拉曼散射与布里渊散射

拉曼散射与布里渊散射

拉曼散射和布里渊散射都属于非弹性散射，它是光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效应。非弹性散射的一个特点就是它的散射频率不等同于入射频率。

布里渊散射

布里渊散射是泵浦光子、斯托克斯光子与声子间的相互作用，其过程是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。不过与此同时，一个泵浦光子也可以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。受激布里渊散射的具体过程是：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。

布里渊散射在分布式光纤传感器、光纤陀螺、光纤相位共轭镜、布里渊放大器等领域有重要的应用。受激布里渊散射光纤陀螺的基本原理是：经过分束的两束激光沿不同的方向在光纤环中传播，其产生的SBS光的频率与系统三角速度有关，测量SBS光的拍频，即可得到系统的角速度。

拉曼散射

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。其物理意义是入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。拉曼散射光谱中同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关，只和样品的振动转动能级有关；斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。拉曼散射分为两种，表面增强拉曼散射与共振拉曼散射。共振拉曼散射是当一个化合物被入射光激发，激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡然增加，这个效应被成为共振拉曼散射。表面增强拉曼散射是当一些分子被吸附到某些粗糙的金属，如金、银或铜的表面时，它们的拉曼谱线强度会得到极大地增强，这种不寻常的拉曼散射增强现象被称为表面增强拉曼散射效应。

拉曼散射技术可以提供快速、简单、可重复、无损伤的物质定性定量分析。由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品。共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。重要的拉曼散射技术有单道检测的拉曼光谱分析技术、以CCD为代表的多通道探测器、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术、共振拉曼光谱分析技术等。

利用拉曼散射还可以制成拉曼光纤放大器，该放大器的物理实现方法是：受激拉曼散射将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上；如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可以得到放大。根据增益介质的不同，又可分为分布式拉曼放大器（DRA）和分离式拉曼放大器（LRA）。

利用拉曼散射进行样品分析的技术，不需要对样品进行前处理，也没有样品的制备过程，避免了一些误差的产生，并且在分析过程中操作简便，测定时间短，灵敏度高等优点。以下将介绍两种利用拉曼光谱进行物质分析的技术。

应用激光光源的拉曼光谱法：激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特性，与表面增强拉曼效应相结合，便产生了表面增强拉曼光谱。其灵敏度比常规拉曼光谱可提高104~107倍，加之活性载体表面选择吸附分子对荧光发射的抑制，使分析的信噪比大大提高。已应用于生物、药物及环境分析中痕量物质的检测。共振拉曼光谱是建立在共振拉曼效应基础上的另一种激光拉曼光谱法。共振拉曼效应产生于激发光频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时，这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度可达到正常拉曼谱带的104~106倍，有利于低浓度和微量样品的检测。已用于无机、有机、生物大分子、离子乃至活体组成的测定和研究。激光拉曼光谱与傅里叶变换红外光谱相配合，已成为分子结构研究的主要手段。

电化学原位拉曼光谱法：是利用物质分子对入射光所产生的频率发生较大变化的散射现象，将单色入射光(包括圆偏振光和线偏振光) 激发受电极电位调制的电极表面，通过测定散射回来的拉曼光谱信号(频率、强度和偏振性能的变化)与电极电位或电流强度等的变化关系。一般物质分子的拉曼光谱很微弱，为了获得增强的信号，可采用电极表面粗化的办法, 可以得到强度高104-107倍的表面增强拉曼散射(Surface Enahanced Raman Scattering, SERS) 光谱, 当具有共振拉曼效应的分子吸附在粗化的电极表面时, 得到的是表面增强共振拉曼散射(SERRS)光谱, 其强度又能增强102-103倍。电化学原位拉曼光谱法的测量装置主要包括拉曼光谱仪和原位电化学拉曼池两个部分。拉曼光谱仪由激光源、收集系统、分光系统和检测系统构成，光源一般采用能量集中、功率密度高的激光，收集系统由透镜组构成，分光系统采用光栅或陷波滤光片结合光栅以滤除瑞利散射和杂散光以及分光检测系统采用光电倍增管检测器、半导体阵检测器或多通道的电荷藕合器件。原位电化学拉曼池一般具有工作电极、辅助电极和参比电极以及通气装置。为了避免腐蚀性溶液和气体侵蚀仪器，拉曼池必须配备光学窗口的密封体系。在实验条件允许的情况下，为了尽量避免溶液信号的干扰，应采用薄层溶液(电极与窗口间距为0.1～1mm) ，这对于显微拉曼系统很重要，光学窗片或溶液层太厚会导致显微系统的光路改变，使表面拉曼信号的收集效率降低。电极表面粗化的最常用方法是电化学氧化- 还原循环，一般可进行原位或非原位ORC处理。

布里渊散射激光雷达探测技术研究

布里渊散射激光雷达探测技术研究 【摘要】基于布里渊散射的激光雷达探测技术是一种新型的探测技术，已经在大气国防、环境监测、气象保障、等领域受到越来越多的关注。在20km以下，较长波长的激光能分辨出更明显的布里渊频移，利用该频移，可进行空气中隐身目标的探测。此外，还可以用布里渊信号来精确测量大气不同高度的温度、压强等物理参数。 【关键词】激光雷达；布里渊散射；频移；高度 引言 激光雷达在目标跟踪与识别，导航制导、大气探测等领域发挥着重要作用。常规的激光雷达是通过测量目标的反射回波信号幅度来获得目标的参数信息，近年来，基于调频的探测方法越来越受重视，特别是瑞利、布里渊散射探测技术在星载、机载大气探测系统中的成功应用，已显示出高灵敏度、高信噪比，探测系统结构简单，适用范围广等优点。马泳等人用大气布里渊散射来探测大气温度，该方法测量大气温度的不确定度小于0.4256K[1]。用探测布里渊散射频移信号来探测水下隐身目标，该方法不是探测隐身目标本身的回波信号，而是通过探测隐身目标周围环境的布里渊信号变化来发现和跟踪隐身目标。实验证明基于布里渊散射的探测方法具有很好的反隐身性[2]。大气层内飞行器周围大气温度低、高压、气体分子扰动剧烈，存在很强空气激波等特征，这些特征使利用隐身飞行器周围大气布里渊散射来探测隐身目标成为可能。 用布里渊散射来探测水下隐身目标时，水中发生的布里渊频移约为7.5GHz，用高光谱分辨率探测器能直接分辨出布里渊散射频移信号，在探测点附近有目标时，布里渊信号消失或变得极不明显，无目标时无此现象[3]。在大气中，由于散射介质和水中不同，大气布里渊散射频移大约在 1.03～1.3GHz，以目前的技术很难把布里渊信号和瑞利信号分开，这给利用布里渊散射进行大气探测带来了很大困难，我们首次提出通过预先建立大气布里渊散射模型，然后借助模型对实际探测信号进行布里渊特征频谱分析来探测大气中的隐身目标。 1.大气布里渊散射理论基础 大气布里渊散射和水的布里渊散射的原理相同，只是介质不同，根据布里渊散射探测水下隐身目标的实验结果：当激光探测点附近存在隐身目标时，布里渊峰会消失或变得不明显，无目标时，布里渊峰比较稳定的对称分布在瑞利峰的两侧。在大气高度小于20km的标准大气中，激光波长越长，两侧对称的布里渊峰越明显；温度越低，压强越大，布里渊峰越明显。在同一波长条件下，离海平面越近，布里渊峰越强。这些特征不仅使利用大气布里渊散射探测20km以下的空中隐身目标成为可能，而且更有利于海面上的隐身舰船等目标的探测。20km及以上，由于压强急剧下降，空气气体分子密度小，不同激光波长的布里渊散射峰变得不明显，且几乎隐藏在瑞利散射谱内，不利于隐身目标的探测。

受激布里渊散射对光纤传输系统特性的影响

光　通　信　技　术V o l.23 O PT I CAL　COMM U N I CA T I ON　T ECHNOLO GY N o.1 中国电信技术类核心期刊 受激布里渊散射对光纤传输系统特性的影响α 王晖　谢世钟　谢　涌　吴小萍　孙成城　周炳琨(清华大学电子工程系北京100084) 摘要　受激布里渊散射(SB S)是光纤传输系统中一种重要的非线性效应,它限制了光纤中的光功率。文中主要讨论了SB S的阈值特性与光源静态线宽及光源调制类型的关系,并通过实验进行了验证。同时,还研究了SB S效应对系统误码率特性的影响。所得结果可为系统设计工作中考虑SB S的影响提供一定依据。 关键词　受激布里渊散射　光纤传输系统 Effect for Character istic of Optica l F iber Tran s m ission Syste m due to Sti m ula ted Br il-lou i n Sca tter i ng W ang Hu i,X ie Sh izhong,X ie Y ong,W u X i aop i ng,Sun Chengcheng, Zhou B i ngkun Tsi nghua Un iversity,Be ij i ng100084 Abstract　Sti m u lated B rillou in Scattering(SB S)one of i m po rtan t non linear op tical ef2 fects in op tcal fiber tran s m issi on system,it li m its the op tical pow er that can be tran s m it2 ted th rough fiber.In th is p aper,the relati on sh i p of SB S th resho ld characteristic w ith linew idth of ligh t sou rce and m odu lati on typ es w as talked abou t,and w as app roved by exp eri m en ts.A t the sam e ti m e,w e have investigated the effects fo r b ite ero r rate charac2 teristic of system due to SB S. Keywords　Sti m u lated b rillou in scattering　Op tcal fiber tran s m issi on system 1　引言 在长距离光纤通信系统中,大功率半导体激光器和掺铒光纤放大器(ED FA)被广泛使用,使得传输线路中的光功率提高到很高的水平,最高点可达到50甚至100mW,这就可能导致产生各种光纤非线性效应,对系统传输质量产生较大影响。其中受激布里渊散射(SB S)因阈值较低,在窄线宽情况下可能达到仅仅几个mW的量级,而对系统的影响最大[1]。 SB S是一种在光纤内发生的非线性过程,一旦光纤中传输的光功率超过布里渊阈值,SB S将把部分输入功率转换为后向斯托克斯波,造成传输光强不稳定,从而引入噪声,影响接收灵敏度,而且SB S带来泵浦消耗,使接收端功率远小于无SB S效应时的功率,极大地恶化系统传输特性[2]。因此,在光通信系统中,必须保证进入光纤的功率低于SB S阈值。 本文研究了光源为连续光(C W)及光源 α

受激布里渊散射相位共轭激光组束规律的研究

第14卷　第3期　2002年5月 强激光与粒子束 H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S V o l.14,N o.3　 M ay,2002　 文章编号:100124322(2002)0320353204 受激布里渊散射相位共轭激光组束规律Ξ 丁迎春,　吕志伟,　何伟明 (哈尔滨工业大学光电子技术研究所,黑龙江哈尔滨150001) 摘　要:　提出了一种新的SBS激光组束的方法。此方法中,一束按时间分布的激光脉冲序列作为泵浦光 从SBS放大池的一端入射,另一束Stokes频移种子光从SBS池的另一端入射,Stokes种子光在SBS池的相互 作用区提取泵浦光能量。研究了组束效率和输出脉宽随脉冲串个数、间隔和泵浦功率密度等的变化规律。研究 结果表明种子注入型泵浦脉冲串的受激布里渊散射相位共轭组束是一种高效的组束方法。 关键词:　相位共轭;受激布里渊散射;组束效率;脉冲串 中图分类号:O433.5 文献标识码:A 受激布里渊散射是最早被证明能够产生相位共轭的非线性光学技术。从此人们进行了大量的SB S应用的研究,其中包括利用SB S相位共轭技术进行激光组束的研究[1～4]。这种研究的目的是把多束激光合并成具有均匀波前的单一相干光束。文献报道SB S相位共轭激光组束得到标定能量,打破了传统的由单一激活介质得到的最大能量的限制[5]。SB S相位共轭激光组束有两种方法,一种是重叠耦合组束,另一种是后向注入种子光组束。在重叠耦合组束中,多束入射光交叉在SB S波导中或者是SB S池的远场相互作用区。在这种情况下所有光束的布里渊声场都是共同的,导致了Stokes输出光束是入射光束的共轭。也就是说在重叠耦合组束中不仅入射光束的相位彼此锁定(即在两光束间建立起固定的位相关系),而且两光束间的相对位相被共轭,返回光束有零的相位延迟。在后向注入种子光组束中,把一束与入射光方向相反的种子光注入到被组束的入射光束的相互作用区,种子光束的功率低于SB S的峰值功率,尽管如此,但它也比通常激发共轭光束的任意声场噪声的自发辐射要大,所以只要控制种子光束的相就可以控制Stokes输出光束的相。也就是说,在后向注入种子光组束中,SB S返回光(Stokes输出)的位相被外部提供的低功率的种子光束锁定。在以上两种组束方法中,两束激光要同时到达SB S池,因此调整精度要求较高;多束激光同时入射到SB S池,使得这种组束方法不能承受大能量负载;组束效率较低,为了弥补上述组束方法的不足,我们研究了串脉冲的SB S相位共轭组束。 F ig.1　Physical model of beam com binati on by sti m ulated B rillouin scattering 图1　SBS相位共轭组束的物理模型 1　理论模型 1.1　物理模型 图1是串脉冲的SB S相位共轭组束的物理模型。在SB S放大器模型中,泵浦脉冲串从z=L处入射到放大池,Stokes种子从z=0处入射到放大池,Stokes种子光与泵浦脉冲串在放大池中相互作用,Stokes种子光束从泵浦脉冲串提取能量并从z=L处出射。 1.2　数学模型 斯托克斯场和抽运场由麦克斯韦波动方程描述,介质中的声波场由纳维2斯托克斯(N avier2Stokes)能量传 Ξ收稿日期:2001204205;　修订日期:2002201215 基金项目:1999年教育部“跨世纪优秀人才培养计划”基金;国家863惯性约束聚变领域资助课题;国家自然科学基金(60088001)资助作者简介:丁迎春(19662),女,副教授,哈尔滨工业大学物理电子学专业博士研究生,现从事非线性光学方面的研究。

散射原理

散射原理 透射光强为l l h K e I e I I α-+-==0)(0 h ：散射系数 K ：吸收系数 α：衰减系数（实际测量中得到的） 散射是指电磁波通过某些介质时，入射波中一部分能量偏离原来传播方向而以一定规律向其他方向发射的过程。散射可以用电磁波理论和物质电子理论解释：入射的电场使粒子中的电荷产生振荡，振荡的电荷形成一个或多个电偶极子，它们辐射出次级的球面波，因为电荷的振荡与入射波同步，所以次级波与入射波有相同频率，且有固定的相位关系。在大气散射过程中，散射粒子的尺度范围很大，从气体分子（约10-4μm ）到气溶胶（约 1μm ）、小水滴（约 10μm ）、冰晶（约 100μm ），以及大雨滴和雹粒（约 1cm ）。通常以尺度数α = 2π/λ作为判别标准，其中r 为粒子半径，λ为波长。按α的大小可以将散射过程分为三类： (1) α << 1，即 r < λ 时的散射，称为 Rayleigh 散射或分子散射； (2) 1< α < 50，即 r ≈ λ 时的散射，称为 Mie 散射或大颗粒散射； (3) α > 50，即 r>> λ 时的散射，属于几何光学散射范畴。 对于大气中的粒子（假设是各向同性的），散射光分布型式相应于入射光方向 是三维空间对称的，依赖于尺度数 α，其典型情况如图 3.1 所示

图3.1 三种尺度粒子的散射强度的角分布型式 Rayleigh 散射和 Mie 散射的实质，都是大气分子或气溶胶粒子在入射电磁波作用下激发，而产生振动的电偶极子或多极子，并以粒子为中心向四周辐射出与入射波频率相同的散射波，都属于弹性散射。 瑞利散射 瑞利散射解释了大气中气态分子的光学特性，根据瑞利的观点，天空的蓝色是由于大气中圆形、各项同性的、密度大于周围介质、且大小远远小于波长的粒子的散射造成的。 瑞利散射理论的提出是基于以下几个假设条件 （1）粒子尺寸远远小于光的波长，一般 r ≤ 0.03λ时，就认为满足条件。注意这里不包括尘埃、阴霾、以及一些其他粒子，这类粒子的散射特性有其他的理论支撑，如米式散射； （2）粒子处于非电离状态，在大气层中除了电离层之外，大气层的大部分区域均满足这一条件； （3）粒子的折射系数和周围介质的折射系数之间的差异较小； （4）粒子满足各项同性是最简单的一种瑞利散射情况，但是大气中的 N2和 O2 基本不满足各项同性，这也是简单的瑞利散射理论和观测结果之间出现差异的原因之一； （5）光的频率不能引起粒子的共振，如果光的频率能够引起粒子的共振的话，那么散射光的强度会非常大。对于大气中的可见光和长波是不存在这一问题的，因为大部分粒子尺寸都不满足这一条件，但是对于某些稀有气体则会出现这一现象。 米氏散射特点： （1）散射光强与偏振特性随散射粒子尺寸变化 （2）散射光强随波长的变化规律是与波长 λ的较低幂次成反比，即n I λθ1)(∝，其中n 的具体取值取决于微粒尺寸。 （3）散射光的偏振度随λr 的增加而减小，r 为散射粒子的线度，λ是入射光波长。 （4）当散射粒子的线度与光波长靠近时，散射光强度对于光矢量振动平面的对称性被破坏，随悬浮微粒线度增大，沿入射光方向的散射光强将大于逆入射光方向的散射光强。当微粒线

单模光纤中受激布里渊散射阈值研究

文章编号:025827025(2005)0420497204 单模光纤中受激布里渊散射阈值研究 沈一春,宋牟平,章献民3,陈抗生 (浙江大学信息与电子工程学系,浙江杭州310027) 摘要　分析和讨论了受激布里渊散射(SBS )阈值计算的Smith 模型和K üng 模型,研究了更为准确估算光纤中布里渊散射阈值的方法,通过布里渊增益系数与光纤长度的关系,发现对于较短长度光纤,其布里渊增益系数随着光纤长度变化范围较大,仅在长距离光纤时,布里渊增益系数才可以近似为常数。实验测量了25km 单模光纤的受激布里渊散射阈值,推导出用布里渊时域反射仪(BO TDR )测量受激布里渊散射阈值计算公式,最后用布里渊时域反射仪测量了不同长度光纤受激布里渊散射阈值,实验结果与理论分析吻合。关键词　光电子学;单模光纤;布里渊时域反射仪;受激布里渊散射中图分类号　TN253 文献标识码　A Analysis and Measurement of Stimulated Brillouin Scattering Threshold in Single Mode Fiber SH EN Y i 2chun ,SON G Mu 2ping ,ZHAN G Xian 2min ,C H EN Kang 2sheng (De partment of I nf ormation and Elect ronic Engineering ,Zhej iang Universit y ,H angz hou ,Zhej iang 310027,China ) Abstract The Smith ′s model and K üng ′s model for calculating the threshold of stimulated Brillouin scattering (SBS )are analyzed and discussed.The more exact method is investigated.The relationship between critical gain coefficient and fiber length is obtained ,which shows that the critical gain coefficient can be considered as constant only when fiber length is long enough.The SBS threshold of 25km single mode fiber is measured by experiment.Finally ,the experiment to measure SBS threshold using Brillouin optical 2time 2domain reflectometer (BO TDR )is done.The results are well agreed with the theoretical predication. K ey w ords optoelectronics ;single mode fiber ;Brillouin optical 2time 2domain reflectometer ;stimulated Brillouin scattering 收稿日期:2004202217;收到修改稿日期:2004207206 基金项目:浙江省自然科学基金(M603127)资助项目。 作者简介:沈一春(1979— ),男,江苏南通人,浙江大学信息与电子工程学系博士研究生,主要从事光纤光子学方面的研究。E 2mail :syczju @https://www.wendangku.net/doc/6312187469.html, 　3通信联系人。E -mail :zhangxm @https://www.wendangku.net/doc/6312187469.html, 1　引　言 受激布里渊散射(SBS )是一种光纤内发生的非线性过程,抽运波通过电致伸缩产生声波,然后引起介质折射率的周期性调制。抽运引起的折射率光栅通过布拉格衍射抽运光,由于多普勒位移与声速移动的光栅有关,散射光产生了频率下移,形成了斯托克斯波[1]。受激布里渊散射是光纤中的一种常见的非线性现象,通常会对光通信系统造成危害[2～4]。但近些年来,光纤中的受激布里渊散射在激光器、放大器、滤波器、传感器等许多领域的应用引起了人们 极大的关注[5～9]。光纤中布里渊散射一旦达到阈 值,受激布里渊散射将把绝大部分输入功率转换为后向斯托克斯波。因而研究光纤中的布里渊散射阈值显得十分必要。Smit h 提出了布里渊散射阈值的理论估算法[10],由于当时光纤损耗较大,这样的理论估算法应用于现在低损耗光纤并不准确。传统上测量光纤中布里渊散射阈值的系统搭建比较复杂,而且不适合野外作业。C. C.Lee 等[11]提出了使用布里渊时域反射仪(BO TDR )测量光纤中布里渊散射阈值的简单方法,但使用的理论模型中将布里渊 　 第32卷　第4期2005年4月 中　国　激　光 C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS Vol.32,No.4 April ,2005

基于脉冲光的布里渊散射阈值分析

基于脉冲光的布里渊散射阈值分析 王如刚1 张旭苹1*宋跃江1吴建伟1,2 (1.南京大学光通信工程研究中心，江苏南京 210093; 2. 河海大学理学院，江苏南京 210098) 摘要：针对连续分布式布里渊光纤传感器的阈值问题，本文根据光纤中泵浦光与斯托克斯光之间耦合波方程，推导出布里渊阈值关系式，通过分析该关系式与脉冲宽度、光纤半径和温度的关系，提出了脉冲光布里渊阈值理论估算模型。在实验中，利用布里渊光时域反射仪系统，得出了脉冲光布里渊阈值，并与理论模型的结果进行对比分析，实验证明了该脉冲光阈值模型的结果与实验得到的布里渊阈值符合较好。 关键词：脉冲光；布里渊散射阈值；时域反射仪；光纤传感 中图分类号TN247 文献标识码 A Analysis of Brillouin Threshold Based on Pulsed Light Wang Ru-gang1 Zhang Xu-ping1 Song Yue-jiang1 Wu Jian-wei1,2 (1.Institute of Optical Communication Engineering Research, Nanjing University, Nanjing 210093, China;2. School of Science, Hohai University, Nanjing 210098, China) Abstract Arming at the problem of threshold for the distributed optical fiber sensor based on Brillouin scattering, the calculated expression of the Brillouin threshold is received through the coupled equation between the pump and stokes wave in optical fiber, by analyzing the threshold coefficient expression of pulse light in this paper, and propose the theoretical estimation model of Brillouin threshold for pulsed light. In the experiment, receive the power relationship between the incident light and scattered light using of Brillouin optical time domain reflectometer system, by comparing the threshold power under the various definitions, the experimental results are consistent with the theoretical calculation. Keywords Pulsed Light; Brillouin Scattering Threshold; Optical Time Domain Reflectometer; Fiber Sensor 1 引言 布里渊散射是入射光波与介质中的声波相互作用而产生的一种非线性过程， 在光纤通信以及光纤传感等方面有着广泛的利用，如布里渊放大器[1]，布里渊多 波长激光器[2]，分布式光纤传感[3]等。基于自发布里渊散射的布里渊光时域反射 仪(BOTDR)具有抗干扰、单端测量、可实现对传感光纤上温度与应变信息的连续 测量等优点，但在长距离、大范围结构监测中，需注入功率较高的脉冲光，而高 功率的光脉冲会在光纤中产生受激布里渊散射，此时的入射光功率称为布里渊阈 收稿日期： 基金项目：国家重点基础研究发展计划（“973”计划）基金资助项目（2010CB327803）；国家自然科学基金资助项目(60644001)。 作者简介：王如刚(1976-)，男，博士研究生，主要从事光纤传感方面的研究。Email：wrg3506@https://www.wendangku.net/doc/6312187469.html, 导师简介：张旭苹(1962-)，女，教授，博士生导师，主要从事光通信网络的监测与故障定位、分布式光纤传感技术、光通信系统关键器件与组件等方面的研究。E-mail: xpzhang@https://www.wendangku.net/doc/6312187469.html, *通信联系人。Email：xpzhang@https://www.wendangku.net/doc/6312187469.html,

布里渊散射分布式光纤传感器综述

基于布里渊散射的分布式光纤传感器综述 一引言 光纤传感器具有无辐射干扰、抗电磁干扰性好、化学稳定性好等优点，受到越来越多的重视。其中分布式光纤传感器（DOFS）不仅具有一般光纤传感器的优点，而且可以在沿光纤的路径上同时得到被测量场在时间和空间上的连续分布信息。能做到对大型基础工程设施的每一个部位都象人的神经系统一样进行远程监控。因此具有广范的应用前景，在民用和国防诸如城市煤气管道、城市输电/通信缆线、海底输油气管道、海底电缆、水库水坝、桥梁、隧道、高速公路、大型设施等建筑物的应力温度检测方面有独特的优势，因此受到越来越多的重视。 由于分布式光纤传感器具有其它传感技术无法比拟的优点，因此成为目前传感技术研究领域的热点之一。目前对它的研究主要集中在以下三个方面：（1） 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术； （2） 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术； （3） 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。 瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同．在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位，基于瑞利散射的研究已经趋于成熟, 并逐步走向实用化。基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础，它在80年代初期得到了广泛的发展．然而由于该技术难以克服测量精度低、传感距离短的缺陷，目前在这方面的研究已鲜有报道．拉曼散射DOFS利用的是光纤中的自发拉曼散射光，信号微弱，较自发布里渊散射信号约低一个数量级，因此传感性能较低且难以实现几十公里以上的长距离传感；另外拉曼散射只对温度敏感，难以用于地质、建筑结构等的健康检测。而光纤的布里渊散射对温度和应变都敏感，通过检测来自传感光纤的布里渊散射光的频移和强度，布里渊散射DOFS得到沿光纤分布的温度或应变信息；并且工作于1.55μm波长附近的布里渊散射DOFS，光信号受到的衰减和色散较小，从而使得布里渊散射DOFS适合于长距离（大于几十千米）分布式传感。 虽然基于布里渊散射的分布传感技术的研究起步较晚, 但由于它在温度、应变测量上达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术, 因此这种技术目前得到广泛关注与研究。 布里渊散射DOFS主要有布里渊光时域反射计（BOTDR）、布里渊光时域分析（BOTDA）、布里渊光频域分析（BOFDA）三种，由于具有不同的光信号处理结构和布里渊散射作用机制，因此他们具有不同的性能特点和适用场合。另外日本的保利和夫教授提出的基于基于布里渊相关域分析（BOCDA、BOCDR）的光纤传感技术也有自己独到的地方。 基于自发布里渊散射的BOTDR，拥有单端光信号处理的优点，但由于自发布里渊散射光较微弱，传感器的分辨率和响应时间受到很大的制约。 基于受激布里渊散射的BOTDA，具有检测信号较强的优点，相对于BOTDR，传感器的分辨率和响应时间可得到有效的改善，但BOTDA一般需要对传感光纤的两端进行光信号处理，使用场合受到一定的限制。 基于布里渊光频域分析的BOFDA，和BOTDR、BOTDA相比，BOFDA同

SR 121-2012 单模光纤的受激布里渊散射阈值测试方法

目 录 1 概述 ..................................................................... 1 2 缩略语 ................................................................... 1 3 SBS理论 (1) 3.1 物理过程 ............................................................ 2 3.2 阈值特性 ............................................................ 2 4 SBS阈值功率的测试装置 . (3) 4.1 光源 ................................................................ 4 4.2 掺铒光纤放大器 ...................................................... 4 4.3 可变光衰减器 ........................................................ 4 4.4 光纤偏振控制器 ...................................................... 4 4.5 耦合器和环形器 ...................................................... 5 4.6 耦合器尾纤与接续 .................................................... 5 4.7 端口C光纤连接 ....................................................... 5 4.8 功率计 .............................................................. 6 5 测试程序 .. (6) 5.1 反射功率测试 ........................................................ 6 5.2 输入功率测试 ........................................................ 7 6 系统测试的重复性 ......................................................... 7 7 SBS阈值定义 .. (7) 7.1 定义A ............................................................... 9 7.2 定义B ............................................................... 9 8 测试结果的分析和计算 .. (9) 8.1 采用定义A时的数据分析 ............................................... 9 8.2 采用定义B时的数据分析 .............................................. 10 8.3 测试和计算的重复性 ................................................. 10 8.4 试验数据与理论计算 ................................................. 11 8.5 dBm与mW的转换 ...................................................... 11 8.6 长度归一化 ......................................................... 11 8.7 衰减归一化 ......................................................... 13 9 结果 .................................................................... 13 参考文献 (14) 电话：82054513 h t t p ://w w w .p t s n .n e t .c n

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。这样受激布里渊散射可以看成仅仅是在有泵浦光存在的情况下在电致伸缩材料中传播的斯托克斯光经历了一个光增益的过程。在受激布里渊散射中，虽然理论上反斯托克斯和斯托克斯光都存在，一般情况下只表现为斯托克斯光。

拉曼散射与布里渊散射

拉曼散射与布里渊散射 拉曼散射和布里渊散射都属于非弹性散射，它是光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效应。非弹性散射的一个特点就是它的散射频率不等同于入射频率。 布里渊散射 布里渊散射是泵浦光子、斯托克斯光子与声子间的相互作用，其过程是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。不过与此同时，一个泵浦光子也可以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。受激布里渊散射的具体过程是：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。 布里渊散射在分布式光纤传感器、光纤陀螺、光纤相位共轭镜、布里渊放大器等领域有重要的应用。受激布里渊散射光纤陀螺的基本原理是：经过分束的两束激光沿不同的方向在光纤环中传播，其产生的SBS光的频率与系统三角速度有关，测量SBS光的拍频，即可得到系统的角速度。 拉曼散射 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。其物理意义是入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。拉曼散射光谱中同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关，只和样品的振动转动能级有关；斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。拉曼散射分为两种，表面增强拉曼散射与共振拉曼散射。共振拉曼散射是当一个化合物被入射光激发，激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡然增加，这个效应被成为共振拉曼散射。表面增强拉曼散射是当一些分子被吸附到某些粗糙的金属，如金、银或铜的表面时，它们的拉曼谱线强度会得到极大地增强，这种不寻常的拉曼散射增强现象被称为表面增强拉曼散射效应。 拉曼散射技术可以提供快速、简单、可重复、无损伤的物质定性定量分析。由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品。共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。重要的拉曼散射技术有单道检测的拉曼光谱分析技术、以CCD为代表的多通道探测器、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术、共振拉曼光谱分析技术等。 利用拉曼散射还可以制成拉曼光纤放大器，该放大器的物理实现方法是：受激拉曼散射将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上；如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可以得到放大。根据增益介质的不同，又可分为分布式拉曼放大器（DRA）和分离式拉曼放大器（LRA）。

基于布里渊散射光的分布式光纤传感技术

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术 1.引言 光导纤维在通信系统中的应用早已为人熟知，如今全世界高速便捷的网络也离不开光纤的发展。除了光纤通信以外，还有另一类针对光纤的重要研究方向——光纤传感。 与传统的电类传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、重量轻、易于嵌入、成本低等优点。这些优势使得光纤传感技术在实际工程中的应用拥有非常乐观的前景。例如，在一些环境恶劣，如强磁场的检测条件下，电类传感器可能无法正常工作或者损坏，但是光纤传感器受到外界影响较小，仍能保持稳定的工作状态。在对建筑结构的检测中，光纤传感器同样是较佳的选择。由于光纤本身重量轻且纤细，可以方便地分布在建筑结构中，对结构的各个部位进行全面的监控。另外光纤嵌入后不会对结构造成较大的影响，使结构保持其原有的状态。 分布式光纤传感是光纤传感技术中的一个研究热点，其优势是能够测试光纤沿线各点处的传感参量。虽然一般情况下其测试精度不如高精度的点式传感器，如光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)，但是其利用光纤的特性真正实现了“全分布式”的传感。前述对建筑结构的检测，即是分布式光纤传感的一个重要应用。 基于布里渊散射的分布式传感技术是分布式传感中的研究热点，因其能够对应变与温度实现较高精度的单参量或双参量同时测量，在实际应用中亦有广阔的前景。本文仅关注其中的一种——布里渊光时域反射技术(Brillouin Optical Time-domain Reflectometry, BOTDR)。布里渊光时域反射技术是最简单的一种形式，其空间分辨率、测量精度等不如其他更为复杂的布里渊传感技术，但是拥有更简单的系统结构和单端测量的优势，且其性能指标已经可以满足许多应用的要求，因此在实际应用中更受欢迎。 由于布里渊光时域反射技术测量的是自发布里渊散射，其信号微弱，信噪比较低。并且其各项性能指标之间相互制约，难以得到同时提高，例如空间分辨率和频移精度之间存在的权衡问题。为了试图解决或改善这些问题，本文对其重要的性能参数进行详尽分析，将对布里渊光时域反射技术中的信号处理技术和编码

光散射原理及其应用

安徽大学 本科毕业论文（设计、创 作） 题目: 光散射原理及其应用 学生姓名：彭果学号：B21114051 院（系）：物理与材料科学学院专业：光信息科学与技术入学时间：二〇一一年九月 导师姓名：喻远琴所在单位：安徽大学物理与材料科学学院完成时间：二〇一五年六月

光散射原理及其应用 彭果 (安徽大学物理与材料科学学院，安徽合肥230061) 摘要：光通过不均匀物质时朝四面八方散射的现象称为光散射。本文首 先简要阐述了光散射的原理和分类；然后运用光散射的知识解释了一些 生活中常见的大气现象，例如蓝天、白云、朝霞、晚霞以及夕阳等；最 后介绍了光散射在医疗和摄影等方面的应用。 关键词：光散射，瑞利散射，拉曼散射，偏振 Light scattering principle and application Pengguo (School of Physics & Material Science, Anhui University, Hefei 230061, China) Abstract: Light scattering by the light passing through the inhomogeneous material is called light scattering. In this paper, the principle and classification of optical scattering are briefly introduced. Introduces the application of light scattering in the phenomenon of life, and the application of light scattering in medical treatment, photography, etc Key words:Light scattering and Rayleigh scattering, Raman scattering, polarization 晚霞满天，一片又一片的火烧云，把天空织成美丽的锦缎，真是一幅绮丽的奇景，晚霞有多少种颜色？红色，黄色，金色，紫色，蓝色，或许还有别的颜色。这是小学语文课文的《火烧云》，火烧云的形成其实包含了光散射的原理。在生活中光散射的现象随处可见，蓝天、白云、晓霞、彩虹、雾中光的传播等等常见的自然现象中都包含着光的散射现象。 随着科技的发展，光散射在各个科学技术部门中有广泛应用。例如，根据胶体体系中光散射理论，光散射可用于判断溶胶还是分子液体，照相补光，利用共振光散射法做DNA的定量分析，基于光散射流式细胞仪的广泛应用，瑞利光散射光谱法研究牛血红蛋白与镝（Ⅲ）的相互作用等，复杂结构光散射的射线跟踪方法及其应用。光散射的应用在生活中的各方面都有重要意义。

受激布里渊散射中弛豫振荡研究

受激布里渊散射中弛豫振荡研究 受激布里渊散射（SBS）的动态响应具有很多有趣的特征。尽管当泵浦脉冲 宽度T0远远大于声子寿命T B时，声学动态的影响很小。已有研究表明，斯托克斯 光的功率并非单调地趋近某个稳态值，而是呈现出周期为2T r的弛豫振荡特点，?为在长度L光纤中的传输时间。这种振荡的示例如图1所示，其中泵T r=L v g 浦脉冲宽度为1 us。当存在外部反馈情况时，弛豫振荡可以变为稳定振荡，即泵 浦和斯托克斯波发展为自强度调制。 图1 （a）泵浦脉冲的输入和输出强度（b）斯托克斯脉冲的强度 即使泵浦和斯托克斯波的群速度v g相同，由于两者反向传播而相对速度为2v g，这种等效群速度失配导致了弛豫振荡的出现。获得这种弛豫振荡的频率和延时的方法是对耦合传播方程的稳态解进行线性稳定性分析，类似与对调制不稳定性（MI）的分析。外部反馈的影响可通过设定光纤为一个封闭腔并使用恰当的边界条件进行等效。这种线性稳定性分析方法同时可以得到由稳态变为非稳态的临界条件。 设稳态时延的微小扰动为e??t，复数h可由（1）式线性求得。 （1） 如果h的实部为正，扰动的时延随时间呈指数增长，频率为υr=Im(?)/2π。

相反，如果h的实部为负，扰动随时间增长，稳态变为非稳态。对于CW泵浦情况，SBS也可导致泵浦和斯托克斯强度的时域调制。图2表示反馈随增益因子g0L变化的稳定和非稳定区域，与泵浦功率的关系是g0=g B P p/A eff。参数b0表示泵浦功率转变为斯托克斯功率的占比。 图2 存在反馈时，SBS的稳态和非稳态区域 图3表示通过数值求解（1）式得到的斯托克斯和泵浦强度的时间演变。上排为g0L=30情况，无反馈时出现弛豫振荡，振荡周期为2T r。物理上，弛豫振荡的起因可以解释为：在光纤输入端附近斯托克斯功率的快速增长使泵浦功率快速消耗，这引起增益下降直至泵浦的消耗部分从光纤传出，然后增益重新不断增加，该过程不断重复。 图3的下排对应弱反馈情况，其中R1R2=5×10?5，R1、R2分别是光纤两端的反射率，增益因子g0L=13低于布里渊阈值。尽管如此，由于反馈降低了布里渊阈值，所以斯托克斯波仍会产生。然而，并未达到稳态，是因为图2中所示的非稳定性，取而代之，光纤两端的泵浦输出和斯托克斯输出表现出稳定振荡。如果反馈增加使得R1R2≥2×10?2，同样能达到稳态。这是因为该反馈的b0值在图2中的稳态区域。SBS的所有这些动态特征都已在相关实验中观察到。