什么是布里渊散射?

布里渊散射是由布里渊提出来的,在1922年从理论上预言由热激声波引起的光散射。1964年的一天,R.Y.Chiao等人将He-Ne激光打进各种液体中,第一次在实验中观察到受激布里渊散射;


基础概念:光纤中的散射过程主要有三种,分别是布里渊散射、拉曼散射与瑞利散射。其中布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时互相作用而产生的散射。布里渊散射是一种非弹性散射(光的散射频率不等于入射频率),经过散射后会发生频移,称为布里渊频移,散射可以分为自发布里渊散射和受激 布里渊散射,而受激布里渊散射往往建立在自发布里渊散射的基础上。

产生散射的过程:一束频率为w的泵浦光通过光纤由于电致伸缩效应,产生弹性声波。弹性声波会使光纤折射率在时间和空间上发生周期性改变,可看做是一个动态光纤光栅。泵浦光受声子对光栅调制,产生ws的相干声波,同时产生频率为wp 的散射光波又称为Stokes光。受激布里渊散射的过程实质可描述为,一个泵浦光子的湮灭,同时产生了一个散射光子和一个声学声子,该过程相互作用的量子间同时满足能量和动量守恒定律。

基于受激布里渊散射的光纤激光器的结构:泵浦光进入到光纤放大器中进行光放大,放大后的泵浦光经环形器耦合进环形谐振腔。高非线性光纤用来产生后向散射的Stokes光。Stokes光经耦合器C1分束,一部分从一端口出射,作为输出;另一部分继续在环形腔里振荡。为了保证在环形腔内往返传播的光的相干性,在环形腔中插入偏振器件,控制腔内光波具有相同的偏振态,实现由布里渊泵浦光到Stokes光的线宽压缩。

什么是布里渊散射?_第1张图片

在光纤激光器中作用的机理:当入射到光纤中的泵浦光功率达到一定值后,纤芯中的自发布里渊散射会转化成与泵浦光功率强相关的 SBS。此时 SBS 的产生机理可从光纤的电致伸缩效应角度解释,如图所示:一开始,前向行进的泵浦光在光纤中激发电致伸缩效应产生声波,声波致使纤芯的折射率被周期性地调制,产生与泵浦光行进方向一致的移动布拉格光栅,于是有一部分泵浦光会被移动的布拉格光栅后向散射。由于多普勒效应,后向散射光的频率相对前向 行进的泵浦光频率产生了下移(频移量即为声波的频率),成为新的Stokes 光。另外,当 后向散射的 Stokes 光和前向行进的泵浦光在纤芯中互相干涉时,又会激发更强的电致伸 缩效应。这样,当泵浦光的功率增大时,更多的 Stokes 光会被散射回去与泵浦光形成更强的干涉(光纤的电致伸缩效应更强),继而产生更强的移动布拉格光栅,更强的移动布拉格光栅又会散射更多的 Stokes 光,如此形成了一个不断加强的循环过程,直至达到平衡。
什么是布里渊散射?_第2张图片

参考文献:《面向气体探测应用的窄线宽光纤激光器研究》浙江大学 尹韬策博士论文

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                  《光纤激光器线宽压缩机制研究》长春理工大学 李岩岩

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