布里渊散射现象及其在光纤中的应用
发布时间：2023-11-10 10:26:32 阅读数： 378
布里渊散射是介质非线性效应的一种，特别是与声学声子相关的延迟非线性响应。本文将详细介绍布里渊散射的基本原理、频移与带宽、在光纤中的自发与受激散射现象，以及其在光相位共轭和光纤激光器中的应用，并探讨了数值模拟布里渊散射的可能性和实际应用。
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布里渊散射的基本原理
当光子通过非线性介质时，可能会转化为能量略低的散射光子和一个声子，通常这种散射是反向传播的。光场与声波通过电致伸缩效应相互作用。
自发与受激布里渊散射
即使在低光功率下，布里渊散射也可以自发发生，反映了热力学产生的声子场。通常，只有很小一部分入射光以这种方式被散射。
对于更高的光功率，存在一种受激效应，其中光场显著地增加了声子种群。在介质中光束的某个阈值功率以上，受激布里渊散射可以反射入射光束的大部分功率。这个过程涉及到反向波的强非线性光增益：原本微弱的逆向传播波在适当的光频率下可以被强烈放大。
布里渊频移与带宽
反射光束的光频率略低于入射光束的频率；频率差对应于发射声子的频率。这种所谓的布里渊频移由相位匹配要求决定。对于纯反向布里渊散射，布里渊频移可以从折射率 n ，声速 v 和真空波长 λ 计算得出：
在光纤中的布里渊散射，必须使用有效折射率。
布里渊频移取决于材料组成，以及在一定程度上取决于介质的温度和压力。这些依赖性被用于光纤传感器。
布里渊散射仅在有限的带宽内发生，例如在硅光纤中约为100 MHz的顺序（这是光频率的极小部分）。它取决于涉及的声波的阻尼时间（声子寿命），但也可以不均匀增加，例如当光纤放大器中的活性光纤沿长度变化温度时。
正向与反向布里渊散射
在光纤中，布里渊散射基本上只在反向发生。然而，由于声波导波管的效应，也可能发生较弱的正向布里渊散射。
光相位共轭与布里渊散射
受激布里渊散射的一个重要应用是光相位共轭。例如，用于高功率Q开关激光器的相位共轭镜可以使激光晶体中前向和后向的热畸变彼此抵消。
光纤中的受激布里渊散射
当在光纤放大器中放大窄带光信号（例如来自单频激光器）或仅通过被动光纤传播时，经常会遇到受激布里渊散射（SBS）。虽然例如硅的材料非线性实际上并不是非常高，但典型的小有效模式面积和长传播长度极大地有利于非线性效应。
对于几公里长的光纤，毫瓦功率就足以引起显著的布里渊散射。然而，对于这种长度的光纤，必须考虑传播损失，这些损失对泵浦波和布里渊波都有实质性影响。
对于硅光纤，布里渊频移大约在10-20 GHz的顺序，布里渊增益具有典型的50-100 MHz的固有带宽，这是由强声吸收（声子寿命大约10 ns的顺序）决定的。然而，由于各种效应，如声学相速度的横向变化或沿长度的温度变化，布里渊增益谱可能被强烈“涂抹”。
布里渊增益可以用于操作布里渊光纤激光器。这些设备通常作为光纤环激光器制造。由于共振器损耗低，它们可以具有相对较低的泵浦阈值和非常小的线宽。
布里渊频移的温度依赖性可以用于温度和压力传感（→光纤传感器）。
布里渊散射的数值模拟
可以数值模拟光（例如在光纤中）在布里渊散射影响下的传播。然而，这在技术上是相当困难的，因为它涉及到反向传播的光波，并且取决于它们的详细频率谱。此外，计算时间可能相当长。
然而，在大多数实际情况下，没有必要进行全面的数值模拟来回答相关问题。通常的核心问题是布里渊散射是否会对光传播产生实质性影响，即引起实质性的非线性背向散射——而不是在变得实质性的那个范围内究竟会发生什么。这个核心问题通常可以用相当简单的方式回答。可以模拟不考虑布里渊散射的传播，然后计算得到的布里渊增益。如果超过大约90 dB，可以预期会有显著的布里渊散射。
