布里渊散射——一种涉及声学声子的非线性散射效应

时间:2021-08-04 来源:新特光电 访问量:1637

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;布里渊散射也属于拉曼效应,即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射,其频率变化表征了元激发的能量。与拉曼散射不同的是,在布里渊散射中是研究能量较小的元激发,如声学声子和磁振子等。

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。

自发和受激布里渊散射

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。

入射的声子能够转化为一个具有更低能量的散射声子,通常是背向传播,还有另一个声子。光场与声波通过电致伸缩发生相互耦合。即使在很低的光功率情况下,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。

布里渊频移和带宽

反射光的频率略小于入射光的频率,频率差 νB等于辐射声子的频率。该频率差称为布里渊频移,由相位匹配条件决定。只存在背向布里渊散射时,布里渊频移可以通过折射率n,声学速度va,以及真空波长λ计算得到:νΒ=2nυa/λ(计算光纤中的布里渊散射,需要采用有效折射率),光纤中主要存在背向的布里渊散射。但是,由于声学波导效应也会产生很弱的前向布里渊散射。布里渊频率与介质材料组分有关,并且在一定程度上依赖于介质的温度和压力。这种相关性在光纤传感器中会用到。受激布里渊散射另一个很重要的应用是光学相位共轭。例如,在高功率调Q激光器中的相位共轭反射镜能够使激光晶体中前向和后向产生的热畸变相互抵消。

光纤中的受激布里渊散射

窄带光学信号(例如,单频激光器产生的)在光纤放大器中被放大或者在无源光纤中传播时常产生受激布里渊散射(SBS)。材料的非线性通常不是很高,但是小的有效模式面积和长的传输长度有利于非线性效应的产生。

长度为10 m的光纤中的泵浦光(从左往右传播,红色曲线)和产生的布里渊信号功率(从右往左传播,橘色曲线)。

长度为10 m的光纤中的泵浦光(从左往右传播,红色曲线)和产生的布里渊信号功率(从右往左传播,橘色曲线)。泵浦光功率为1 W。

上图显示的是当单色光在10m长光纤中传播的情况。两相反方向传播的布里渊频移来自于量子涨落,开始时功率很低,但是迅速增大。但其功率仍远小于入射功率1 W。

当泵浦功率提高到1.8W时,布里渊增益(由分贝表示)几乎加倍,并且布里渊光变得很强。

当泵浦功率提高到1.8W时,布里渊增益(由分贝表示)几乎加倍,并且布里渊光变得很强。

与上图相同,泵浦功率变为1.8W。

如果继续增大泵浦功率,布里渊光波的功率将会与泵浦功率相当。这时会产生很强的泵浦光损耗。并且,这时需要考虑传输损耗,因为在该长度的光纤中这一损耗很大。它同时影响泵浦光和布里渊光。

二氧化硅光纤中的布里渊频移为10-20 GHz,布里渊增益的带宽典型范围为50-100 MHz,是由强的声子吸收(声子寿命短)决定的。但是,很多效应都能影响布里渊增益谱,例如声子相速度的横向变化或者纵向的温度变化。因此,峰值增益可能会减小,导致更高的SBS阈值。

窄带连续光波在光纤中的布里渊阈值对应的布里渊增益的典型值为90 dB。(由于活性光纤中的附加激光增益,阈值可能更低。)而对于超短脉冲列,SBS阈值不是由峰值功率决定,而是由功率谱密度决定,这在Spotlight article中有详细解释。

SBS对光纤中窄带光学信号的放大和传播提供了很严格的功率限制。为了提高布里渊阈值,可以将光的带宽提高到大于布里渊增益带宽,减小光纤长度,将两个不同布里渊频率的光纤连接一起,或者(高功率有源光纤器件中)利用纵向变化的温度[21]。还可以减小光学导波与声学波之间的交叠程度,或者对声学波引入大的传播损耗。,考虑掺杂浓度,有效模式面积和泵浦传播方向等因素后,改进基本的放大器设计也可以在一定程度上减小SBS产生的问题。

在有些情况下,布里渊增益可以用于布里渊光纤激光器中[5,10,18]。这种装置通常用作光纤环形激光器。由于谐振腔损耗很低,这些装置的泵浦阈值相对较低,并且带宽比较小,布里渊频移随温度变化的性质可以用于温度和压力传感中。

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。

基于受激布里渊散射的光纤激光器的结构

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。

在光纤激光器中作用的机理

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