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受激布里渊散射若干问题的探索研究

朱永祥  
【摘要】: 受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering:SBS)具有相位共轭、慢光和滤波等效应。其中,相位共轭效应可用来实时地消除光束波前畸变,从而获得高光束质量的输出激光,该效应还可用于相干并束,因而在固体激光工程中有着重要应用价值;SBS所具有的慢光和滤波效应,以及SBS在光存储等方面的应用,使得SBS在光纤通讯等方面具有较大应用前景。 本文在SBS基本物理过程、慢光、相位共轭和降低阈值等方面进行了探索和研究,主要的内容和结论如下: (1)指出并证明了SBS斯托克斯光与布里渊声场之间可以发生反斯托克斯散射,该散射过程与斯托克斯散射过程互为逆过程;该过程的存在可预言SBS透射光存在拖尾现象,本文设计并进行了相关的实验,结合前人的实验结果,较好地说明了该散射过程的存在。 (2)基于斯托克斯光的反斯托克斯散射导致光程增加,半定量推导了斯托克斯光脉冲因SBS作用产生的时间延迟量,延迟时间正比于泵浦光光强和介质长度,反比于布里渊增益带宽。定性解释了慢光的波形畸变等伴随效应,以及反斯托克斯光的快光现象。 (3)通过研究泵浦光和斯托克斯散射光之间的干涉场,说明在SBS过程中,正是两束光的干涉场共振激励了布里渊声场;由干涉场强度交变量的相位,得到了布里渊声场的波前信息。当两束光相位共轭时,布里渊声场的波前与光束波前相同,这说明相位共轭的斯托克斯光可以在整个作用区域获得增益;而非共轭模式只能与泵浦光中的部分横模发生共振,且增益长度受限于泵浦光的横向尺寸,因而相位共轭的模式在SBS散射光中占主导地位,从而定性解释了SBS相位共轭机制。 (4)将通过干涉场获得声场波前这一方法,应用于布里渊增强的四波混频,用光波和声波的波前直观地解释了其相位共轭机制,从而说明了模型的合理性。由干涉场模型还说明:可以用特定频率和相位的两束光,在透明介质中通过叠加,获得特定波长和波前的相干声场。 (5)提出用增强初始布里渊声场的方法来降低SBS发生阈值,通过理论分析和数值计算,说明了其合理性;并设计4种实验方案来增强初始声场,分别为:a)利用换能器激励声场的方案,b)利用电声晶体作为布里渊介质的方案,c)用微波直接激励声场的方案,d)用双光束激励的方案。 (6)将声场增强的方案用作种子光发生器,通过注入种子光来降低SBS放大级的阈值。理论计算表明,该方案可以使SBS阈值降低一个量级。 (7)设计了一种布里渊增强的四波混频改进方案:采用两个布里渊介质池,其中一个用来产生相位共轭的后向泵浦光,另一个为四波混频介质;信号光与泵浦光之间的夹角可调,由两种布里渊介质的参数决定。该方案可实现零阈值、高反射率和高保真度的相位共轭镜。 (8)研究了固体介质中光学击穿对SBS的影响,指出布里渊介质中的杂质、尤其是金属离子杂质的浓度,是限制SBS最大反射率的关键因素。 (9)推导得到了SBS非线性极化率的一种解析表达式,频率与高频光对应的三阶极化率,其虚部正比于密度起伏的虚部,而频率与低频光对应的极化率,其虚部正比于密度起伏虚部的复共轭。


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