光纤中散射
光纤中散射
布里渊散射的物理机制
虚态
hv0
hv
振动态
虚态
hv0 h
振动态 低能态 低能态
hv
h 图5 反斯托克斯光子的产生示意图
图4 斯托克斯光子的产生示意图
一个泵浦光子湮灭产生一个斯托克斯(或反斯托克斯 光子和一个声学声子 一个泵浦光子湮灭产生一个斯托克斯 或反斯托克斯)光子和一个声学声子，散射 或反斯托克斯 光子和一个声学声子， 过程能量和动量守恒。 过程能量和动量守恒。
∆ν B = ΓB / 2π (FWHM)
2 2π 2 n 7 p12 g 0 = g B (ν B ) = 2 cλ p ρ 0ν a ΓB
(增益峰值)
图7 沿光纤长度分布的布里渊增益谱
g 0 = 5 × 10 −11 m / W (增益系数@1550nm)
受激布里渊散射
光纤中受激布里渊散射的三波耦合方程： 光纤中受激布里渊散射的三波耦合方程：
W 2
NA 1 S = n ⋅m 0
其中， 是光纤总的损耗系数， 是光脉冲宽度 是光脉冲宽度， 是俘获系数 是俘获系数， 其中，α 是光纤总的损耗系数，W是光脉冲宽度，S是俘获系数， L是光纤长度，m=4.55(单模光纤) 是光纤长度， (单模光纤) 是光纤长度
瑞利散射的定量描述
g R 是拉曼增益系数，与自发拉曼辐射的截面积有关，更准确地说
gR
1064nm m gR (λp ) = ( )(1.0×10−13 ) g (1550nm) = 7.0×10−14m/ W λp W R
图10 拉曼散射增益谱
拉曼阈值
拉曼阈值定义：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，
对于1.55um处，损耗系数在0.12-0.15dB/km范围内 光纤中后向瑞利散射的功率： 光纤中后向瑞利散射的功率：
光纤中的瑞利散射
光纤中的瑞利散射一、什么是光纤中的瑞利散射？光纤中的瑞利散射是指在光纤中，由于光的波长远小于传输介质的粗糙程度，光线会发生随机散射，使得原本传输方向上的能量被分散到各个方向，并且会在纤芯和包层之间反复反射。
这种现象就是瑞利散射。
二、瑞利散射对光纤通信有什么影响？1. 信号衰减由于瑞利散射会将信号能量分散到各个方向，因此信号强度会随着距离的增加而逐渐减弱。
这就意味着，在长距离传输时，信号需要经过放大才能保证信号质量。
2. 光谱扩展由于瑞利散射是一种随机过程，所以它会导致光的频率发生微小变化。
这就意味着，在传输过程中，不同频率的光波将被扩展到一个更宽的频带内。
这种现象称为光谱扩展。
3. 噪声由于瑞利散射会导致光的强度发生微小变化，因此它会引起光信号中的噪声。
这种噪声称为瑞利噪声。
三、如何减少瑞利散射对光纤通信的影响？1. 使用单模光纤单模光纤相比多模光纤，其纤芯直径更小，因此可以减少瑞利散射的发生。
在长距离传输时，使用单模光纤可以保证信号质量。
2. 降低传输功率降低传输功率可以减少瑞利散射对信号的影响。
但是，如果功率过低，就会导致信号弱化和噪声增加，因此需要在合适的范围内调整传输功率。
3. 采用波分复用技术波分复用技术可以将不同频率的光波分离开来，在不同频段上进行传输。
这样可以避免不同频率之间相互干扰，从而减少瑞利散射对信号的影响。
4. 使用衰减补偿器衰减补偿器可以根据距离和频率对信号进行补偿，在一定程度上减少瑞利散射对信号的影响。
四、光纤通信中的瑞利散射有哪些应用？1. 光纤传感器光纤传感器是一种利用光纤中的物理效应进行测量的仪器。
其中，瑞利散射可以用来测量温度、压力和形变等参数。
2. 光谱分析由于瑞利散射会导致光谱扩展，因此可以用来进行光谱分析。
例如，可以通过瑞利散射测量材料中的微小应力变化，从而得到材料的应力-应变曲线。
3. 光学成像在医学成像和工业检测等领域中，可以使用瑞利散射进行光学成像。
光纤背向散射曲线
光纤背向散射曲线
光纤背向散射曲线（Backscattering Curve）是指在光纤中发生背向散射时，散射光的强度与入射光的强度之间的关系曲线。
光纤背向散射是指入射光在光纤内部发生多次散射后，部分散射光返回到光纤入口处。
这种散射现象由于光纤的材料及结构特性所致，可以通过光纤背向散射曲线来描述。
光纤背向散射曲线通常使用对数坐标来表示，横轴表示与入射光线成指定角度的方向，纵轴表示散射光的强度。
常见的光纤背向散射曲线是指数衰减曲线，即一条向下逐渐降低的曲线。
光纤背向散射曲线是光纤传输系统中的重要参考依据。
通过测量和分析光纤背向散射曲线，可以评估光纤的质量、损耗、非线性效应等参数，从而优化光纤传输系统的性能。
总之，光纤背向散射曲线是描述光纤内部发生背向散射的强度分布情况的曲线，对于光纤传输系统的设计和优化具有重要意义。
光纤拉曼散射
光纤拉曼散射光纤拉曼散射是一种非线性光学现象，它在光纤通信和传感等领域具有广泛的应用前景。
拉曼散射是光在物质中传播时，由于物质内部分子振动而产生的一种散射现象。
在光纤中，光传播时与光纤材料中的分子相互作用，引发分子振动，从而导致光散射。
光纤拉曼散射的强度与温度、光纤材料和光强等参数有关，因此可以用于温度和应变等物理量的测量。
一、光纤拉曼散射的原理当光在介质中传播时，由于介质中的分子振动，光波会受到散射。
这种散射过程可以分为三种类型：瑞利散射、米氏散射和拉曼散射。
其中，拉曼散射是由于入射光与介质中的分子振动相互作用而产生的，其散射光的频率与入射光的频率不同。
在光纤中，当光传播时，会与光纤材料中的分子相互作用，引发分子振动。
这些分子振动会对光波产生散射作用，导致光波的能量减小。
光纤拉曼散射的强度与温度、光纤材料和光强等参数有关。
通过测量拉曼散射光的强度和波长，可以推导出光纤中的温度和应变等物理量。
二、光纤拉曼散射的应用1、温度测量：由于光纤拉曼散射的强度与温度有关，因此可以利用这一特性进行温度测量。
通过测量拉曼散射光的强度，可以推导出光纤中的温度值。
这种测量方法具有高精度、快速响应和分布式测量的优点。
2、应变测量：光纤拉曼散射还可以用于应变测量。
通过测量拉曼散射光的频率漂移，可以推导出光纤的应变值。
这种测量方法具有高精度、抗电磁干扰和分布式测量的优点。
3、分布式传感器：利用光纤拉曼散射的特性，可以制作分布式传感器。
这种传感器可以在一根光纤上连续测量多个点的温度和应变值，具有高精度、高分辨率和长距离测量的优点。
4、光放大器：光纤拉曼散射还被应用于光放大器中。
在光放大器中，拉曼散射光的能量可以提供额外的放大效果，从而提高光放大器的增益和输出功率。
5、光子晶体光纤：光子晶体光纤是一种新型的光纤，其折射率呈周期性分布。
在光子晶体光纤中，拉曼散射光的波长可以被调谐到特定的范围，从而实现高效的光放大或滤波等功能。
光纤的后向散射原理
光纤的后向散射原理
光纤的后向散射原理：光纤传感的测量原理是利用光在光纤中传输能够产生后向散射原理。
即在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，通过脉冲在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波，该光波的状态受到所在光纤散射点的影响而改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，送入信号处理系统便可将信号实时显示出来，并且由光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间可对这些信息定位。
根据光纤传感技术的工作原理所形成的光纤传感器及智能仪器仪表系统，主要包括光源、传输光纤、传感元件、光电探测器和信号处理单元等五个部分。
光源相当于一个信号源，负责信号的发射；光纤是传输媒介，负责信号的传输；传感元件是感知外界信息，相当于调制器；光探测器负责信号的转换，将光纤送来的光信号转关成电信号；信号处理电路的作用是还原外界信息，相当于解调器。
光纤通信中的散射效应
当散射微粒 线度 大于波长时， 发生 的散射 为米 氏散射 。 较 大 的微粒对 光的散射 不遵 从瑞利散射定律 。对于线度大于波
２Ｈ Ｔ ｚ左右） 。散射光 的强度一般只有入射光强度的百万分之
一
或亿分之～（ 图 １ 如 所示） 。
由于散射光与分子振动频率有关 ，而振动频率却与分子 的质量和结构密切相关 ，喇曼散射在物理学上主要用来测量
长无关 。在光纤 中，米 氏散射对应于光纤 结构不完善所 引起 的散射 ， 这些不完善可能是光纤 中的气泡 ， 未发 生反应 的原材
料 及 纤 芯 和 包 层 处 的粗 糙 面 等 。
ｙｅｇ 散射， 两种 散射 效应产生 的散射光与入射光 的频 率 ｌ ｈ） ｉ 这 相 同； 同时也产生布里渊 散射 和喇曼散 射， 时散射光 出现 新 这
光纤中的散射
光纤中的散射
当光通过不均匀介质时会向四面八方传播，这就是光的散射，例如晴朗的天空呈现蓝色，海水也是蓝的，这都是太阳光发生散射的结果（波长较短的蓝光被大气微粒散射）。
同样的，当光在光纤中传输时，由于光纤中折射率分布不均匀，也会发生散射，主要有瑞利散射，布里渊散射与拉曼散射三种形式。
图1 太阳光的散射
图2 光纤中的散射
散射是光波与光纤介质的粒子相互作用的结果。
瑞利散射中，入射光被散射后，波长、频率并未发生变化，是一种弹性散射；布里渊散射中入射光与光纤中声波场发生作用，会出现高于原入射光频率的光和低于原入射光频率的光。
拉曼散射产生的结果与之类似，两者都属于非弹性散射。
分布式光纤传感技术（DOFS）就是通过采集光纤中散射光的信息进行测量的，可以分成如下几类：
表分布式光纤传感技术的分类
目前，OTDR技术发展成熟，多用于集成光路的诊断和光通信网络故障的检测，但受探测光脉冲宽度及空间分辨率与动态范围之间矛盾的限制，难以同时满足较大动态范围和较高空间分辨率，不适用于高精度测量领域。
在温度与应变传感领域，多使用基于布里渊散射的BOTDR、BOTDA及BOFDA技术，其中BOFDA技术最高能实现2cm的空间分辨率，但整个测试系统十分复杂，测量时间较长。
OFDR技术是利用扫频光源相干检测技术对光纤中的光信号进行检测的一项技术，由于不受空间分辨率与动态范围之间矛盾的限制，其同时具备空间分辨率高（光学测量可达10μm），动态范围大，测试灵敏度高等特点，适用于短距离高精度监测领域如光器件内部剖析、土木工程模拟试验、车辆结构研究等。
OCI1500。
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。
布里渊散射及BOTDR原理
实际上，声波在光纤介质中的衰减特性使得布里渊散射 谱具有一定的宽度，且呈现为洛仑兹曲线形态：
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布里渊频移与温度和应变的关系
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光纤中பைடு நூலகம்声速：
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布里渊强度与温度和应变的关系
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频移、光功率随温度、应变的变化：
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布里渊散射光频移会随着温度和光纤应变的上升而线性增加：
fB=fB0+ f TT(℃)+ f εε(με)
布里渊散射光功率会随温度的上升而线性增加,随应变增加而线性下降：
PB=PB0+ P TT(℃)+ P εε(με)
通过测量布里渊散射光频移 和光功率，就可以求得被测 点的温度和应变大小。
微波外差检测的 BOTDR 系统
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谢谢！
1
布里渊散射及BOTDR
学号： 学生：
光纤中的散射
2
布里渊散射
3
力学
分子由于布朗运动产生噪声，其压力差使折射 率变化，对光产生自发散射。
压力差和折射率的周期性变化，光波和声波产 生多普勒效应，使频率发生变化。
量子物 理学
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。
一个泵浦光子吸收成一个声子的能量并转换成 一个新的频率较高的反斯托克斯光子。
自发布里渊传感原理
4
假设光纤的入射光场和光纤中分子热运动引起的周期性压 力扰动分别为：
（1）
（2）
光纤中散射光波场符合下述波动方程：
（3）
（4）
5
将（5）、（6）代入（4），可得
6
（5） （6）
（7）
（8）
联立（1）、（2）和（8）式，可得
简述光纤损耗的原因
简述光纤损耗的原因
光纤损耗是指光信号在光纤中传输过程中逐渐衰减的现象。
光纤损耗的原因可以归结为以下几点：
1. 散射损耗：光信号在光纤中由于与光纤内部材料的微观结构不均匀而发生散射，使光信号逐渐失去能量。
2. 吸收损耗：光信号在光纤中的材料中被吸收，导致光信号的能量损失。
常见的吸收原因包括光纤材料的杂质、材料的禁带宽度等。
3. 弯曲损耗：光纤在弯曲时会发生光信号的减弱，这是因为光信号在弯曲的部分被损耗和散射。
4. 衍射损耗：当光信号通过光纤中的微观结构时，会发生衍射现象，导致光信号的能量损失。
5. 端面反射损耗：当光信号从光纤出射或进入另一个光纤时，会发生一部分光信号的反射，使得能量损失。
为了减少光纤损耗，可以采取以下措施：
1. 优化光纤材料和制备工艺，减少散射和吸收损耗。
2. 使用低损耗的弯曲光纤，减少弯曲损耗。
3. 使用抗反射涂层或其他方法来减少端面反射损耗。
4. 采用信号增强设备或中继站来补偿损耗，延长光纤传输距离。
5. 定期清洁和维护光纤连接器和接头，避免污染和损伤导致的额外损耗。
光纤的散射损耗是指啥
光纤的散射损耗是指啥
光纤的散射损耗是指啥
(一)波导散射损耗
波导散射损耗是因为光纤的不圆度过大构成的，若光纤制成后沿轴线方向构造不均匀，就会发作波导散射损耗。
如今这项损耗现已降低到能够疏忽的程度。
(二)瑞利散射损耗
任何资料的内部组分构造都不或许是彻底均匀的。
因为光纤资料的内部组分不均匀，发作了瑞利散射，构成了光能量的损耗，它归于光纤的本征损耗。
在光纤的制作进程中，光纤资料在加热时，资料的分子构造遭到热骚乱，致使资料的密度呈现崎岖，进而构成了折射率不均匀。
光在不均匀的媒质中传达时，将因为上述要素发作散射。
假定资料构造的不均匀等级抵达了分子等级的巨细，这种因为媒质资料不均匀而发作的散射就称为瑞利散射。
瑞利散射损耗与光波长的四次方成反比，瑞利散射对短波长比照活络，跟着波长的变短，散射系数将很快增大。
研讨标明，在1.3mu;m邻近，这项损耗可达0.3dB/Km，构成了光纤通讯体系作业韶光纤本征损耗中最首要的损耗之一
1。
光纤散射效应
光纤散射效应光纤散射效应是指光纤中光信号在传输过程中发生的散射现象。
光纤散射效应是光纤通信中的一种重要影响因素，它会导致光信号的衰减和失真，从而影响通信质量和传输距离。
光纤散射效应主要包括弹性散射和非弹性散射两种形式。
弹性散射是指光信号与光纤中的杂质、液体或光纤自身的微观不均匀性等物质结构发生碰撞后改变方向而发生的散射现象。
非弹性散射是指光信号与物质结构发生相互作用后，能量发生转移或损失的散射现象。
光纤散射效应的主要原因之一是光纤中的杂质和缺陷。
光纤制造过程中，由于材料和制造工艺的限制，光纤中难免会存在一些不均匀性和杂质。
这些杂质和缺陷会引起光信号的散射，从而降低光信号的传输效果。
光纤本身的结构也会导致光信号的散射。
光纤通常由芯层、包层和包覆层组成，其中芯层是光信号传输的主要部分。
芯层的直径通常只有几个微米，而包层的折射率又比芯层低，这种结构使得光信号在光纤内部发生多次反射，从而引起散射效应。
光纤散射效应的严重程度与光信号的波长有关。
一般来说，波长越短，散射效应越强。
这是因为波长越短，光信号与物质结构发生相互作用的概率越大，从而引起更多的散射。
因此，在光纤通信系统中，选择合适的波长对于降低散射效应至关重要。
为了降低光纤散射效应对光信号的影响，可以采取一系列的措施。
首先，可以通过优化光纤的制造工艺和材料选择，减少光纤中的杂质和缺陷。
其次，可以通过增加光纤的包层厚度或采用抗散射包层材料，减小光信号的散射现象。
此外，还可以选择合适的波长和调制方式，以降低散射效应对光信号的影响。
光纤散射效应是光纤通信中不可忽视的影响因素。
了解光纤散射效应的原理和特点，采取相应的措施来降低散射效应对光信号的影响，对于提高光纤通信的质量和可靠性具有重要意义。
单模光纤中的后向布里渊散射理论模型
一．问题界定与描述1. 受激散射与自发散射在自发散射中，散射的发生是由于材料的光学性质自发微扰而形成的，并且这种自发微扰主要是由于热力学量的随机涨落而形成的。
因此，在自发散射中，认为入射的光场并不影响材料的光学性质。
自发布里渊散射（Spontaneous Brillouin Scattering ，SpBS ）就可能是材料中的压力随机扰动造成的。
在受激散射中，光强足够强以至于能够改变材料的光学性质从而产生比较强的散射。
受激布里渊散射（SBS ）可以描述为：入射光（频率为1ω）与自发产生的散射光（频率为2ω）相干涉产生一个12ωω-的干涉频率项，通过材料的某一物理机制，材料对这一干涉频率项产生响应，该响应可作为声波场的源，激励声波，使得材料的光学性质发生改变，进一步加强散射效果。
2. 受激布里渊散射的机制在SBS 中，有两种物理机制能够使得信号光和散射光干涉之后能够驱动声波。
一种机制是电致伸缩效应；一种机制是光吸收效应。
粗略地讲，电致伸缩效应是指材料在高光强的区域会变得更加密集；而光吸收效应是指材料在高光强的区域会发生膨胀。
由于电致伸缩响应要比光吸收效应要普遍得多，并且在光纤中，光吸收效应可以忽略不计，因此在光纤中，一般只考虑基于电致伸缩效应的SBS 。
3. 前向SBS 和后向SBS在一般的理论描述中，认为在光纤中只有后向的布里渊散射光，而无前向布里渊散射光。
这实际上是不正确的。
在光纤中也存在前向的布里渊散射光。
在本文中我们只讨论后向布里渊散射光。
这样，我们所描述的对象就是光纤中的基于电致伸缩效应的后向布里渊散射。
二．布里渊散射的热力学理论1. 基本理论我们从宏观的热力学理论的角度来讨论材料的光学性质的改变。
热力学量包括密度ρ、温度T 、熵S 、压强P 。
一般认为，温度与密度为一对独立的热力学量，熵与压强为一对热力学量。
对于非混合的材料，材料相对介电常数r ε仅为密度ρ和温度T 的函数，即(,)r r T εερ=。
光纤中散射分解
| q | 2 | k | sin
2
2 n
va sin c 2
后向布里渊频移：
B
2n p va / p
图6 散射波矢的关系图
布里渊散射的增益谱
温度 光纤温度传感器
光纤应力传感器
B 2n p va / p
应力
波长
？？？
布里渊增益谱
( B / 2) 2 g B ( ) g 0 ( B ) 2 ( B / 2) 2
功率被转化为后向散射光，产生受激布里渊散射(SBS)过程。
布里渊散射的物理机制
虚态
hv0
hv
振动态
虚态
hv0 hΩ
振动态 低能态 低能态
hv
hΩ
图4 斯托克斯光子的产生示意图
图5 反斯托克斯光子的产生示意图
一个泵浦光子湮灭产生一个斯托克斯(或反斯托克斯)光子和一个声学声子，散射 过程能量和动量守恒。
光纤中光散射
瑞利散射
布里渊散射
拉曼散射
光通信工程研究中心
Part瑞利散射
Lord John William Rayleigh，英国物理学家， 在
声学、波的理论、光学、光的散射、电力学、电
磁学、水力学、液体流动理论方面都做出了不可 磨灭的贡献，1904年，他因发现了惰性元素氩（
瑞利(1842-1919)
其中， 是光纤总的损耗系数，W是光脉冲宽度，S是俘获系数， L是光纤长度，m=4.55(单模光纤)
瑞利散射的定量描述
图3 基于瑞利散射的光时域反射计(OTDR)
后向瑞利散射功率：
P ( L) S
R P0 e 2L (1 e W )
光纤中受激布里渊散射
在光纤中传播的光波，其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会发生散射。
光纤中的散射过程主要有三种：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，它们的散射机理各不相同。
其中，布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，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。
在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。
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，其相对于入射光的频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系。
由于构成光纤的硅材料是一种电致伸缩材料，当大功率的泵浦光在光纤中传播时，其折射率会增加，产生电致伸缩效应，导致大部分传输光被转化为反向传输的散射光，产生受激布里渊散射。
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，这就是受激布里渊散射（SBS）。
相对于光波而言，声波的能量可忽略，因此在不考虑声波的情况下，这种SBS过程可以概括为频率较高的泵浦光的能量向频率低的斯托克斯光转移的过程。
光纤_拉曼散射__解释说明
光纤拉曼散射解释说明1. 引言1.1 概述本篇文章将详细讨论光纤中的拉曼散射现象及其在光通信中的应用。
光纤是一种能够传输光信号的非常重要的传输介质，它具有低损耗、高带宽和抗干扰等特点，因此在信息传输领域得到了广泛应用。
而拉曼散射作为一种重要的光学效应，在光通信领域也具有着重要的意义。
1.2 文章结构本文共分为五个部分进行探讨。
首先是引言部分，对文章的主题进行概述和解释。
接下来第二部分将详细介绍光纤的定义、制作工艺以及其在各个领域中的应用。
第三部分将介绍拉曼散射的原理和基本概念，并探讨其在光通信中的应用情况以及未来发展方向。
第四部分将解释说明光纤中出现拉曼散射现象的机制和起因，并探讨影响其强度和频移的因素，以及如何利用该现象进行信息传输和信号放大。
最后结论部分将总结本文的主要内容和取得的研究成果，并展望光纤拉曼散射领域的未来发展趋势。
1.3 目的本文旨在解释和阐述光纤中的拉曼散射现象，并探讨其在光通信中的应用。
通过深入分析光纤和拉曼散射相关理论知识，以及探讨其实际应用案例，目的是为读者提供对该主题更全面深入的了解，并对光纤拉曼散射领域未来的发展方向提出展望和建议。
2. 光纤2.1 定义与特点光纤是一种由高折射率的质量中心（称为“光芯”）和低折射率盖层（称为“包层”）组成的细长物体。
其主要特点包括高带宽、低损耗、较高的传输容量、抗电磁干扰和轻便灵活等。
2.2 光纤的制作与结构光纤的制造通常涉及将玻璃或塑料材料加工成具有核心和包层的细丝。
制造过程中，首先通过拉伸和降温，将玻璃或塑料预制棒成为细丝，然后利用化学蒸镀或涂布技术在其中形成核心和包层。
核心具有高折射率以催化光信号传输，而包层则能使光信号沿着核心保持传播。
2.3 光纤的应用领域由于其优良的特性，光纤在许多领域得到了广泛应用。
其中最重要的领域是光通信，它使得大量数据可以以极快速度通过远距离进行传输。
此外，光纤还被应用于医学、军事、传感器技术和工业等领域中的实时图像传输、激光器、测量设备以及信号放大等方面。
光纤中的光散射
d
PB_cw L
s Beff expgB B
P0 _ cw Aeff
Leff
gB PcrLeff 21 Aeff
Pcr
21Aeff gB Leff
布里渊散射旳应用
• 布里渊激光器 • 布里渊光放大器 • 布里渊光传感器
• 慢光效应，偏振牵引效应
光纤中旳Raman散射
RotationVibration bands
ωs
ω0
ωas
Frequency
Brillouin Stocks
kA
kp θ
ks
B p s
kA kp ks
B Va kA 2Va kp sin / 2
光纤中布里渊频移：
B
B
2
2nVa
p
ω0B
B
VaB
B
ωsB
B
自发声场可看作是沿光纤轴以光速Va向前或
向后运动旳光栅
ωasB
B
VaB
B
ω0B
B
p s
gR I pIs
pIp
Is L Is 0exp gR I0Leff s L
Leff
1
p
1 exp
pL
SRS 阈值：
g R Pcr Leff Aeff
16
拉曼散射旳应用
• 拉曼激光器 • 拉曼光放大器 • 拉曼传感器
Stokes
Anti-Stokes
Rayleigh
Raman
Brillouin
Brillouin
ω0
Raman ω
光纤中旳两种非弹性散射：
Brillouin散射：光子与声学声子（Acoustic Phonon）旳能量转换 Raman散射 ：光子与光学声子（Optical Phonon）旳能量转换
7光纤中的光散射(课堂PPT)
PB_cw(L)
exp g B
0
P0 _ cw Aeff
Leff
d
PB_cw L
2~p t 2
'2
~p t
v22~p
0
~p peiqzt c.c.
2 i ' q2 v2q2 0
2020/4/25
(r, t) ei(q.rt) c.c.
10
入射光
E(r,t)
E ei(k.r t ) 0
c.c.
极化强度变化
P(r,
t)
(r,
t)E(r,
t)
1 4E04ei
(( k
E
Core
Backward Rayleigh
Cladding
瑞利散射是一种弹性散射，其散射光的频率与入射光的 频率相同。
极化强度： P 0 E D 0E P 0 (1 )E ( )E
2020/4/25
5
B 0 E B 0
t D 0 H D 0
t
关于电场强度E的方程
ω0
散射介质
Stokes
Anti-Stokes
Rayleigh
Raman
2020/4/25
Brillouin
Brillouin
ω0
Raman
3
ω
光散射的起源
• 介质光学特性的波动
~
~
介电常数
自发散射 受激散射
2020/4/25
4
。
Rayleigh散射
Cladding
Incident light
0
2E t 2
2E
E
ln(
)
0
2
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其中， 是光纤总的损耗系数，W是光脉冲宽度，S是俘获系数， L是光纤长度，m=4.55(单模光纤)
瑞利散射的定量描述
图3 基于瑞利散射的光时域反射计(OTDR)
后向瑞利散射功率：
P ( L) S
R P0 e 2L (1 e W )
0 L W 2
L
P ( L) S
慢变振幅近似，忽略各二阶导数项和声波传播项，
泵浦脉宽达100ns或更宽，稳态理论研究
瞬
态 理 论
泵浦光脉冲的宽度为几十ns或更小时
SBS阈值特性
SBS的阈值功率是指输出的斯托克斯光功率与泵浦光功率相等时,输入端泵浦光功率
与脉冲宽度、光纤类型、光 纤长度及温度有关
拉曼散射
拉曼散射（Raman scattering），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。又称拉曼效应。1923 年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年， 印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变 的现象,因光散射方面的研究工作和喇曼效应的发现，获得了1930 年度的诺贝尔物理学奖。
布里渊(1854-1948)
布里渊散射：布里渊散射的本质是入射光与声学声子相互作用的非弹性散射。分 为自发布里渊散射和受激布里渊散射。
光纤中自发布里渊散射的物理模型
自发布里渊散射：在常温状态下光纤中的原子、分子或离子因自发热运动作连续 弹性力学振动，形成了光纤中的自发声波场。沿光纤方向的声振动使得光纤的密 度随时间和空间周期性变化，从而使得光纤上的折射率被周期调制。这种自发声 波被看作是沿光纤运动着的光栅。当泵浦光射入光纤中时，将会受到“光栅”的 “衍射”作用，产生自发布里渊散射光。 向前向后都有散射 只有向后散射 (应用于BOTDR) （应用于BOTDA） 受激布里渊散射：当进入光纤的入射光泵浦功率超过某一阈值时，光纤内产生的电 致伸缩效应，使得沿光纤产生周期性形变或弹性振动，即光纤中产生了相干声波， 该声波沿其传播方向使光纤折射率被周期性调制，从而形成了一个以该声速运动的 折射率光栅 ，使入射光产生散射，散射光频率下移，当满足波场相位匹配时，声 波场得到极大增强，从而使光纤内的电致伸缩声波场和相应的散射光波场的增强大 于它们各自的损耗，将出现声波场和散射光场的相干放大，从而导致大部分传输光
图8 斯托克斯光子的产生示意图
低能态
图9 反斯托克斯光子的产生示意图
一个泵浦光子湮灭产生一个斯托克斯(或反斯托克斯)光子和一个光学声子， 散射过程能量和动量守恒。
拉曼增益谱
在连续或准连续条件满足的情况下，斯托克斯波的初始增长可描 述为：
g R 是拉曼增益系数，与自发拉曼辐射的截面积有关，更准确地说 ，与三阶非线性极化率的虚部有关。
三种散射对比
表2 三种散射的比较 瑞利散射 布里渊散射 拉曼散射 光子与光学 声子相互作 用 电致伸缩， 密度不均匀 光子与声学 物理机制 ，弹性散射 声子相互作 用
频移量
0
11GHz左右
10THz左右
约比瑞利散 射光功率小 40-60dB
约比瑞利散 约比入射光 相对强度 射光功率小2 功率小30dB 0-30dB 分布式光 纤传感应 OTDR 用 BOTDR，B OTDA
| q | 2 | k | sin
2
2 n
va sin c 2
后向布里渊频移：
B
2n p va / p
图6 散射波矢的关系图
布里渊散射的增益谱
温度 光纤温度传感器
光纤应力传感器
B 2n p va / p
应力
波长
？？？
布里渊增益谱
( B / 2) 2 g B ( ) g 0 ( B ) 2 ( B / 2) 2
ROTDR
三种散射频率分布示意图
功率被转化为后向散射光，产生受激布里渊散射(SBS)过程。
布里渊散射的物理机制
虚态
hv0
hv
振动态
虚态
hv0 hΩ
振动态 低能态 低能态
hv
hΩ
图4 斯托克斯光子的产生示意图
图5 反斯托克斯光子的产生示意图
一个泵浦光子湮灭产生一个斯托克斯(或反斯托克斯)光子和一个声学声子，散射 过程能量和动量守恒。
图10 拉曼散射增益谱
gR
拉曼阈值
拉曼阈值定义：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，
耦合振幅方程:
表1 光纤非线性散射的物理特性
参数 频移 拉曼(Raman) 13.2THz 布里渊(Brillouin) 11 GHz
带宽
增益系数10-11 m/W 散射功率比(与瑞利)/dB
图1 光纤中光散射示意图
瑞利散射的物理机制
虚态
hv
hv
基态
图2 瑞利散射的量子力学表示示意图
量子力学: 实际跃迁是通过某一虚能级的两个虚跃迁过程 来完成的，它使一个能量为 hv 的入射光子湮灭而同时产 生一个能量与入射光子相同的散射光子。
瑞利散射的定量描述
瑞利散射导致的损耗系数 R CR / 4
拉曼(1888-1970）
拉曼散射
光(量)子与晶体分子振动、转动、各种元激发相互作用而引起的非弹性散射. 入射光与光纤自身的光学声子相互作用，或吸收声子，转换为频率较高的散射光，
或发射声子，转化为频率较低的散射光。
拉曼散射的物理机制
虚态 虚态
hv0
hv
元激发态 元激发态 低能态
hv0 hΩ
hv
hΩ
Ar）而荣获了该年度的诺贝尔物理学奖。
瑞利散射：尺度远小于入射光波长的粒子所产生的散射现象，该 散射的散射光波长等于入射光波长, 无频率变化（无能量变化， 波长相同），是一种弹性光散射。
瑞利散射的物理机制
光纤中的瑞利散射：是一种基本损耗机制，是由于在
制造过程中光纤密度的随机涨落引起折射率的局部起 伏，使得光向各个方向散射。
有一个很宽的频率范围（达40THz） ，在13THz附近有一个较宽的峰。 与大多数介质中在特定频率上产生拉曼散射 的情况相反，石英光纤的拉曼增益可以在一 很宽的范围内连续地产生，由于这一特性， 光纤可用于宽带放大器。
1064nm m g R ( p ) ( )(1.0 1013 ) g (1550nm) 7.0 1014m / W R p W
R P0 e W (1 e 2L )
NA 1 S n m 0
W 2
2
布里渊散射
路易.马赛尔.布里渊 (Marcel Brillouin，1854- 1948)， 法国物 理学家和数学家，布里渊散射是布里渊于1922年提出，可以研 究气体，液体和固体中的声学振动。
光纤拉曼温度传感器
反斯托克斯光强随温度变 化而变化
光纤拉曼激光器
高拉曼增益宽范围可用于可调 谐光纤激光器
光纤拉曼放大器示意图
ROTDR
可调谐光纤拉曼激光器 示意图
基于光纤Raman散射的分布式传感技术
利用反斯托克斯光强随温度变化而变化，斯托克斯光强和瑞利散射光强与温度 变化几乎无关的特性，通过反斯托克斯光强与后两者之一的对比就可以实现对 光纤的分布式温度传感。 基于拉曼散射的光纤传感器可以分为拉曼光时域反射计(ROTDR)和拉曼光频域反 射计(ROFDR)两种。 ROTDR 利用脉冲光进行传感，通过OTDR 原理进行定位并通过探测脉冲光在光纤 中的拉曼散射的反斯托克斯光与斯托克斯光的功率之比来确定光纤沿线的损耗和 温度分布情况。 ROFDR 利用OFDR 技术获得光纤沿线拉曼散射的反斯托克斯光与斯托克斯光的功 率之比，从而确定光纤沿线的损耗和温度分布情况。 基于拉曼散射的全分布式光纤传感技术主要用于温度传感，该技术已有较为 成熟和实用的应用产品。温度测量精度最高可达0.1 ºC，空间分辨率最高可 达0.lm。
～5THz
～7×10-3 ～40-60
～20-100 MHz
～5 ～20-30
温度灵敏度/℃
频移温度灵敏度MHz /℃ 强度灵敏度/ 应变灵敏度MHz/
～0.8%
— — —
～0.3%
1.1 -9×10-4% 0.048
光纤中拉曼散射应用
光纤拉曼放大器
拉曼增益在很宽范围内连续地 产生，光纤可用于宽带放大器
单位(dB/km)
对于1.55um处，损耗系数在0.12-0.15dB/km范围内
光纤中后向瑞利散射的功率：
P ( L) S
P ( L) S
R P0 e 2L (1 e W )
L
W 2
R P0 e W (1 e 2L )
2
0 L
W 2
NA 1 S n m 0
光纤中光散射
瑞利散射
布里渊散射
拉曼散射
光通信工程研究中心
Part瑞利散射
Lord John William Rayleigh，英国物理学家， 在
声学、波的理论、光学、光的散射、电力学、电
磁学、水力学、液体流动理论方面都做出了不可 磨灭的贡献，1904年，他因发现了惰性元素氩（
瑞利(1842-1919)
B B / 2 (FWHM)
2 2 2 n 7 p12 g 0 g B ( B ) 2 c p 0 a B
(增益峰值)
图7 沿光纤长度分布的布里渊增益谱
g0 5 1011 m / W (增三波耦合方程：