受激布里渊散射(SBS)原理及优化
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)。
非线性光纤光学第九章-受激布里渊散射
调制不稳定性和混沌：当两反向传输的泵浦波同时出现时， 即使它们的强度都未能达到布里渊阈值，也能发生另一种 不稳定性，这种SBS感应的调制不稳定性类似于XPM感 应调制不稳定性 ；根据泵浦的不同，斯托克斯功率表现为 周期性或准周期性振荡，并最终变为混沌 。
5. 布里渊光纤激光器
连续（CW）运转的布里渊激光器
环形腔结构可以提高泵浦功率，使阈值降低，可用于高精度 激光陀螺仪中
分束器 定向耦合器 透镜 斯托克斯波 扫描光谱分析仪 泵浦波
激光器
图9.18 光纤布里渊环形激光器的示意图，定向耦合器将泵浦光束注入环 形腔内
F-P腔结构的布里渊激光器同时存在前向和后向传输的泵浦 波和斯托克斯波分量，不仅能通过级联SBS过程产生更高级
在稳态条件下，这两项为零，方程简化为前面最初的方 程。
弛豫振荡：在达到稳定值时，有弛豫振荡现象；如果存在 外反馈，弛豫振荡会转变为稳定振荡 。
解释：在光纤输入端附近，斯托克斯波的迅速增大消耗了大 量泵浦波，导致增益下降，直到泵浦波的消耗部分从光纤出 来，增益才重新恢复。上述过程重复进行形成了振荡。
近似相等
As 1 As 2 As i As 2 Ap z vg t 2
2
A i A Q
i 2 Q Q 1 vA B i B Ap As* t z Aeff 2
声波振幅
说明：以上方程只考虑到SPM和XPM效应，没有考虑色散！
本 章 小 结
1、SBS特点 增益带宽窄（约10GHz），这说明SBS效应被约束在 WDM系统的单个波长信道内 功率阈值与光源线宽有关，光源线宽越窄，功率阈值越低
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
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。
光纤的sbs效应 -回复
光纤的sbs效应-回复光纤的SBS效应（Stimulated Brillouin Scattering）是指当光传播在光纤中时，光与光纤中的声波相互作用，导致声波的产生和光波的频谱偏移。
这一效应在光纤通信领域中具有重要的意义。
光纤的SBS效应首先是由法国物理学家雷昂·布里渊（Leon Brillouin）在20世纪50年代首次发现和描述的。
首先，我们来了解一下SBS效应的基本原理。
光纤用来传输光信号的核心是光的传输，而传输的光信号具有一定的能量和频率。
当光波在光纤中传输时，光波会与光纤中的声波产生相互作用。
这种相互作用会使得光波的能量转化为声波的能量，并且光波的频率也会发生变化。
这种频率变化就是SBS效应。
那么，光纤中的声波是如何产生的呢？光纤中的声波实际上是由光波的能量转化而来的。
当光波与光纤中的介质发生相互作用时，光波的能量会转化为介质中的声波。
这个过程是通过声子-光子相互作用实现的。
声子是介质中的一种准粒子，它代表了介质中的振动模式。
当光波与声子相互作用时，能量会从光波转移到声子上，从而产生声波。
当声波产生后，它会与光波发生反向散射，导致光波的频谱发生改变。
这种散射是通过布里渊散射实现的。
布里渊散射是一种非线性散射过程，它发生在光波与介质中存在声波时。
在布里渊散射过程中，光波的频率发生变化，而散射光的能量可以迅速地转移到声波上。
接下来我们探讨一下光纤的SBS效应对光通信系统的影响。
随着光通信技术的快速发展，光纤通信系统的传输容量越来越大，同时光纤中的光强也越来越高。
这种高强度的光波会增加SBS效应的强度，从而导致光信号的失真和损耗。
当光纤中的功率达到一定阈值时，SBS效应的影响就会变得明显。
SBS效应的影响主要表现在两个方面：频谱扭曲和系统损耗。
频谱扭曲是指光波的频率发生变化，导致光信号的频谱形状发生畸变。
这种频谱扭曲会导致光信号的频率特性发生变化，从而影响到光通信系统的传输性能。
非线性效应(SBS)
Stokes
Anti-Stokes
Rayleigh
Raman
Brillouin
Brillouin
ω0
Raman ω
光纤中的两种非弹性散射：
Brillouin散射：光子与声学声子（Acoustic Phonon）的能量转换 Raman散射 ：光子与光学声子（Optical Phonon）的能量转换
声子是对固体内部分子或离子在其平衡位置附近量子化振动状 态的形象描述
入射光
E(r,t)
=
E ei(k.r −ωt ) 0
+
c.c.
极化强度变化
ΔP(r, t) = Δε (r, t)E(r, t) = Δ1ε4E04ei(4(k4+q)2.r−(4ω+Ω4)t)4+4c3.c. + Δ1ε4E04ei(4(k4−q)2.r−(4ω−Ω4)t)4+4c3.c.
anti − Stokes
∞ ηω
−∞
⎡ exp ⎢ g B
⎢⎣
ω0
−ω
P0 _ cw Aeff
Leff
⎤
⎥dω
⎥⎦
( ) ( ) PB_cw L
⎡
= ηωs Beff exp⎢gB ΩB
⎢⎣
P0 _ cw Aeff
Leff
⎤ ⎥ ⎥⎦
g B Pcr Leff ≈ 21 Aeff
Pcr
≈
21Aeff g B Leff
布里渊散射的应用
−
∇2E
−
∇[E
⋅ ∇ ln(ε
+
Δε
)]+
μ0
∂
2
(ΔεE)
∂t 2
1550nm光传输相关技术介绍.
一、SBS（受激布里渊散射）
SBS 是一个物理现象，即入射光在光纤中被转换成后向散射的斯 托 克 斯 光 ，使 前 向 传 输 的 信 号 光 被 非 线 性 地 衰 减 ，而 后 向 传 输 的 光 可 能 返回发送机引起输出光功率的波动，形成噪声。SBS 是一个光波与声 波的参数作用过程，被声子散射的入射光转换成一个频率较低的 Stokes 光 。
一 般 建 议 光 放 大 器 的 输 入 光 功 率 在 +3~+6dBm。
Le － 有 效 相 互 作 用 长 度 ， 按 如 下 公 式 计 算 ： Le = (1－e)αL / α ， 其 中：α －光纤长度， L－光纤长度
∆fB － 光 纤 的 SBS 增 益 带 宽 ， 取 20～ 100MHz
∆fD － 为 扩 大 SBS 门 限 功 率 在 激 光 器 上 加 抖 动 调 制 后 激 光 器 平 均 光 谱宽度
因此，必须使每一段光纤的入射功率不大于光纤的 SBS 门限，该 门限用如下公式计算：
PSBS = 21AeK 1 （1＋ ∆fD ) GBLe ∆fB （ 公 式 1）
光纤中受激布里渊散射的性能分析
凡 二 , - rc, x
的光信噪比 ( OSNR ) 和光纤的非线性效应。 了一个斯托克斯光子和声学声子。由于散射
在典型的光纤参数下，其峰值增益8e0' 5xio-"m/w， 全半宽度。 - 50 M v, Hzo
2
光纤中 5 日 闻值的理论估算 5
SBS 作为一种非线性效应， 它在光纤中
I , 别 处Yrn=KPf"I吩a小SR a. , A 分 R RR
统对OSN日的要求。 实际系统中信号光为准连续光， 它具有
一定的带宽， 而且采用的光纤一般为非保偏
0 50 10 0 150 200 2 50 300
一 0 5 3
40 0
45 0
5 50
光 因 在 算 纤， 而 估 SBS闭 时， 式 的时 值 公 中 应取为 se=嵘 [(1+A v刊， 里K为 振 /K v,lA 这 偏 因 1! 子( 5K<2 )。 考 偏 影 时pcn约 当 虑 振 响
于光通信中继站的建设和运行成本较高且有 一定的风险， 因此建设与电力特高压输电相 配套的长跨距无中继光纤通信线路具有非常 重要的现实意义。 无中继光纤通信系统的性能受制于系统 对长跨距的无中继系统，由于传输距离的增 加， 为满足系统要求的OSNR, 必然要求增加 系统的入纤功率。由于光纤较小的芯径， 较 大的入纤功率必然导致较强的非线性效应的 产生， 而受激布里渊散射SBS效应具有最低 的产生闭值。为了抑制SBS 效应的影响， 系
有3 dB 的提升 ( 取K=2 )。采用大信号带宽 的光源或采用内调制方式可以达到提升光纤 5日 阑值的目的， S 但信号传输过程中光纤固 有的色散效应必然会引起系统传输性能的恶
受激布里渊散射
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
6
二、收养制度的历史沿革
（一）古代法中的收养制度
收养制度由来已久，早在父系氏族社会就为当 时的习惯所确认； 进入阶级社会以后，收养制度具有 了一定的法律形式，成为不同时代、不同国家的亲属 制度、家庭制度的重要组成部分。
在中国古代的宗法制度下，立嗣是收养的一种特 殊形式，立嗣的宗旨是为了承继宗祧，它同近、现代 的收养有着严格的区别： 1、按照礼、法的规定 ，只有男子无后才能立嗣，同时所立 者也仅限于男子； 2、嗣子的地位高于他种收养的被收养人 3．立嗣行为可由需立嗣者在生前进行，亦可在其死后，由 配偶或其他尊长代为立嗣。 4．立嗣的条件是很严格的。
13
（五）在法定情形下放宽收养条件的特别规定
1、关于收养三代以内同辈旁系血亲的子女的规定 《收养法》第7条第1款指出：“收养三代以内同辈旁
系血亲的子女，可以不受本法第4条第3项、第5条第3项、 第9条和被收养人不满14周岁的限制。”按此规定，在收 养兄弟姊妹的子女、堂兄弟姊妹的子女、表兄弟姊妹的子 女时，条件放宽之处有四：第一，其生父母无特殊困难、 有抚养能力的子女，亦可为被收养人。第二，无特殊困难、 有抚养能力的生父母，亦可为送养人。第三，无配偶的男 性收养女性，不受收养人与被收养人间须有40周岁以上年 龄差的限制。第四，可以收养年满14周岁的未成年人。
收养人的年龄应当相差40周岁以上。” 第二，《收养法》第10条第2款规定：“有配偶者收养子女，须夫妻共
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。
受激布里渊散射效应应用
受激布里渊散射效应应用受激布里渊散射效应，听起来有点高深，但别担心，我们可以轻松聊聊这玩意儿。
这是一种非常有趣的物理现象，涉及到光和声的互动，听起来像魔法一样吧？想象一下，当光线穿过某种介质，比如水或玻璃，光子与声子相互作用，产生了新的光子，甚至改变了它们的频率。
就像在一场派对上，光子们跳着舞，突然有些光子变得不一样，带着新的节奏和气氛。
你可能会想，这个东西有什么用呢？嘿，别急，这个效果在科技领域可是大显身手的。
受激布里渊散射可以用来制造高灵敏度的传感器。
比如说，科学家们通过这个效应来测量温度、压力甚至应力。
就像是给物体装上一个“听力器”，它能捕捉到那些微小的变化，真是让人惊叹呀。
在通信技术中，这个效应帮助我们提升光纤的传输能力。
说白了，它能让网络变得更快、更稳定，简直是现代生活的“隐形英雄”。
咱们得说说它在激光技术中的应用。
激光，这个光芒四射的家伙，常常被拿来做各种炫酷的事情。
受激布里渊散射效应在激光放大器中发挥了关键作用，让激光更强、更纯。
想象一下，你在夜空下看烟花，激光就像那绚丽的烟花，瞬间点亮整个天空。
这个效应就像是激光的“助推器”，让它能在竞争激烈的科技世界中脱颖而出。
再聊聊医疗领域，受激布里渊散射也是个了不起的家伙。
医生们使用这个效应进行光学成像，能在不侵入的情况下观察到身体内部的情况。
就好像给身体装上一个透明的窗户，医生们能清晰地看到里面的每一个细节。
想象一下，这种技术能够帮助诊断各种疾病，简直是为人类的健康保驾护航。
真是让人感慨，科技的进步真是不可思议！受激布里渊散射在材料科学中也是一位“大咖”。
科学家们通过这个效应可以研究材料的结构和性能，甚至探索新的材料。
就像是一位艺术家在画布上挥洒自如，创造出美丽的作品。
材料的微观世界在它的帮助下逐渐揭开神秘的面纱，为我们带来了更多可能性。
新材料的出现就像是为生活增添了无限的可能，真让人兴奋不已。
咱们不能忘了这个效应在声学中的应用。
受激布里渊散射可以帮助我们分析声波的传播，理解声音是如何在不同介质中传播的。
布里渊散射现象与应用研究
布里渊散射现象与应用研究布里渊散射是一种重要的光学现象，它在很多领域中都有广泛的应用。
本文将探讨布里渊散射的基本原理以及其在通信、传感和光纤激光器等领域中的应用研究。
一、布里渊散射的基本原理布里渊散射是指当光在光纤中传播时，与光纤中存在的声子引起的光子-声子相互作用而发生的散射现象。
它具有三个主要特点：首先，布里渊散射是一种非弹性散射，能量和动量并不守恒；其次，布里渊散射是共振性的，只有当光子频率和声子频率满足一定的共振条件时，才会发生散射；最后，布里渊散射是自发的，不需要外部激励。
布里渊散射产生的机制是基于光子与光纤中的声子发生能量和动量交换。
当光子频率与声子频率满足布里渊共振条件时，光子会被声子散射，并改变自己的能量和动量。
这种散射过程会导致光子的频率发生变化，即产生新的频率为原频率加或减声子频率的散射光子。
同时，声子的频率也会发生偏移，这被称为声子多普勒偏移。
二、布里渊散射在通信领域中的应用研究通信领域是布里渊散射最重要的应用之一。
在光纤通信中，布里渊散射扮演着两个重要角色：信号衰减和非线性效应的产生。
布里渊散射引起的信号衰减是光纤通信中的一大挑战，尤其是在长距离传输中。
这种衰减限制了信号的传输距离和数据传输速率。
因此，研究布里渊散射对信号的影响，优化光纤设计和信号放大技术，是提高光纤通信性能的关键。
另一方面，布里渊散射还可以用于光纤传感领域。
由于布里渊散射对温度和应变等外界物理参数敏感，利用它进行光纤传感已成为一种重要的测量手段。
光纤布里渊散射传感可以实现对光纤周围环境的实时监测，广泛应用于油田、地震监测、结构健康监测等领域。
例如，通过测量布里渊散射光的频移，可以精确测量温度的变化，实现光纤温度传感。
三、布里渊散射在激光器中的应用研究布里渊散射也是激光器中一个重要的非线性效应。
在光纤激光器中，布里渊散射导致的反馈作用可以改变激光器的工作特性。
布里渊散射反馈不仅可以提高激光器的输出功率和效率，还可以改变激光器的谱线特性。
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=。
受激布里渊散射与激光诱导击穿的组合式脉冲压缩技术
受激布里渊散射与激光诱导击穿的组合式脉冲压缩技术汇报人：日期:•引言•受激布里渊散射原理•激光诱导击穿原理•组合式脉冲压缩技术•实验设计与结果分析目•研究结论与展望录01引言研究背景与意义受激布里渊散射（SBS）是一种光学非线性现象，其研究对于深入理解光与物质相互作用机制具有重要意义。
激光诱导击穿（LIB）是一种强光与物质相互作用的过程，具有重要应用价值，如激光点火、激光烧蚀等。
SBS与LIB的组合式脉冲压缩技术可以实现高能量、高峰值功率的脉冲输出，对于深入研究和开发新型激光技术具有重要价值。
目前，对于SBS与LIB的研究已取得一定进展，但在组合式脉冲压缩技术方面仍存在一些挑战和问题。
现有的组合式脉冲压缩技术尚不能实现高能量、高峰值功率的脉冲输出，且在光束质量、稳定性和可靠性等方面存在不足。
发展新型的组合式脉冲压缩技术，以实现高能量、高峰值功率脉冲输出，并提高光束质量、稳定性和可靠性，是当前研究的热点和难点。
研究现状与发展02受激布里渊散射原理当强激光在透明媒质中传播时，由于激光的电场作用，媒质中的分子会发生极化，极化后的分子会随时间产生周期性振荡，并对外辐射电磁波，这种辐射的波长与激光波长相同或比激光波长长，这就是受激布里渊散射。
受激布里渊散射是一种非线性光学效应，它与激光的强度、频率和波长等因素有关。
受激布里渊散射的物理机制利用受激布里渊散射可以实现光信号的放大和再生，提高通信系统的传输距离和速率。
受激布里渊散射的应用领域光学通信通过测量受激布里渊散射光的强度和频率变化，可以对媒质中的折射率、温度、压力等参数进行高灵敏度的传感。
光学传感利用受激布里渊散射可以实现激光雷达的远程探测和成像，适用于目标跟踪、环境监测等领域。
激光雷达受激布里渊散射的影响因素激光强度越高，受激布里渊散射效应越明显。
激光强度媒质性质脉冲宽度激光频率媒质的折射率、热光系数、分子极化率等物理参数都会影响受激布里渊散射的效应。
非线性效应(SBS)
光纤中的非线性效应受激非弹性散射自相位调制(SPM) 非线性折射率 交叉相位调制（XPM）非线性极化参量过程（四波混频）光纤中的非线性效应受激布里渊散射受激非弹性散射光场把部分能量传 递给介质， 是一个有能量交换 的过程 受激拉曼散射光散射Incident beamω0散射介质Stokes RayleighAnti-StokesBrillouinBrillouinRaman ω0Raman ω光散射的起源• 介质光学特性的波动⎛ ∂ε ⎞ Δε ~ = ⎜ ~ ⎜ ∂ρ ⎟ ⎟Δρ ⎝ ⎠介电常数自发散射 受激散射。
Rayleigh散射Cladding Incident light 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 = ε 0 χED = ε 0 E + P = ε 0 (1 + χ )E = (ε + Δε )E∇⋅B = 0 ∂B ∇× E + =0 ∂t ∇⋅D = 0 ∂D =0 ∇× H − ∂t关于电场强度E的方程∂ 2 (ΔεE ) ∂2E 2 =0 μ0ε 2 − ∇ E − ∇[E ⋅ ∇ ln(ε + Δε )] + μ0 2 ∂t ∂t假设入射光场E的时间变量的复数形式为e‐iωt∇ E + ∇[E ⋅ ∇ ln(ε + Δε )] + μ 0εω (1 +2 2Δεε)E = 0∂2E Δε ( z ) 2 + ( 1 + )E = 0 μ εω 0 2 ∂z ε传输常数β2E = E0 e i β z + ψ ( z , β ) e − i β z前向传输光 后向散射光后向散射方程∂ 2ψ ∂ψ 2 Δε ( z ) 2 iβ z 2 Δε ( z ) − 2iβ +β ψ =0 E0e + β 2 ∂z ∂z ε εψ ( z , β ) − ψ (0, β ) ≈β E02i∫zΔε (ζ )0εe 2iβζ dζ瑞利散射是介电常数随机波动的一种傅里叶变换形式。
双包层掺铥光纤放大器中的受激布里渊散射
第 17 卷 第 1 期中国光学（中英文）Vol. 17 No. 1 2024年1月Chinese Optics Jan. 2024文章编号 2097-1842（2024）01-0226-12Stimulated brillouin scattering in double-cladthulium-doped fiber amplifierLIU Qing-min1,2，SUN Hui-jie2，HOU Shang-lin1,2 *，LEI Jing-li2，WU Gang2，YAN Zu-yong2（1. College of Electrical and Information Engineering, LanzhouUniversity of Technology, Lanzhou 730050, China；2. School of Science, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China）* Corresponding author，E-mail: houshanglin@Abstract: In this paper, the effect of Stimulated Brillouin Scattering(SBS) on the laser output performance in a 2 µm thulium-doped fiber amplifier was analyzed theoretically. The optical mode distribution, the effective refractive index, the effective mode field area, and the normalized frequency of the double-clad thulium-doped fiber at 793 nm pump wavelength and 1.9−2.1 µm laser waveband were studied. The stimulated Bril-louin scattering characteristics, including the Brillouin frequency shift and the Brillouin gain spectrum, in the double-clad thulium-doped fiber were numerically simulated in the laser waveband of 1.9−2.1 µm. The influ-ence of stimulated Brillouin scattering on the laser output performance of thulium-doped fiber amplifiers was investigated using the theoretical model of stimulated Brillouin scattering in gain fibers. In the DTDF-10/130 double-clad thulium-doped fiber, a continuous wave with power of 100 W and wavelength of 793 nm is used as a pump to amplify a continuous signal wave with wavelength of 2 µm and power of 0.01 W. The maxim-um output powers of the signal wave are 25.27 W, 31.08 W and 34.06 W when the pump power filling factors are 0.01, 0.02 and 0.03, respectively. The corresponding optimal double-clad fiber lengths are 2.66 m, 2.02 m and 1.75 m. Additionally, the Stokes optical powers generated by the stimulated Brillouin scattering are 1.68 W, 1.39 W and 1.14 W, respectively. The results show that the double-clad fiber with large pump power filling factor in the thulium-doped fiber amplifier can effectively reduce the fiber length, thus to min-imize the influence of stimulated Brillouin scattering on the output power of the signal laser. The numerical model can optimize the fiber length of the fiber amplifier, which is of great significance to improve experi-mental efficiency and reduce experimental costs.Key words: stimulated brillouin scattering; double-clad; thulium-doped fiber; amplifier收稿日期：2023-05-16；修订日期：2023-05-29基金项目：国家自然科学基金（No. 61665005）；兰州理工大学红柳一流学科发展计划资助项目Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61665005); HongLiu First-class DisciplinesDevelopment Program of Lanzhou University of Technology双包层掺铥光纤放大器中的受激布里渊散射刘庆敏1,2，孙慧杰2，侯尚林1,2 *，雷景丽2，武 刚2，晏祖勇2（1. 兰州理工大学 电气工程与信息工程学院, 甘肃 兰州 730050；2. 兰州理工大学 理学院, 甘肃 兰州 730050）摘要：理论分析了波长为2 µm的掺铥光纤放大器中受激布里渊散射（SBS）对激光输出性能的影响，研究了双包层掺铥光纤在793 nm的泵浦波长和1.9~2.1 µm的激光工作波段的光模分布、有效折射率、有效模场面积和归一化频率，数值计算了在1.9~2.1µm的激光工作波段双包层掺铥光纤中的布里渊频移和布里渊增益谱等SBS特性。
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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
Click to add Title 受激布里渊散射
Click to add Title 测试 方法
优化方法及结论
引言 SBS测试的意义
发生受激布里渊散射后，产生的受激布里渊 散射光对入射光会造成串扰；对激光器产生 干扰作用。
(1)
E
( 2)
E E
( 3)
2
3
.பைடு நூலகம்..]
散射：散射分子或原子相互接近时，由于双方具有很强的相互 散射 斥力，迫使它们在接触前就偏离了原来的运动方向而分开。是 一种由传播介质的不均匀性引起的光线向四周射去的现象。
受激的 散射过程
引起光散射的介质的某种扰动（通常是介电常数），是由于光场的 存在通过非线性效应引起的。
消除干扰，必须清楚其产生原因，则弄清什 么是受激布里渊散射以及如何减小受激布里 渊散射对我们的影响，尤为重要。
光纤的非线性
光场
介质
极化
偶极子
电磁波
总光场
叠加
极化强度和电场强度的关系可以描述为： 线性： P 0 E 非线性： P 0 [ 参量过程 非参量过程：分子振动或声子参与起主动作用，不仅入射光场之间相 互耦合，而且入射光场与物质激发态之间也存在耦合，如SBS。
测试过程一
测试过程二
FW方法加载方波
加入同一幅度方波，改变频率，结果如下：
加波前
10mV 2kHz
10mV 5kHz
10mV 10kHz
10mV 50kHz
10mV 100kHz
结论：频率对SBS的阈值功率影响较大，在某一频率时，阈值功率越大；但频率对眼图 劣化几乎无影响。
FW方法加载方波 加入频率固定方波，改变幅度，结果如下：
结论
加入方波、正弦波，SBS阈值光功率均 有所提高，但加入方波，DP相对较小；
加入方波、正弦波，眼图会劣化，为了 平衡，则需要选取恰当的幅度和频率。
改变Iea，在某一值处，SBS阈值光功 率最大，DP最小；但改变Iea对SBS阈 值光功率的影响无加入波形明显。
加波前 DP=3.75
40mV 0.5kHz 100kohm DP= 3.81
40mV 1kHz 100kohm DP= 4.05
40mV 2kHz 100kohm DP= 3.6
40mV 4kHz 100kohm DP= 3.74
结论：频率对SBS的阈值功率影响较大，在某一频率时，阈值功率越大；频率对眼图劣 化几乎无影响。
杨宗纬唱歌好有感觉哦 加波前
10mV 2.5kHz
20mV 2.5kHz
30mV 2.5kHz
40mV 2.5kHz
50mV 2.5kHz
结论：幅度变化对SBS的阈值功率影响不大，但幅度愈大，眼图劣化愈严重。
硬件方法加载方波 加入方波，改变频率，幅度不变，结果如下：
加波前 DP=3.75
40mV 0.5kHz 100kohm DP=3.74
为了使光纤放大器的高输出功率能够有效地注入 单模光纤，必须提高SBS门限功率。目前最能实 现的方法是对信号光源作附加调制或对外调制器 附加调相，使入射光的谱宽增大。 改变Bias，使激光的折射率发生变化，而使入 射光谱宽增大。 改变Iea，使激光的啁啾发生变化，而使入射光 谱宽增大。
测试方法
光环形器 光环形器的作用就是可实现在一根光纤中 利用同一波长的双向传输。 光环形器的作用就是可实现在一根光纤中 利用同一波长的双向传输。
40mV 2kHz 100kohm DP=3.53
40mV 2kHz 200kohm DP=3.59
结论：幅度变化对SBS的阈值功率影响不大，但幅度愈大，眼图劣化愈严重，加入 2kHz的方波，DP最小。频率、幅度综合考虑，加入40mV 2kHz 100kohm最佳。
硬件方法加载正弦波
加入正弦波，改变频率，幅度不变，结果如下：
加入正弦波，改变幅度，频率不变，结果如下：
加波前
40mV 2kHz 50kohm DP=3.67
40mV 2kHz 100kohm DP= 3.6
40mV 2kHz 200kohm DP=3.46
结论：幅度变化对SBS的阈值功率影响不大，但幅度愈大，眼图劣化愈严重,DP越 大；频率、幅度综合考虑，加入40mV 2kHz 100kohm的方波最佳。
40mV 1kHz 100kohm DP=3.53
40mV 2kHz 100kohm DP=3.41
结论：频率对SBS的阈值功率影响较大，在某一频率时，阈值功率越大；频率对眼图劣 化无影响，但频率越大，DP越小。
硬件方法加载方波
加入频率固定方波，改变幅度，结果如下：
加波前 DP=3.75
40mV 2kHz 50kohm DP=3.74
PSBS 42
B
1
g
B
A L
eff
B
eff
P
B
g 为布里渊增益系数， Aeff 为纤芯有效面积、Leff 为有效作用长度
2 纤芯有效面积：Aeff S o （ S 为单模光纤模场半径）） 有效作用长度（即泵浦光与斯托克斯光相互作用长度）与光纤的单
0
位长度衰减系数 和光纤长度L有关,
受激散射的物理机制
频率为Vin的入射光子与介质相互作用，可以发射一频率为 s in 的光子和一个频 率为 的光学支声子，也可能吸收一个频率为 的声子而产生一个频率为 s in 的光子。
斯托克斯光（ s in ）
反斯托克斯光（
主要原因
由于入射光功率很高， 由光波产生的电磁伸缩 效应在物质内激起超声 波，入射光受超声波散 射而产生的。 SBS可以描述为： 由于在较长的光纤中发射 激光，如果超过某个临界 功率，则由于线宽和光纤 类型的原因，可能会发生 强烈的反射，从而导致在 光纤的反射端观测到的功 率达到最大极限值。
SBS的阈值光功率：
s in
）
受激布里渊散射
由于光子和分子的相互作用，当入射光过强时，光纤的二氧化硅 晶格产生光散射，形成频率偏移散射波，入射光的部分能量转给了后 向散射光。绝大部分输入光功率转换为后向散射的斯托克斯光波，这 一非线性过程称为受激布里渊散射SBS(Stimulated Brillouin Scattering)。