布里渊散射

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定义:与声学声子有关的非线性散射效应。

布里渊散射是介质的 χ(3)非线性引起的效应,尤其是与声学声子相关的非线性部分[1]。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,这一效应也会发生,然后反射产生声子场。光功率更高时,会发生受激效应,这时主要由光场产生声子。当介质中的光束超过某一临界功率时,受激布里渊散射会反射大部分入射的光功率。这时背向反射波得到很强的非线性光学增益:即初始非常弱的相反方向传播的光在某一光纤频率时会被放大很多倍。两个相反方向的波会形成一个移动的折射率光栅;反射功率越大,折射率光栅越强,有效反射率越大。


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:

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(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。

图1显示的是当单色光在10 m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。

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。


图1: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。



图2:与图1相同,泵浦功率变为1.8 W。


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[14,19]或者纵向的温度变化[11,13]。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(参阅光纤传感器)。


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参阅:拉曼散射克尔效应非线性光纤光纤传感器