受激布里渊散射笔记

SBS_FOG中受激布里渊散射光偏振特性的理论分析

文章编号:100520086(2001)0420340204SBS-FO G中受激布里渊散射光偏振特性的理论分析3α延凤平,简水生(北方交通大学光波技术研究所,北京100044) 摘要:本文考虑了双折射效应对保偏光纤两个偏振主轴方向上受激布里渊散射(SBS光增益的影响,利用Jones矩阵理论分析了受激布里渊散射光纤陀螺(SBS2FO G)敏感环中在保偏光纤熔接点处进行Η角的偏振主轴旋转后受激布里渊散射光的偏振特性。

得出当Η=90°时,在敏感环中的受激布里渊散射光不仅具有最大偏振度,而且还使其中的两个本征偏振态(ESO P)达到稳定的结论。

关键词:保偏光纤;受激布里渊散射;本征偏振态中图分类号:TN253;O43613 文献标识码:ATheoretica l Ana lysis of Polar iza tion Property of the Sti m ula ted Br illou i nSca tter i ng L ight i n Sti m ula ted Br illou i n Sca tter i ng F iber Optic GyrosYAN Feng2p ing,J I AN Shu i2sheng(Institute of L igh tw ave T echno logy,N o rthern J iao tong U niversity,Beijing100044,Ch ina)Abstract:T he po larizati on degree and po larizati on stability of the eigen state of po larizati on(ESO P)ofthe sti m ulated B rillouin scattering ligh t in the sensing co il w ere theo retically analyzed fo r the sti m ulatedB rillouin scattering fiber op tic gyro s(SBS2FO G)based on the Jones m atrix theo ry and first o rder ran2dom coup ling effect betw een tw o po larizati on axes of the po larizati on m aintaining fiber.T he conclusi onsabout stability of the ESO P and po larizati on degree of the sti m ulated B rillouin scattering ligh t w ere ob2tained.Key words:po larizati on m aintaining fiber;sti m ulated B rillouin scattering(SBS);eigen state of po lariza2ti on(ESO P)1　引　言光纤陀螺的研究已经进入到第3代,即受激布里渊散射光纤陀螺(SB S2FO G)。

受激布里渊散射相位共轭镜在高功率纳秒激光器中的应用进展

第50卷第5期V〇1.50 No.5红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2021年5月May 2021受激布里渊散射相位共轭镜在高功率纳秒激光器中的应用进展王天齐K2,康治军孟冬冬u,邱基斯刘昊1'2(1.中国科学院空天信息创新研究院，北京1〇〇〇94;2.国家半导体泵浦激光工程技术研究中心，北京100094)摘要：受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS)是一种光学三阶非线性效应，其反射光具有相位共扼特性，在振幅、相位、偏振方面与入射光呈现时间反演关系，并保持与入射光相同的波前。

在主振荡功率放大（Master Oscillator Power-Amplifier, MOPA)结构的纳秒激光器中，激光放大器中的热效应及光路中大量的光学元件使传输光束存在严重的波前畸变，在恶化光束质量的同时也限制了功率进一步提升的可能性。

在此类激光器中使用基于受激布里渊散射的相位共扼镜（Stimulated Brillouin Scattering Phase Conjugate Mirror, SBS-PCM)，使光束往返通过引入严重波前畸变的激光放大器能够实时补偿畸变，从而优化激光器的输出光束质量，并有利于功率的进一步提升，进而促进纳秒激光器向着兼顾高功率和高光束质量的方向发展，因此在高功率纳秒激光器中得到广泛应用。

文中首先从理论方面简要介绍了 SBS-PCM的基本原理及其相位共扼特性，其次对比了不同SBS-PCM介质的特点及适用范围，概述了国内外机构对SBS-PCM的研究进展及高功率纳秒激光器中SBS-PCM的典型应用情况及发展历程，并最终对SBS-PCM发展趋势进行了展望。

关键词：激光器；受激布里渊散射；相位共扼镜；高功率激光中图分类号：TN248.1 文献标志码：A DOI：10.3788/IRLA20211024Application progress of the stimulated Brillouin scattering phase conjugate mirror in high power nanosecond lasersWang Tianqi1'2, Kang Zhijun1,2*, Meng Dongdong12, Qiu Jisi1'2, Liu Hao1-2(1. Aerospace Information Research Institure, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China;2. National Engineering Research Center for DPSSL, Beijing 100094, China)Abstract: Stimulated Brillouin Scattering (SBS) is a third-order nonlinear optical effect, the reflected beam of which has the property of phase conjugation. The reflected beam is time inversed on amplitude, phase and polarization with the incident beam and maintains the same wavefront as the incident light. In the Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) nanosecond laser system, the thermal effect in the laser amplifiers and a large number of optical elements in the optical path cause serious wavefront distortion of the transmitted beam, which not only deteriorates the beam quality, but also limits the possibility of further power improvement. Stimulated Brillouin Scattering Phase Conjugate Mirror (SBS-PCM) is utilized widely in this kind of laser systemfor the fact that using SBS-PCM by making the beam transmit along a round trip in amplifiers which bring in收稿日期:2020-12-21;修订日期:2021 -01 -25基金项目:中国科学院条件保障与财务局短脉冲激光技术团队(GJJSTD20200009)作者简介:王天齐，男，助理研究员，硕士，主要从事固体激光器技术及非线性光学方面的研究。

拉曼散射和布里渊散射资料

1 拉曼介绍光在光纤中传输时，入射光子与光纤分子相遇会发生弹性或非弹性碰撞：在非弹性碰撞过程中，入射光子会吸收或释放声子，入射光子与光纤分子之间发生能量转移，结果会产生与入射光子频率不同的反斯托克斯和斯托克斯光子。

布里渊原理光纤中的布里渊散射效应是入射光波场与光纤中的弹性声波场间相互耦合作用而产生的一种非线性光散射现象，其主要特点是散射光的频率相对入射光频率发生变化，频移量的大小与散射方向以及光纤内的声波特性有关。

根据入射光强度的不同，光纤中会产生自发布里渊散射或受激布里渊散射。

俩者联系布里渊散射是布里渊于1922年提出的，可以研究气体，液体和固体中的声学振动，但作为一种实用的研究手段，是在激光出现以后才发展起来的。

布里渊散射也属于喇曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。

与喇曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发，如声学声子和磁振子等。

2 各自优缺点利用光纤中的布里渊散射实现分布式温度测量的系统，由于工作在非线性受激散射状态下，所产生的布里渊散射光强较大，而且具有较高的温度灵敏度，因而是一种很有应用发展前景的方案。

但采用该方案的系统，要求激光器的功率能够达到使光纤产生受激布里渊散射，而且布里渊散射光相对于入射光的频移很小，相应的分光和检测器件不容易实现，增大了测量难度。

最主要的是，布里渊散射光同时对光纤受到的应变、应力敏感，所以在用于温度传感时必须设法补偿这一响应量，也使整套系统变得复杂，增加了成本。

利用后向自发拉曼散射的方案，在理论上比较成熟，因为是测量拉曼散射光强度的变化，相应的光电探测器件也比较多，所以系统容易实现。

而且采用反斯托克斯与斯托克斯光强度的比值作为温敏信号的方案能消除光纤弯曲、压力等非温度因素对光强的影响。

就是后向反斯托克斯光比较弱，增加了检测难度，但只要保证足够的入射功率，采用截止特性足够好的滤光片，在一定程度上能够获得足够强的信号。

布里渊散射特点

布里渊散射特点
布里渊散射有以下特点：
1. 产生条件：光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生光散射过程。

2. 表现形式：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。

3. 自发形式：当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。

4. 重要参数：布里渊散射的重要参数包括布里渊频移、布里渊增益系数和布里
渊线宽等。

布里渊频移是散射光频率与入射光频率之差，与介质的声速和入射光的角度有关。

布里渊增益系数是描述布里渊散射强度的参数，与介质的光学性质和声学性质有关。

布里渊线宽是描述布里渊散射光频率分布宽度的参数，与介质的声学衰减有关。

布里渊散射

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。

N2第五章受激散射

ks2
kp
km k s1
k as kp
km

s 3 s 2 s1 0 as1 as 2 as3
实验装置
O
6943 A
λas= 650μm 610μm 575μm 苯
红宝石激光器
0 6943 A
λs=745、805μm
O
k kas k p k p ks
入射波 k0 v0 0

运动光栅
kB ko
kB
散射波
ka
vB
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B
根据多普勒效应
B v 1 2 sin 0 c
2 sin 0
布拉格条件
v0 vB va k0 k B k a
频移
根据多普勒效应
布拉格条件
B v 1 2 sin 0 c
P (as ) 0 (as ; p , p , s ) Ep ( p ) Ep ( p ) E (s )
(3) (3) * s
ks
kp
km
kas kp
Nd-YAG
Amplifier
Raman Cell-Methan
40大气压
甲烷中的SRS—Anti Stocks 散射
s
m
p
Anti stocks lines
as
ωp=ωs+ωm
Anti stocks lines : ωas=ωp+ωm
能量守恒
as 2 as
一阶stocks lines
p
s
m
二阶stocks lines

受激布里渊散射中Stokes光的反Stokes散射与慢光效应

ＳｏｅｉｈａｌｏｂｃｔｅｅｙＢｒｌｕｎｕｔａｏｎｓｂｓｄｓｔｅｐｍｐｌｈｎＳ．Ｔｈｃｔｅ — ｔｋｓｌｔｃｎａｓｅｓａｔｒｄｂｉｏｉｌｒｓｕｄｅｉｅｈｕｉｔｉＢＳｇｌｇｅｓａｔｒ
事实上在考虑了二次散射效应之后stokes在布里渊声场中经历的是往返式的多次散射因此存在布里渊声场的光纤可视为一种布拉格光纤fiberbragggratingfbg或一维光子晶体而fbg中也存在慢光效应其物理本质是光在往返式的散射过程中光程变大从而导致等价群速度折射率增大产生慢光效应dlia
第１卷９
ａｔ— ｏｓｓａｔｒｎｇａｄｔｃｎｓｏｆｓｏｗ—ｉｈｔｖｉＢＳｗｅｅｒｓａｃｄＩｓｐｏｄｔａｈｅｎｉＳｔｋｅｃｔｅｉｎｈｅｍｅｈａｉｍｌｌｇａＳｒｅｅｒｈｅ．ｔｉｒｖｅｈｔｔ
ｉｇｉｎｉＳｔｋｅ，ａｄｉｅｅｓｌｐｒｃｓｆｔｏｓｓａｔｒｎｇｏｈｅｐｍｐｌｔｎｓａｔ— ｏｓｎｓａｒｖｒａｏｅｓｏｈｅＳｔｋｅｃｔｅｉｆｔｕｉ．Ｔｈｅｅｏｅ，ｔｇｈｒｆｒｈｅｐｕｎｄＳｏｓｌｇｓｎＳＢＳｅｅｉｎｃｃ — ｎ — ｏｔｃｔｅｉｇｓｉｉｌｕｉｏｄｆｅｄｓＯｎｍｐａｔｋｅｉｈｔｉｘｐｒｅｅａｂａｋａｄｆｒｈｓａｔｒｎｎＢｒｌｏｎｓｕｎｉｌ．ｔｉｅｉｅ，ａｍｏｌｗａｒｓｎｔｄｔｅｉｔｔｌｈｓｐｒｍｓｄｅｓｐｅｅｅｏｄｐｃｈｅｓｏｗ－ｉｈｔｅｆｃ，ｉｉｈｈｅｏｉａｓａｃｌｇｆｅｔｎｗｈｃｔｐｔｃｌｄｉｔｎｅｏｆＳｔｋｅｖｅｗａｎｈｎｃｄｄｏｔｃ — ｎｄ—ｏｔｃｔｅｉｎｈｅｐｕｌｅｗａｌｗｅｏｓａｏｓｗａｓｅａｅｕｅｔｈｅｂａｋ— — ｒｈｓａｔｒｎｇｓａｄｔａｆｓｓｓｏｄｄｗｎａｒｓｔＥｘｒｍｅｔｈｏｔｅｄｅｃｄｄｌｙｎｇｔｍｅｆｈｏｓｐｕｓｖｎｂｙｔｏｅｇｅｓｅｕｌ．ｐｅｉｎｓｓｗｈｄｕｅｅａｉｉｏｒｔｅＳｔｋｅｌｅｇｉｅｈｅｍｄｌａｒｅ

第六章受激拉曼散射与受激布

相位共轭的应用
6
SBS用于相位共轭
休斯公司的Mangir等采用布里渊振荡级和放大级量级组合，振荡级产生共轭种子信号较弱但有优异的相位共轭保真度，放大级可以将共轭信号放大并转换绝大部分的泵浦能量（70％）。利用此装置，得到能量为4.5J的1.05微米波长的输出，保真度优于85％。
λ
4
获得优异近场保真度的SBS相位共轭输出
hν0
h(ν0 + Δν) h Δν
ANTI-STOKES Rayleigh
ν0
ν0 + Δν
1
1、受激散射的基本特性
背景：高强度激光产生，许多基于激光与物质相互作用的受激过程被陆续发现。
2、受激散射主要特征：
高的输出强度：SRS及SBS的强度可以达到入射激光强度同样的量级，甚至更高应用：拉曼频移器（高压氢池）好的方向性：前向或背向的受激散射输出的发散角与入射激光的发散角有关，可以优于毫弧度，甚至达到衍射极限高阶散射：受激散射中存在斯托克斯散射和反斯托克斯散射分别低于或者高于入射激光的频率。增大入射激光强度，选取有大的散射介面的介质或增加所用介质的长度，可以得到更高阶斯托克斯散射和反斯托克斯的受激散射。相位共轭特性：受激散射光场的相位特性（或波阵面特性）与入射激光的相位特性（或波阵面特性）具有共轭关系。应用：畸变补偿技术（在SBS过程特别突出）
SRS理论
前向受激拉曼散射是最重要和应用最广的一种SRS,入射光场和激发的斯托克斯光场都沿正Z轴方向传播。斯托克斯光场在介质中传播：I s = I sn [exp(gI l L) − 1]
SRS具有增益特性，SRS输出始于泵浦光场作用下从量子噪声。周围环境中不存在真空，根据量子力学的测不准原理，在真空中不断产生着虚实粒子对并互相湮灭。这些粒子的产生会造成噪音。 Isn为噪声输入分子的一个振动模具有的增益因子g～10－9cm/W, 当强度为109W/cm2的泵浦激光在介质中传输25cm后，可以得到 gIL=25,从泵浦光转换至斯托克斯光的转换效率为1％。人们将 gIL=25作为SRS产生的指数增益阈值。