率的变化
ECO-P-46043
改变前 DP=3.75
Iea=38mA DP=4.3
Iea=37mA DP=3.99
Iea=33mA DP=3.65
Iea=32mA DP=4.6
Iea=30mA DP=5.03
先增大Iea,SBS阈值功率减小;再减小Iea,SBS阈值功率增大,在33mA时 结论: 最佳,DP也最小。通过改变Iea,使激光啁啾发生变化,从而使SBS的阈值光 功率有很大的提高。
L
eff
1
[1 exp( L)]
影响 因素
•布里渊增益系数 g •纤芯有效面积 Aeff •有效作用长度 Leff •布里渊线宽 B •入射光线宽
P
B
理论方法:
选用谱宽 较宽的 Laser;
Bias调制,改 变激光的波长;
通过改变EA,使激 光器的啁啾改变
介质折射 率
改善 方法
受激布里渊散射原理及优化
Yan Chen 4/10/2013
Contents
1 2 3 4
光纤的非线性
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受激布里渊散射效应

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。
KrF激光受激布里渊散射反射率稳定性的研究-物理学报

!"# 激光受激布里渊散射反射率稳定性的研究!
吕志伟 王晓慧 林殿阳 王 超 赵晓彦
(哈尔滨工业大学光电子技术研究所,哈尔滨 !"###!)
汤秀章 张海峰 单玉生
(中国原子能科学研究院,北京 !#$%!&) ($##$ 年 ’ 月 !’ 日收到;$##$ 年 ( 月 $( 日收到修改稿)
实验研究发现抽运功率密度(或抽运能量)的波动引起的受激布里渊散射()*))反射率的不稳定程度受实验参 数(抽运能量、介质气压和透镜焦距)的影响 + 当抽运能量、介质气压和透镜焦距这三个参数同时满足下列条件时可 以获得稳定的输出:抽运能量超过 " 倍的 )*) 阈值,介质气压在 !, - !#" ./ 和透镜焦距在 !"—"#01 的范围内;同时 还发现当改变实验参数时 )*) 反射率与稳定性的变化规律完全一致,反射率越高稳定性越好 + 通过理论分析得到 )*) 反射率的相对稳定度实际上是受 !"# 因子的影响,理论计算与实验符合得很好 +
为气压升高到一定程度,接近介质的饱和气压,出现 了一些其他非线性效应如光学击穿等;反射率稳定 度的变化趋势与反射率变化相一致,随着气压的升 高,反 射 率 稳 定 性 越 好,当 气 压 到 达 ,5; - 6 ,.- 47 时,稳定度下降 ) 图 2 为介质气压为 ,+ 6 ,.- 47,透镜 焦距分别为 ,-<$,(-<$,2.<$,2-<$ 和 -.<$ 时,!"! 反射率及其相对稳定度随抽 运 能 量 的 变 化 规 律 ) !"! 反射率及其稳定度的变化规律也是一致的,都 是随抽 运 能 量 的 提 高 而 提 高,当 抽 运 能 量 提 高 到 -.$: 左右时反射率趋于饱和,同时其稳定度也趋于 平稳,接近抽运能量的稳定度 ) 从这两个图中可以看 到 !"! 反射率及其稳定性的规律有一定的对应关 系,反射率越高其稳定度就越高,反之 !"! 反射率越 低其稳定度就越低 )
拉曼散射与布里渊散射

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

2
2 e
npp20c AB
第七章 收养
第一节 收养和收养法 第二节 收养关系的成立 第三节 收养的效力 第四节 收养关系的解除
5
第一节 收养和收养法
一、收养的概念和法律特征 (一)收养的概念
收养,是公民(自然人)依法领养他人子女 为己之子女,使本无亲子关系的当事人间发生法 律拟制的亲子关系的民事法律行为。 (二)收养的法律特征 1.收养行为的身份性 2.收养关系主体的限定性 3.收养关系的可变性
女的,死亡一方的父母有优先抚养的权利。” 我国《收养法》还规定:“未成年人的父母均不具备完全民事行为能力
的,该未成年人的监护人不得将其送养,但父母对该未成年人有 严重危害可能的除外。”(第12条)
11
(三)收养人的条件 我国《收养法》第6条规定,收养人应当同时具备下列条件:
1、无子女 2、有抚养教育被收养人的能力 3、未患有在医学上认为不应当收养子女的疾病 4.年满30周岁 关于收养人方面的条件,我国《收养法》中还有下列几项规定。 第一,《收养法》第9条规定:“无配偶的男性收养女性的,收养人与被
根据能量和动量守恒,SBS过程中三个波之间的频率和波
矢有以下关系:
B p s
kA kp ks
满足色散关系的声波的频率和波矢
B A kA 2 Akp sin( 2)
泵浦波与斯托克斯波之间的夹角
在单模光纤中,只有前、后向为相关方向。因此,SBS仅 发生在后向,且后向布里渊频移为
B B 2 2n A p
在连续或准连续条件下,泵浦波与Stokes波的相互作用与
SRS的情形类似:
dI p dz
gB I p Is
Ip
几点说明: (a)Stokes波与泵浦波方向相反
光纤传感中的受激布里渊散射效应

Abstract:As an important nonlinear efect in fibers,stimulated Brillouin scattering(SBS)
has significant inf luence on f iber sensing system s. SBS increas es phase noise and deteri— orates detection sensitivity in a long-haul interferometric sensing system ,therefore it is critical to study SBS suppression techniques.On the other hand,SBS can be used in dis— tributed sensing of tem perature and strain.Distributed sensing techniques ba s ed on SBS have attracted much research attention. M eanwhile,lasers with ultra-narrow linewidth bas ed on SBS have wide applications in coherent sensing system s due to their unique char— acteristics.This paper explains the efects of SBS on interferometric sensing system s,and compares some SBS suppression techniques. M ajor performance criteria of a Brillouin tim e dom ain analyzer and several techniques for improvem ents are introduced.Finally,the
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第12卷 第1期强激光与粒子束V o l .12,N o .1 2000年2月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S Feb .,2000 文章编号: 1001—4322(2000)01—048—03激光等离子体的受激Br illou i n 散射Ξ蒋小华, 郑志坚, 李文洪, 刘永刚(中国工程物理研究院核物理与化学研究所,高温高密度等离子体物理实验室,绵阳919-218信箱,621900)郑 坚, 王以超(中国科学技术大学近代物理系,合肥,230027) 摘 要: 研究了激光等离子体背向和侧向受激B rillou in 散射光谱结构。
激光等离子体相互作用时,受激B rillou in 散射光谱受激光等离子体状态的影响而产生Dopp ler 效应。
当激光以45°入射不同材料的平面靶时,等离子体运动产生不同的二维效应,高Z 材料产生的等离子体冕区主要沿靶法向运动,受激B rillou in 散射光谱在侧向产生较大蓝移,而低Z 材料则主要在激光入射方向产生较大蓝移。
关键词: 激光等离子体; 受激B rillou in 散射; Dopp ler 效应 中图分类号: O 437.2 文献标识码: A 受激B rillou in 散射(SB S )是激光等离子体中一个入射激光光波衰变为一个散射光波和一个离子声波的参量不稳定过程,它可发生在激光等离子体的整个次临界区[1,2]。
在惯性约束聚变物理研究中,SB S 会带来不利的影响,另外它的发生和激光等离子体的状态密切相关,由SB S 产生的散射光将为诊断激光等离子体状态提供依据[1,3]。
选择合适的激光2靶耦合方式控制激光等离子体状态的演变,将能有效降低聚变对激光器件的要求。
因此,通过对不同角度的SB S 光谱结构的观测,来研究0.351Λm 激光与不同靶材作用对SB S 光谱结构的影响。
1 实验条件和结果F ig .1 Experi m ent setup s 图1 实验装置布置图 星光 钕玻璃激光装置以三倍频输出,激光输出波长为0.351Λm ,激光输出能量为70J ,激光脉冲宽度为800p s ,激光入射靶面功率密度约为1×1014W c m 2,激光以45°入射<600Λm 的平面盘靶,靶材料分别为CH ,CH +A u 的多层靶(10层8nmA u +3nm CH )及A u ,实验利用两台OM A 4光谱仪分别在激光背向和侧向30°探测了SB S 的光谱结构。
实验布置如图1所示。
图2给出0.351Λm 激光作用平面CH 材料靶时,在激光入射背向和侧向得到的红移SB S 光谱,在两方向上散射光谱结构完全一致,只是相对有一个平移,其中背向散射光谱相对侧向有0.4nm 的蓝移。
图3和图4是0.351激光与A u 盘靶和多层靶作用时,在背向和侧向得到的散射光谱,与CH 靶作用一样,各方向散射光谱结构相似,只是散射光谱变窄,但是侧向光谱相对背向出现了约0.1nm 的蓝移。
Ξ国家自然科学基金资助课题(19735002)1999年7月28日收到原稿,2000年2月12日收到修改稿。
蒋小华,男,1968年8月出生,硕士,助研F ig .2 Back and side scatteringspectra in CH p las m a 图2 CH 材料中的背向和侧向SBS光谱F ig .3 Back and side scattering spectra in A u p las m a 图2 A u 材料中的背向和侧向SBS光谱F ig .4 Back and side scattering spectra in m ulilayer p las m a图4 多层靶中的背向和侧向SBS 光谱2 分析和讨论 在激光等离子体相互作用中,SB S 的三波非线性过程满足能量动量守恒关系Ξ0=Ξs +Ξi ,k 0=k s +k i ,下标0、s 、i 分别代表入射光波、散射光波和离子声波,同时,三波色散关系满足Ξ20,s =Ξ2p e +k 20,s c 2,Ξ2i =k 2i c 2s ,Ξp e 为激光等离子体频率,c s 为激光等离子体中的离子声速。
由于Ξi νΞ0,散射光波将带走大部分的入射激光能量离开激光等离子体。
同时,由于三波匹配关系和色散关系的约束,散射光谱的结构将反映三波共振区域的激光等离子体状态。
在远离激光等离子体临界密度(n c )区域内,三波共振耦合的散射光波沿不同方向传播的光谱结构相似,且与激光等离子体的电子密度、温度有关,即(Ξ0-Ξs ) Ξ0=(2c s c )(1-n n c )1 2。
在激光等离子体相互作用中,受入射激光作用及等离子体热膨胀的影响,激光等离子体将以一定流速u 通过三波共振区的密度面,将给散射光带来Dopp ler 频移∃ΞD =k s u 。
在远离激光等离子体的临界密度区域激发的SB S 光谱结构,主要由三波共振区域的电子密度分布决定,等离子体的流体运动则仅带来光谱的平移。
从图2可以看出,0.351Λm 激光与CH 靶作用时,沿背向和侧向激发的SB S 光谱结构一致,即SB S 在同一区域内被激发获得增益后,沿各自波矢方向离开等离子体。
但由于激光等离子体流体运动的非各向同性,等离子体运动的Dopp ler 效应导致侧向散射光波和背向散射光波有一个相对平移。
比较图2和图3可以看到,激光等离子体流体运动给SB S 带来不同的Dopp ler 频移,当0.351Λm 激光与高Z 材料靶作用时,Dopp ler 效应给侧向SB S 光谱带来更多的蓝移,而当0.351Λm 激光与低Z 材料作用时,则给背向SB S 光谱带来更多的蓝移。
这表明星光 装置条件下,激光以45°入射靶面时等离子体状态二维效应比较严重,等离子体沿不同方向运动速度不同,由Dopp ler 频移公式,在激光与低Z 的CH 材料靶作用时,靶背向运动为等离子体的主要方向,背向和侧向30°的等离子体运动速度差为3.4×107c m s ,而激光与高Z 的A u 盘靶作用时则相反,两者速度差为1.1×107c m s 。
在激光等离子体相互作用过程中,等离子体运动主要由入射激光作用和等离子体的热膨胀运动决定。
入射激光作用产生等离子体,激光动量转化为等离子体动量,而由于前面靶—等离子体反作用,等离子体将沿入射激光反方向运动。
同时,激光与等离子体相互作用时,等离子体吸收激光能量,形成的高温等离子体将产生热压力,驱动等离子体作各向同性的热膨胀,当等离子体离平面靶靶面较近时,由于受到靶平面约束,等离子体热膨胀将主要沿平面靶法向进行,形成等离子体沿法向流动,离靶面越近,影响越大。
当激光垂直入射靶面时,激光压力和等离子体热膨胀方向一致,等离子体电子密度状态基本满足一维分布,而当激光斜入射靶面时,两者方向不同,等离子体电子密度状态将偏离一维分布,等离子体的流动速度将具有二维效应,同时在等离子体离靶面不同的地方,靶面对等离子体状态的影响不同,等离子体沿不同方向流动的速度也不一样。
当激光45°作用于低Z 的CH 平面靶时,等离子体电子密度尺度较94第1期蒋小华等:激光等离子体的受激B rillou in 散射05强激光与粒子束第12卷大(L=c s t),SB S三波共振区域离靶面相对较远,靶面对等离子体运动影响较少。
同时,等离子体电子温度较低,等离子体的热压力也较小,等离子体运动速度沿入射激光方向较大,在背向给SB S光谱带来更大的蓝移,而激光45°与高Z的A u靶作用时,等离子体尺度相对较少,SB S三波共振区离靶面较近,等离子体沿靶面法向热膨胀速度较大,则在法向方向带来SB S的极大蓝移,而在背向蓝移较小。
对于掺杂少量低Z元素的多层靶(图4),由于CH原子数比较少,激光等离子体状态主要由高Z材料A u决定, SB S光谱结构及蓝移现象均与A u一致。
3 结 论 激光以45°入射平面靶时,激光等离子体的二维效应较严重,SB S光谱与等离子体状态关系密切。
在星光 装置输出条件下,激光与低Z材料耦合时,SB S光谱较宽,冕区激光等离子体在背向有极大的流体速度,从而给SB S带来极大蓝移;而与高Z材料作用时,冕区等离子体主要沿法向运动。
致 谢 感谢星光 装置运行小组和制靶小组人员的辛勤劳动。
参考文献1 K ruer W L.T he physics of laser p las m a interacti on.Canada:A ddisi on W esley,19882 L iu C S,et al.R am an and B rillouin scattering of electrom agnetic w ave inhomogeneous p las m a.P hy sics F lu id s,1974,17(6):1211~12193 常铁强等.激光等离子体相互作用与核聚变.长沙:湖南科学技术出版社,1991ST I M ULATED BR I LLOU IN SCATTER INGIN PLAS M A PROD UCED B Y0.351Λm LASERJ I AN G X iao2hua,ZH EN G Zh i2jian,L IW en2hong,L I U Yong2gangL abora tory f or L aser F usion,Institu te of N uclea r P hy sics and Che m istry,CA E P,P.O.B ox9192218M iany ang621900ZH EN G J ian,W AN G Y i2chaoCh ina U n iversity of S cience and T echnology,H ef ei230027 ABSTRACT: Sti m u lated B rillou in Scattering(SBS)spectra are repo rted from differen t angle in p las m a p roduced by0.351Λm laser.SBS spectra are affected by22D p las m a.W hen laser irradiates disk target at45°,back scattering is mo re b lue sh ift in low Z p las m a,bu t sidescattering are mo re b lue sh ift in h igh Z p las m a. KEY WOR D S: laser p las m a;sti m u lated B rillou in scattering;Dopp ler sh ift。