受激喇曼散射
受激拉曼散射-非线性
受激拉曼散射§6.1 引言1962年Woodbury和Ng在研究硝基苯克尔盒作调Q开关的红宝石激光器时，意外地发现在激光输出中除694.9nm波长的激光外还伴有767.0nm的红外辐射。
后来，Eckhard等人认识到，此红外辐射相对于激光的频率移动与硝基苯的最强拉曼模振动频率是一致的。
因此，此红外辐射必定是硝基苯中的受激拉曼散射产生的。
很快，大量的研究证实了这一点。
1963年Terhune将一束调Q的红宝石激光通过透镜聚焦到硝基苯盒内，不仅观察到了一阶斯托克斯拉曼散射线，而且观察到了高阶的斯托克斯线和反斯托克斯线。
60年代已有许多学者发表了一系列关于受激射的理论文章。
他们分别用经典、半径典和全量子力学万法研究了受激散射过程。
早期对受激散射感兴趣是因为它可提供新波长的相干辐射。
此外，受激散射可能是高功率激光在介质中传播时的一种损耗机理。
近年来，受激拉曼散射已成为产生可调谐红外辐射的重要方法。
受激拉曼散射在光谱学上的应用己得到发展。
下面对自发散射及受激散射作一般性的介绍。
§6.1.1 光散射的一般概念光散射是光在介质中传播过程中发生的一种普遍现象，是光与物质相互作用的一种表现形式。
当光辐射通过介质时，大部分辐射将毫无改变地透射过去，但有一部分辐射则偏离原来的传播方向而向空间散射开来。
散射光在强度、方向、偏振态乃至频谱上都与入射光有所不同。
光散射的特性与介质的成分、结构、均匀性及物态变化都有密切的关系。
产生光散射的原因概括地说，在宏观上可看作是介质的光学不均匀性或折射率的不均匀性所引起。
它使介质中局部作用下产生的感应电极化。
由感生振荡电偶极子射光的电磁辐射源。
实际观察到的散射光是大量散射源所产生的散射光的叠加。
如果散射中心在空间均匀而规则地排列，则只有沿某个特定方向才有散射光；其他方向都没有散射光。
这是因为各个分子都受同一入射光波场激励，因此由极化而产生的电振荡偶极子其相位分布是有规则的。
2014非线性光学06受激拉曼散射与受激布里渊散射a详解
为分子的光学极化率。分子的极化率并非常数，因
为电偶极子受电场作用而受迫振荡，振子长度随时间
变化，即
(t)
0
q
0
q(t)
其中 0 为分子在平衡态的线性极化率，第二项为非 线性极化率。
偶极子在光电场中的静电能为
W 1 2
p(z,t) E(z,t)
1 2
0
E 2 ( z, t)
偶极子在外场中所受电场力为
F(z,t)
dW dq
0
2
d
dq
0
E 2 (z, t)
14/37
设介质中的总光场为
E(z,t)
E ei(PtkPz) P
E ei(StkS z) S
c.c.
因为总光场中存在两个不同频率项，则在 E(z,t)2
中会存在若干个不同频率项，我们只保留低频的
项 (P S ) ，即
E2 (z,t) 2EP ES*ei(tKz) c.c.
• 脉宽压缩性：受激散射光脉冲持续时间远小于入射激光脉 冲持续时间。
• 阈值性：入射激光的强度大于某一阈值光强后，散射光的 相干性、方向性和散射光强才有明显提高。
• 高阶散射特性：在加强输入光强或增加介质长度时，可出 现高阶Stokes散射光和Anti-Stokes散射光。
• 相位共轭特性：产生的受激散射光场的相位特性与入射激
• 拉曼散射 (Raman)：由介质内部原子、分子的振动 或转动所引起。是一种非弹性散射，散射光频率与 入射光的频率不同，频移量较大，相应于振动能级 差。散射光频率下移者，称为Stokes散射光；散射 光频率上移者，称为Anti-Stokes散射光。
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布里渊散射 (Brillouin)：介质密度（折射率）随时 间周期性起伏形成的声波（或声子）所引起的。这 是一种非弹性散射，散射光的频移量较小，相应于 声子能量。也有Stokes和Anti-Stokes散射光。
2014非线性光学06受激拉曼散射与受激布里渊散射a详解
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3、光散射的分类 • 瑞利散射（Rayleigh）：起因于原子、分子空间分 布的随机起伏，散射中心的尺度远小于波长，其强 度与入射光波长的关系为 I scatt. µ 1 / l 4，散射光的频 率与入射光相同，属于弹性散射。 • 瑞利翼散射 (Rayleigh wing)：起因于各向异性分 子的取向起伏；是一种非弹性散射，散射光的光谱 向入射光波长的一侧连续展宽。 • 拉曼散射 (Raman)：由介质内部原子、分子的振动 或转动所引起。是一种非弹性散射，散射光频率与 入射光的频率不同，频移量较大，相应于振动能级 差。散射光频率下移者，称为Stokes散射光；散射 光频率上移者，称为Anti-Stokes散射光。
其中频率为 s 的斯托克斯光引起介质的非线性极化 场表示为 PS(3) ( z, t ) P(S )ei (S t kS z ) c.c.
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极化强度振幅为
* P (S ) 0 N q ( ) E P q 0
(3)
2 2
EP ES (3) 2 N P (S ) 0 2 2 m q 2i 0 v
二、受激拉曼散射
1、自发拉曼散射 Raman（1928）发现自发拉曼散射。散射光谱中除了 原频率成分 0 之外，还出现了新频率成分 s和 as 。 s 0 称为Stokes线。 as 0 ，称为Anti-Stokes线。 一般Stokes线远比Anti-Stokes线强几个数量级。
(t ) 0
q (t ) q 0
p( z, t ) 0 E ( z, t )
其中 0 为分子在平衡态的线性极化率，第二项为非 线性极化率。 偶极子在光电场中的静电能为
受激拉曼散射
2.光纤拉曼放大器
如果信号与一个强泵浦波同时在光纤中传输,并且其频率差位于泵浦波的
拉曼增益谱带宽之内,则此弱信号可被该光纤放大l,,一901“由于这种放大的物
理机制是SRS,所以称之为拉曼光纤放大器(FRA)”早在1976年,就有人开始制 造光纤拉曼激光器,因为它在光纤通信中有很大的应用潜力“在20世纪80年代
Lg PL j N N 1 , peak s eff s eff R F F j g o u t o u t R , peak 2 A A 2 j 1 j 1 c eff 2 c eff
N N 1
3 NP N 1 L 5 10 mW THz km s eff
三、光纤中拉曼散射的应用
1.光纤拉曼激光器
光纤中SRS现象的一个重要
应用就是导致了光纤拉曼激光 器的出现-67一76],这样的激光器 可在很宽的频率范围内(约10THz) 调谐“右图是光纤拉曼激光器示意图,一段单模光纤放在由部图1.4可调谐拉曼激光器 示意图分反射的Ml和MZ镜构成的法布里一角罗(F一P)腔内,此腔对光纤内SRS产生 的斯托克斯光提供波长选择反馈.腔内的棱镜使激光器波长可调谐,因为它使不同斯 托克斯波长空间色散,通过调节镜MZ可以选择波长"激光器的闲值对应于往返的拉曼 脉冲,以平衡腔内损耗的泵浦功率,腔内损耗主要是镜子的传输损耗和光纤两端的藕合 损耗,其中光纤使用保偏光纤。
受激拉曼散射
小组成员：姜波、吴立波、王苗
一、受激拉曼散射 (SRS)简介
受激拉曼散射现像是1962年伍德伯里（Woodburry）和恩戈（Ng） 偶然发现的。他们在研究以硝基苯作Q开关红宝石激光器的克尔盒时， 探测到从克尔盒发射出的强红外辐射信号，波长是767.0nm。按照红宝 石的能级及其与谐振腔的耦合来看，该装置输出的激光光谱只存在 694.3nm谱线。然而，用分光仪测量波长时，发现若无克尔盒时，确实 只存在694.3nm谱线，—旦在腔中加上硝基苯克尔盒，则除了694.3nm 外，还有767.0nm谱线。经反复研究，红宝石材料的确不存在767.0nm 谱线。后来证实它是硝基苯所特有的，是由强红宝石激光引起的一条拉 曼散射斯托克斯谱线。当激光功率密度增加到超过 1MW/cm^2 时， 767.0nm谱线的强度显著增加，其输出发散角很小，具有和激光同样好 的方向性，而且，谱线宽度变窄，说明此时的767.0nm辐射已经是受激 辐射。
第四章 受激散射_2002
把式(4.5.1-12) R = Rng
(ρ
ng
+ ρ gn ) 代入上式，可得： = ωv R 2 ∂α − ε0 Rng E 2 ( ρ gg − ρ nn ) iRng ih ∂R
∂ρ ng ∂t
代入式(4.5.1-16),
−
∂ρ gn ∂t
∂2 R ∂t 2
+
1 ∂ R 2 ∂α 2 2 + ω v2 R = ω vε 0 Rng E ( ρ gg − ρ nn ) T2 ∂t h ∂R
由于 Rng 为实数，所以 H SRS , gn 也为实数， H SRS , gn = H SRS ,ng ， H 0,nn − H 0, gg = hω v ，故
∂ R = −iω v Rng ( ρ ng − ρ gn ) ∂t
(4.5.1-14)
4-39
如果考虑振动的弛豫，设其时间为 T2 ，则：
足： ω = ω p − ω s ， k = k p − ks ，代入式(4.5.1-17)：
2 ∂α 2 iω 1 2 Rng ( ρ gg − ρ nn ) E p Es* ωv − ω − Rv = ωvε 0 h ∂R T2
Rv = ( ρ gg − ρ nn )ωvε 0 ∂α 2 Rng E p Es* ∂ R 2 iω h ωv − ω 2 − T2
=
1 {ρ ng ( H 0,nn − H 0, gg ) + H SRS ,ng ( ρ gg − ρ nn )} ih ∂ρ gn 1 = [ H , ρ ]gn ih ∂t 1 = { g ( H 0 + H SRS ) ρ n − g ρ ( H 0 + H SRS ) n } ih 1 = ∑ g ( H 0 + H SRS ) k k ρ n − g ρ k k ( H 0 + H SRS ) n ih k (4.5.1-13-2) 1 = { g H 0 g g ρ n + g H SRS n n ρ n ih − n H 0 n g ρ n − g H SRS n g ρ g }
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
非线性光纤光学 第八章-受激喇曼散射
Raman FL
Diodes 组合
影响增益的光纤参数：
掺杂浓度 光纤损耗系数 有效纤芯面积
光纤长度
宽带光纤喇曼放大器
机制：拉曼增益与泵浦波长相关， 采用方法：多波长泵浦 增益：总增益是各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和（以dB为单位）
优点：
•增益介质即为普通传输光纤，与光纤系统具有良好兼容性 •中心波长由泵浦波长决定，不受其他因素牵制 •增益高、带宽大、噪声系数低、温度稳定性好
假设 s p
P exp(g R P0 Leff Aeff ) P0
eff s0
假设喇曼增益谱为洛伦兹型，阈值条件为
g R P0cr Leff 16 Aeff
（注：对于后向SRS，16换成20）
Pth 16Aeff / g R Leff
对普通单模光纤
Pth 16 (w ) / g R
线形腔FRL
对应10dB损耗
阈值条件为 G exp(2gR P 0 Leff A eff ) 10
对于非保偏光纤，喇曼增益系数减半
级联结构的线形腔FRL：
环形腔FRL
光纤拉曼放大器
基本原理：
如果信号与一个强泵浦波同时传输，并且其频率差位于泵浦波的喇曼 增益谱带宽之内，则此弱信号可被该光纤放大。由于这种放大的物理 机制是SRS，所以称之为光纤喇曼放大器。 有效纤芯面积
1,530nm
Tellurite-Based Erbium Doped Fiber Amplifier
Gain-Shifted Erbium Doped Fiber Amplifier
GS-EDFA
受激拉曼散射原理的提出
受激拉曼散射原理的提出
受激拉曼散射原理的提出可以追溯到1928年，当时印度科学家等将经滤光片过滤的太阳光通过透镜聚焦到多种液体和气体中，发现散射光中出现较强的低频成分，证明了液体或气体对入射光具有频率调制效应，此后，此效应被称作拉曼散射效应。
然而，受激拉曼散射效应的发生过程与自发拉曼效应相比，要求入射光具有较高的能量，可以达到受激拉曼散射的阈值。
受激拉曼散射是在一定条件下，激光功率提高使某些介质出现具有受激性质的散射过程，它扩大了相干光辐射的物理机制，丰富了受激发射的波长，开拓了强光与物质相互作用的新领域，提供了探索物质结构的新途径。
以上信息仅供参考，如需更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
受激拉曼散射在医学上的应用
受激拉曼散射在医学上的应用受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）是一种基于激光的光谱技术，具有非常广泛的应用领域，其中包括医学。
本文将介绍受激拉曼散射在医学上的应用，并探讨其在疾病诊断、药物研发和组织工程等方面的潜力。
受激拉曼散射是一种非线性光学效应，通过激发样品中的分子振动模式，可以获取其特征拉曼光谱信息。
与传统拉曼散射相比，受激拉曼散射具有较高的灵敏度和信噪比，可以在较短的时间内获取更强的信号。
这使得受激拉曼散射成为一种非常有潜力的光谱分析技术。
在医学应用方面，受激拉曼散射可以用于疾病的早期诊断。
人体组织中的化学成分与其拉曼光谱有密切关系，通过分析组织中的受激拉曼光谱，可以检测到异常的化学成分变化，从而实现对疾病的早期诊断。
例如，受激拉曼散射可以用于癌症的早期检测。
癌症细胞和正常细胞在化学成分上存在差异，通过分析组织样本的受激拉曼光谱，可以识别出癌变细胞的存在，从而帮助医生进行早期治疗。
受激拉曼散射还可以在药物研发领域发挥重要作用。
药物的研制需要对其结构和成分进行详细的分析，以确保其安全有效。
传统的药物分析方法通常需要耗费大量的时间和资源，而受激拉曼散射可以在非破坏性的条件下实现对药物的快速分析。
通过与数据库中的拉曼光谱进行比对，可以精确地确定药物的种类和纯度，从而提高药物研发的效率。
除了疾病诊断和药物研发，受激拉曼散射还在组织工程方面发挥着重要的作用。
组织工程是一种利用生物材料和细胞培养技术构建人工组织的方法。
在组织工程中，受激拉曼散射可以用于监测生物材料的组成和结构，以及细胞的生长和分化过程。
通过实时监测组织工程过程中的受激拉曼光谱变化，可以及时调整培养条件，优化组织工程的效果。
尽管受激拉曼散射在医学应用中具有广阔的前景，但仍然面临一些挑战。
首先，受激拉曼散射技术的设备和成本较高，限制了其在临床实践中的应用。
其次，受激拉曼散射在组织样本的深层探测方面存在困难，需要进一步改进技术手段。
受激喇曼散射及其在光纤通信中的应用研究（光学工程专业优秀论文）
电子科技大学硕士学位论文摘要近年由于新业务的不断出现，通信业务量的显著增长、科技的快速进步，促进了通信网络的快速发展。
发展最为显著的全光通信网、无线网、数据分组网虽然其在传输原理、承担业务、传输数据量上各不一样，但都离不开光纤骨干网。
光通信技术研究主要集中在光波复用和全光网络，而光放大技术、光交换器件、新型激光器等新技术为其快速发展提供了基础。
但要使光纤传输系统的的速率不断提高，光纤传输器件的结构更加合理，功能更加完善和强大，就必须注意光纤传输系统中的几个丰要因素：光纤损耗、光纤色散、光纤非线性效应。
基于光纤非线性效应的受激喇曼散射在光通信系统中发挥着重要的作用，合理利用能够制作出满意的光器件，不注意对它控制义会对光通信系统产生不利影响。
本文将主要探讨受激喇曼散射对光通信系统的影响。
第一章绪论中首先引出了受激喇曼散射效应，然后介绍了受馓喇曼散射在光纤通信中的应用：光纤喇曼激光器、光纤喇曼放火器、波长转换器。
接着介绍了受激喇曼散射效应导致的系统串扰。
最后介绍了光子自动化设计软件ＰＴＤＳ。
第二章对受激喇曼散射原理进行了详细分析，仔细讨论了两个重要指标：喇曼增益谱和喇曼闽值，并得到了相关公式。
第三章对喇曼放大器进行研究。
建立了喇曼放大器的功率和模场理论模型，探讨了其主要特性，包护增益、带宽、噪声以及大功率泵浦特性。
最后对光纤喇曼放大器在Ｓ波段的应用进行了研究，得出一些结果。
第四章内容主要集中在ＷＤＭ系统中的喇曼串扰。
首先对ＷＤＭ系统中每个信道的功率理论模型进行了探讨，得到了ＷＤＭ系统中拙述喇曼串扰的公式，并使用最大受激喇曼散射串扰（ＭＲＣ）和平均最大受激喇曼散射串扰（ＡＭＲＣ）对其进行量化，然后通过ＰＴＤＳ仿真软件搭建实验平台，对ＷＤＭ系统中信道频率、入纤功率、光纤长度，光纤有效模场面积、光纤非线性系数、信逆数、信道比特率，以及信道不同波段组合的变化对喇曼串扰的影响进行了研究，得到～些有益结果并进行了分析。
受激拉曼散射效应
受激拉曼散射效应受激拉曼散射效应是一种非线性光学效应，它可以在低功率激光下增强拉曼散射信号。
这种技术已经被广泛应用于化学、生物和医学领域，因为它可以提供高灵敏度和高分辨率的分析方法。
一、概述受激拉曼散射效应（SERS）是一种非常重要的分析技术，它基于拉曼散射原理，利用金属表面增强的拉曼信号来检测样品中微小的浓度变化。
SERS技术具有高灵敏度、高选择性、高分辨率和无需标记等优点，因此在化学、生物和医学领域得到了广泛的应用。
二、原理SERS技术的核心是金属表面增强的拉曼信号。
当激光照射到金属表面时，会产生电子振荡，并形成局部电场。
这个局部电场会使样品中的分子极化，并导致其振动频率发生变化。
这种频率变化就是拉曼散射信号。
在普通拉曼散射中，只有极少数的分子会散射出拉曼信号，因此需要使用高功率激光来增强信号。
但是高功率激光会产生热效应，使样品受到破坏。
而在SERS技术中，金属表面可以增强拉曼信号，因此可以使用低功率激光来获得高灵敏度的分析结果。
三、金属表面增强的机制SERS技术中金属表面增强的机制一直是一个研究热点。
目前认为，金属表面增强的机制有两种：电荷转移和局部电场增强。
1. 电荷转移在电荷转移机制中，分子与金属表面之间发生电子转移。
这种转移会导致分子振动频率发生变化，并产生拉曼散射信号。
此外，在这个过程中还可能形成新的化学键和分子吸附构型。
2. 局部电场增强在局部电场增强机制中，金属表面上存在着极强的局部电场。
这个局部电场可以使样品中的极性分子极化，并导致其振动频率发生变化。
此外，在这个过程中还可能形成新的化学键和分子吸附构型。
四、应用领域SERS技术在化学、生物和医学领域得到了广泛的应用。
以下是其中的一些典型应用：1. 化学分析SERS技术可以用于检测化学物质中微小的浓度变化，因此被广泛应用于化学分析。
例如，可以使用SERS技术检测食品中的添加剂和污染物。
2. 生物分析SERS技术可以用于检测生物样品中微小的浓度变化，因此被广泛应用于生物分析。
第十八章受激喇曼散射和布里渊散射
gs
[ d (
d
90o , )]molecule
Nc2[1 eh(l s )/kT ]
3h s3n2 ( s ) Il
[ d (
d
90o , )]molecule
Nc
2[1 eh
3h s3n2
(l s
( s )
)/
kT
]
I
l
S
(
)
(18.2-5)
第十八章 受激喇曼散射和布里渊散射
18.0 引言---普通喇曼散射
普通喇曼散射： 作为研究分子的振动能级的光谱工具被广泛 使用。与红外吸收和荧光光谱互补（需要有实际能级跃迁）。
喇曼散射的量子解释：
光子与微观粒子（原子、分子）发生非弹性碰撞所引起的。
l scatting s v l 入射光子； s 散射光子；（能量和方向不同于 l） v 振动量子；（分子的能量发生变化，振动能级跃迁。）
1)
]
(18.4-15)
若定义
Raman
(1)
' Raman
(1)
i '' Raman
(1)
(18.4-17)
则有
' Raman
(1
)
0N
(
X
)02[v
(2
1)]
16mv[v (2 1)]2 2 /
4]
(18.4-18)
'' Raman
(1
)
0
N
(
X
)02 (
/
2)
16mv[v (2 1)]2
喇曼散射相关能级跃迁如图18.1所示。
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。
受激拉曼散射显微成像技术
受激拉曼散射显微成像技术
受激拉曼散射显微成像技术是一种基于受激拉曼散射效应的显微技术，具有高灵敏度、高分辨率和高速度的优点。
它利用特定波长的激光激发样本，产生拉曼散射效应，再通过对散射光的检测和分析，实现对样本的微观结构和化学成分的成像。
受激拉曼散射显微成像技术具有以下优点：
1.高灵敏度：受激拉曼散射效应产生的散射光强度比自发拉曼散
射要高很多，因此检测灵敏度更高，能够实现对微量样本的检
测。
2.高分辨率：受激拉曼散射显微成像技术采用高分辨率的显微镜
系统，能够实现微米级别的成像分辨率，从而获得样本的精细
结构和化学成分信息。
3.高速度：受激拉曼散射显微成像技术采用连续激光激发和快速
扫描技术，能够实现快速成像，提高检测速度。
受激拉曼散射显微成像技术的应用范围非常广泛，包括生物学、医学、化学、环境科学等领域。
在生物学领域，它可以用于研究细胞的结构和功能，探究生物分子的相互作用和动态过程。
在医学领域，它可以用于诊断疾病和监测药物疗效，例如在癌症诊断和治疗中的应用。
在化学领域，它可以用于研究化学反应的动力学和机理，以及化学品的结构和性质。
在环境科学领域，它可以用于监测环境污染和生态变化等。
总之，受激拉曼散射显微成像技术是一种非常有用的显微技术，能够
提供高灵敏度、高分辨率和高速度的检测和分析，具有广泛的应用前景。
光纤中的紫外受激喇曼散射
光纤中的紫外受激喇曼散射
紫外受激喇曼散射可以说是光纤的重要工作机制，它有助于光传输过程
中的有效消除信号质量下降的不利影响。
紫外受激喇曼散射是一种自发发射
电磁辐射，其中一部分用于发射紫外信号，另一部分在噪声抑制上表现突出。
紫外受激喇曼散射机制可以消除光纤使用过程中出现的非理想条件，这
种条件包括：晶体结构不均匀、光硅器件表面的吸收以及折射率和表面结构
的参差不齐。
这些因素可能会影响信号的发射和接收效果，但紫外受激喇曼
散射在这方面可以扮演非常重要的角色，其表现出的应力消除能力是十分显
著的。
另外，紫外受激喇曼散射可以抑制噪声增强，保持传输路径上的信号质量，改善路径传播特性和增强信号波形。
此外，它还能够去除电磁干扰来改
善射频信号传输性能，从而实现良好的传输效果，轻松完成信号传输。
总之，紫外受激喇曼散射可以抑制信号传输中出现的不良信号，为光纤
技术的发展带来许多方便，保证信号质量的良好发挥，是信号传输中的重要
工作机制。
(二)SRS 受激拉曼散射
长光学池
悬垂液滴[1]
液芯光纤
13/37
I s ( s , L1 ) I sn ( s )[exp( gs I p 1 )L]
增强SRS的途径
4.
增强自发喇曼噪声强度Isn(s) ，同时尽量部种子植入方法
荧光种子植入方法[2]
Is( s , L) [Isn( s ) Iseed( s )][exp(g s I p - )L]
16/37
2、CS2的拉曼活性与荧光种子 二硫化碳分子CS2属于线型分子，它具有4个简正振 动模式，如下图：
CS2 对称伸缩振动模式(1) 弯曲振动模式(2) 反对称伸缩振动模式(3)
吸收峰(cm-1)
拉曼活性
655.6
398 1522.5
是
否 否
2014-4-11
表1 . CS2的Stokes线和anti-Stokes线
工程光学讲座（二）
受激拉曼散射
教师：杨睿
内
一．
二． 三．
容
受激拉曼散射概述
染料荧光增强受激拉曼散射原理 染料荧光增强液芯光纤中的受激
拉曼散射实验
2014-4-11
一、受激拉曼散射概述
1、自发拉曼散射
Incident Light Output Light
0
Scattering Light
0
s , as
SRS过程，假设介质为各向同性，则可按标量方程求解； 由于泵浦光和Stokes散射光频率差 p s 与分子振动频率
近共振，所以三阶极化率为复数，即
3 3 3 R R ' i R ''
方程中三阶极化率实部反映相位调制，虚部反映强度变化； 若只考虑虚部项，则有解： 6S 1 3 ES ( z ) ES 0 exp[ 2 R "(S ) I P z ] ES 0 exp[ gI P z ] 0c nP nS 2 12s 3 8/37 g 2 R '' 0 c n p ns
受激拉曼散射的原理
受激拉曼散射的原理嘿，朋友们！今天咱来唠唠受激拉曼散射这玩意儿。
你说这受激拉曼散射啊，就像是一场奇妙的音乐盛宴！想象一下，光就像一个个音符，在特定的条件下，它们能演奏出别样的旋律。
普通的光通过物质时，就像平平常常地走过，没啥大动静。
但在受激拉曼散射中，可就不一样啦！这时候的光和物质之间就像来了一场激情碰撞，擦出了特别的火花。
比如说，咱们常见的那些分子啊，它们本来安安静静地待着。
可当光来了，而且是那种特定频率的光，嘿，这分子就被“激发”起来啦！就好像原本安静的小孩突然被逗得兴奋起来。
然后呢，它们会发出和原来光不一样频率的光，这就是受激拉曼散射产生的新光啦！这多有意思啊！就好比我们平时说话，平平常常说出来可能没什么特别，但要是在某种特别的情境下，或者用特别的语气说出来，那感觉可就完全不同啦！受激拉曼散射在好多领域都大显身手呢！在科学研究里，它就像一把神奇的钥匙，能帮我们打开好多未知的大门。
比如可以用来分析物质的结构、成分啥的，这可太重要啦！没有它，好多研究恐怕都没法顺利进行呢。
在医学上，它也能发挥大作用哟！可以帮助医生更准确地诊断疾病，就像给医生配上了一副超级厉害的眼镜，能看清那些隐藏的问题。
哎呀，你说这受激拉曼散射是不是特别牛？它就像一个隐藏在科学世界里的宝藏，等着我们不断去挖掘、去利用。
生活中不也是这样嘛，很多看似普通的东西，其实都有着不为人知的奇妙之处，只要我们用心去发现。
就像受激拉曼散射，一开始谁能想到光和物质之间的这种互动能带来这么多惊喜呢！所以啊，我们要保持好奇心，多去探索这个世界。
说不定哪天，我们也能像发现受激拉曼散射一样，发现一些令人惊叹的东西呢！反正我是相信，这个世界充满了无数的奥秘等待我们去解开，受激拉曼散射只是其中之一罢了。
你们觉得呢？。
受激拉曼散射_详解
从产生机理看：受激散射和激光辐射都起源于一种自发过程， 然后依靠某个特定模式内光子数的优势增大而产生光子雪崩式受 激放大过程，最后以高光子简并度的定向辐射形式输出到工作介 质或谐振腔系统外；
受激散射和激光辐射区别：受激散射并不要求工作物质处于粒 子数反转状态，激光辐射要求工作物质必须处于粒子数反转状态
Stimulated Raman Scattering－SRS
受激拉曼散射
受激拉曼散射（SRS）是非线性光学中一个很重要的非线性 过程，通过对这些受激散射效应的研究，大大加深了人们 对强激光与物质相互作用规律的认识。 受激拉曼散射可以发生在气体、固体、液体、光纤中。 利用光纤中的受激拉曼散射已制成光纤拉曼放大器和光纤 拉曼激光器，这些器件在光通信领域有重要应用。 利用气体、晶体和光纤中的受激拉曼散射已制成多种拉曼 激光器。
光的散射效应
光的散射的原因： 宏观上看：光散射是由于传输介质的光学不均匀 性或折射率不均匀性所导致的。 从电磁辐射理论看：光散射是由于介质感应电极 化特性的时空起伏或周期性变化所引起的。 从量子观点看：光散射是光子和微观粒子发生的 碰撞。
光的散射效应的分类
非纯净介质中的光散射 介质中由外来杂质质点、颗粒、包容物以及介质本身 结构缺陷等因素造成的光散射,也包括空气和液体中悬浮 的杂质微粒、微尘和微滴引起的光散射。 纯净介质中的光散射 对于由成分相同的纯净物所组成的介质，虽然其不含 有外来掺杂的质点、颗粒或结构缺陷等，但仍有可能产生 光的散射现象，这些散射现象是介质本身所固有的。
受激拉曼散射
目录
光的散射效应 受激拉曼散射 固体中的受激拉曼散射 拉曼光纤激光器和放大器
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1 2
2gR
2
1 2 s
中心位于Ω=ωp-ωs处增益峰附近的Stokes 辐射的有效带宽
喇曼阈值定义:在光纤的输出端斯托克斯功率与泵浦功率 相等时的入射泵浦功率
Ps (L) Pp (L) P0 exp( pL)
Ps (L)
Peff s0
exp(gR (R )I0Leff
s L)
exp[ g R ( p
)I 0 Leff
s L]d,
每个频率分量的光子能量
考虑到积分的主要贡献来自增益峰值附近的一个较窄区域， 结果为
Ps (L)
P eff s0
exp[gR (R )I0Leff
s L]
Z=0处的有效入射功率
Peff s0
s Beff
Beff
2
I0 Leff
p
0.
在SRS过程中泵浦和Stokes光子总数不变 !
不考虑泵浦消耗，可以求得
I s (L) I s (0) exp( g R I 0 Leff s L),
入射光强，可以考虑为注入一个假 想光子
Leff [1 exp( p L)] p .
整个喇曼增益谱范围的Stokes功率为
Ps (L)
入射光子 分子散射 分子振动态的跃迁
产生Stokes波
如左图：处于基态能级的分子在吸 收了入射光子能量之后被激发到虚 拟激发能级上当激发态的电子回到 第一个振动能级时，辐射出 stokes光子，拉曼散射过程结束。
2、喇曼增益谱
在连续或准连续条件下，Stokes波的初始增长可描述为
dI s dz
gRIpIs
✓线形腔FRL
对应10dB损耗
阈值条件为 G exp(2gR P0Leff Aeff ) 10
对于非保偏光纤，喇曼增益系数减半
级联结构的线形腔FRL： ✓环形腔FRL
光纤拉曼放大器
➢ 基本原理：
如果信号与一个强泵浦波同时传输，并且其频率差位于泵浦波的喇曼
增益谱带宽之内，则此弱信号可被该光纤放大。由于这种放大的物理
假设 s p
Peff s0
exp(gR P0 Leff
Aeff ) P0
假设喇曼增益谱为洛伦兹型，阈值条件为
gR P0cr Leff 16 Aeff
（注：对于后向SRS，16换成20）
Pth 16 Aeff / gR Leff Pth 16 (w2 ) / gR
对普通单模光纤
Leff 20km, Aeff 50m2, gR 71011cm/W
t)
2
Ak
(
z,
t
)
2
dt
i
j
f
R
Ak
t
hR (t
t) Aj (z,t) Ak*(z,t) exp[iR (t
t)]dt
在脉冲宽度超过1ps的皮秒区域 ，喇曼贡献简化为：
Rj
i
j
fR
Aj 2 Ak 2
Aj
hR
Ak
2
Aj
hR (t) 的傅里叶变换
引入折射率系数和增益系数
R
机制是SRS，所以称之为光纤喇曼放大器。
➢ 放大器的增益：
有效纤芯面积
GA exp(gR P0L eff Aeff )
小信号增益
输入泵浦功率
P0 I 0 Aeff
有效光纤长度
➢ 放大器的饱和增益
增益饱和是泵浦消耗的结果。Raman放大器饱和增益Gs的近似表达式
Pth 560mW
SRS的阈值功率较高。由于光波系统中的注入功率一般低 于10mW，因此SRS一般对光纤损耗不起作用。
4、耦合振幅方程
✓ 假设介质是瞬时响应的，且响应时间比脉冲宽度小得多，
则喇曼脉冲和泵浦脉冲间的互作用由两个耦合振幅方程描
述，此方程组包括喇曼增益、泵浦消耗、SPM、XPM和
GVD效应。 ✓ 入射光场可写为：
(2 R
fR) |
Ap
|2 ) As
gs 2
2
Ap As
群速度失配 引入走离长度为
LW
T0|v 1 gpv 1 gs|
2. 准连续SRS
单通喇曼产生实验
光纤喇曼激光器（FRL）
FRL除了在光通信系统中的应用以外，还可以作为一种宽可调谐光纤 激光器。FRL可以有很多种形式，CW或pulse，甚至fs超短脉冲； 窄带、宽带或超连续，激光谱宽可以宽至1m，窄至100MHz。
泵浦脉冲载频
信号脉冲载频
E(r,t) 1 xˆ 2
Ap exp[i(0 p pt)] As exp[i(0s st)]
c.c.
泵浦脉冲包络
泵浦脉冲传播 常数
信号脉冲包络
信号脉冲载频
GVD系数 光纤损耗系数
Ap z
1 vgp
Ap t
i2 p
2
2 Ap t 2
p
2
Ap
i p (1
fR )(|
第八章 受激喇曼散射（SRS）
1. SRS的基本概念 2. 准连续SRS 3. 短泵浦脉冲的SRS 4. 孤子效应 5. 偏振效应
1. SRS的基本概念
1、机理
在任何分子介质中，自发喇曼散射将一小部分（一般约为 10－6）功率由一个光场转移到另一频率下移的光场中，频 率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为喇曼效应 。
fR
Re
~ hR
gj
2
j
fR
~ Im hR
则耦合振幅方程变为
Ap z
1 vgp
Ap i2 p t 2
2 Ap t 2
p 2
Ap
i
p[(|
Ap
|2
(2 R
fR) |
As
|2 ) Ap
gp 2
As 2 Ap
As 1 z vgs
As i2s 2 As s
t 2 t2 2
As
i s[(|
As
|2
Stokes光强 泵浦光强
喇曼增益系数 ，与三阶非线性极化率的虚部有关， 和波长成反比。对纯石英光纤，其最大值所对应的 频率是由泵浦频率下移13.2THz (440cm-1)。
➢如果一束频率为ωs的探测波在光纤的输入端与泵浦波
同时入射，只要频差Ω=ωp-ωs位于图中喇曼增益谱的带
宽内，探测波就会由于喇曼增益而被放大。
➢如果光纤输入端仅有泵浦波入射，自发喇曼散射产生 的信号将起到探测波的作用，并且在传输过程中被放大。
3、喇曼阈值
对连续波情况，泵浦波和Stokes波的相互作用遵循下列 两个耦合方程：
dI s dz
gRIpIs
sIs
dI p dz
p s
gRI pIs
pIp
没有损耗的情况下
d I s
dz s
Ip
Ap
|2
2 |
As
|2 ) Ap
Rp (z,t)
As z
1 vgs
As t
i2s
2
2 As t 2
s
2
As
i s (1
fR )(|
As
|2
2 |
Ap
|2 ) As
Rs (z,t)
群速度
非线性系数 小数喇曼贡献
喇曼贡献
喇曼贡献：
Rj (z,t) i j fR Aj
t
hR
t
t
Aj
(z,