什么是非线性散射损耗（Nonlinear Scattering Losses）？

光纤中的散射损失是由于材料密度的微观波动、成分的变化和结构异质性或光纤制造过程中可能出现的缺陷造成的。主要有两种类型的散射损失：线性散射损失和非线性散射损失。

非线性散射损耗导致光在高光功率水平下通过光纤时出现不均匀的衰减。在光纤中，模式指的是可以在光纤中传播的不同空间和偏振分布的光波。在前向或后向，光功率从一个模式转移到不同频率的其他模式，会导致非线性散射损失。它取决于光纤内的光功率密度，只有在超过阈值功率水平时才变得重要。

受激布里渊散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS）是两种不同类型的非线性散射。这两种散射主要是在长单模光纤的高光功率密度下观察到的，因为光和声波之间的相互作用长度增加，导致更多的能量损失。

这些散射机制导致了伴随着频移的光增益。因此，它们有助于在特定波长的光的传输中产生衰减。

受激布里渊散射

图1：受激布里渊散射

受激布里渊散射是一个非线性散射过程，当光与介质中的声波相互作用时就会发生。由于这种相互作用，能量从入射光线转移到声波上，导致密度光栅或衍射光栅的产生，这是光纤芯的折射率的周期性调制。SBS的结果是，由于光纤内部的热量引起的分子振动而导致光的调制。这导致散射光以上下边带的形式出现，与入射光通过调制频率分开。在这个过程中，入射的光子会产生一个声频的声子和一个散射的光子。由于声波形成的衍射光栅的运动，这在入射光束和散射光束之间产生了一个频率偏移，称为斯托克偏移。由于声波的频率随声波波长的变化而变化，这种位移随散射角的变化而变化。SBS主要是一个向后的过程，因为频率偏移在向后的方向上是最高的，在向前的方向上逐渐减少到零。

刺激性布里渊散射的阈值功率PB由以下公式给出：
 

其中d代表光纤芯的直径，单位是微米；λ表示工作波长，单位是微米；αdB表示光纤衰减，单位是分贝/公里；ν表示源带宽，单位是千兆赫。这个公式决定了在发生SBS之前必须发射到单模光纤中的阈值光功率。

光纤中SBS的阈值功率通常从几瓦到几十瓦不等，这取决于光纤的特性和具体应用。

散射光的强度与入射光强度的平方成正比。SBS只有在高光功率下才是重要的，因为非线性效应在这里占主导地位。

受激拉曼散射

图2：受激拉曼散射

受激拉曼散射是一种非线性散射，当入射光与介质中分子的振动模式相互作用时，就会发生这种散射。这导致能量从入射光转移到介质的振动模式，导致散射损失。入射光将是一束具有特定波长的高强度激光。这个高强度的激光束导致能量从激光束转移到介质的分子上，并产生散射光束。散射光的频率比入射光的频率低。刺激拉曼散射与SBS相似，但其区别在于在散射过程中产生高频光声子而不是声声子。

受激拉曼散射显示在图1中。这里的橙色线条描述了入射的高频光子的转变。它被激发，然后以较低的频率重新发射光子。这些新的下移的光子被称为斯托克斯光子。它们在光纤中向前和向后传播，在特定的光纤中，它可能需要一个明显的高光功率阈值，比布里渊阈值高三个数量级。

在一根长的单模光纤中，受激拉曼散射的阈值光功率，PR，由以下公式给出：
 

其中d是光纤芯的直径，λ是工作波长，αdB是光纤的衰减，单位是分贝/千米。

受激布里渊散射的应用

受激布里渊散射可用于光纤传感应用，以检测温度、应变、压力和其他物理参数。通过测量布里渊频率的变化，可以确定物理参数的变化。

它可用于信号处理应用，如窄带过滤、脉冲压缩和相位共轭。通过使用SBS产生受激布里渊散射镜，信号的相位和振幅可以被逆转。

SBS通过使用布里渊位移为激光器提供一个参考频率，用于稳定激光频率。这项技术通常用于高精度的光谱学应用。

它也可用于光通信，以补偿由光纤色散引起的信号失真。使用SBS在光纤中产生一个向后传播的波，失真可以得到纠正。

SBS被用来研究各种非线性效应。例如，SBS可以用来研究光纤中孤子的动态。

受激拉曼散射的应用

受激拉曼散射被广泛用于拉曼光谱学中，以确定材料的化学成分。通过分析发射光子的频率和强度，可以确定样品中的化学键和功能团。

SRS被用于光学显微镜，对生物组织和细胞进行成像。通过选择性地激发样品中的拉曼活性分子，SRS可以提供具有高空间和时间分辨率的无标签图像。

它是非线性光学的一个重要现象，已被用于研究不同的非线性效应。它被用来产生具有高光谱带宽的超短激光脉冲。

SRS可用于光纤通信系统，以延长传输距离和提高数据速率。使用SRS使传输光的波长发生偏移，信号可以被传输到更远的距离而不会出现明显的信号衰减。

SRS还可用于将激光的频率转换为更高或更低的频率。这项技术被广泛用于基于激光的应用，如激光冷却、频率加倍和频率转移。