光纖激光受激布里淵散射的動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、光纖激光中受激布里淵散射表現(xiàn)出了豐富的動(dòng)力學(xué)特性，近年來已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。基于這些動(dòng)力學(xué)特性，受激布里淵散射已經(jīng)被廣泛用于實(shí)現(xiàn)光通信系統(tǒng)中的布里淵放大器、光纖傳感、脈沖壓縮、信號(hào)處理技術(shù)（如光存儲(chǔ)以及快慢光等）以及產(chǎn)生不同種類的光源。然而在這些與受激布里淵散射相關(guān)的應(yīng)用當(dāng)中，仍然存在一系列的問題，如光纖激光器中有源增益對(duì)受激布里淵散射過程的影響、共振頻率失諧對(duì)受激布里淵散射動(dòng)力學(xué)特性的影響、受激布里淵散射過程中泵浦光和斯托克斯光之間

2、的瞬時(shí)能量流動(dòng)特性以及多模光纖中受激布里淵散射的動(dòng)力學(xué)特性和閾值特性等，尚未有明確解釋，需要進(jìn)一步深入研究。另外在高功率窄線寬脈沖光纖激光器中，包括受激布里淵散射在內(nèi)的各種非線性效應(yīng)已經(jīng)成為限制其功率進(jìn)一步提升進(jìn)而制約其在地球科學(xué)、原子分子物理、頻率變換、光束合成等領(lǐng)域的應(yīng)用前景的主要因素。本文針對(duì)上述問題開展了針對(duì)性的理論和實(shí)驗(yàn)研究，主要內(nèi)容如下：
　　論文首先回顧了目前關(guān)于光纖中受激布里淵散射動(dòng)力學(xué)特性的研究進(jìn)展，詳細(xì)介紹了分

3、別在單模和多模光纖內(nèi)與受激布里淵散射效應(yīng)相關(guān)的各種動(dòng)力學(xué)特性的研究，闡明了進(jìn)一步拓展和深入研究受激布里淵散射在光纖激光中的動(dòng)力學(xué)特性的意義。
　　針對(duì)在高損耗稀土離子摻雜光纖激光器中的受激布里淵散射過程，從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面證明了混合的布里淵和有源增益可以支持部分鎖?，F(xiàn)象的出現(xiàn)。首先，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明為了使得激光器內(nèi)部分鎖模現(xiàn)象能夠出現(xiàn)，需要布里淵和有源增益同時(shí)存在；其次，還建立了描述這一動(dòng)態(tài)過程的理論模型，較好

4、地解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果；最后詳細(xì)闡述了導(dǎo)致不同斯托克斯縱模之間相位實(shí)現(xiàn)部分同步的物理機(jī)制。
　　針對(duì)在連續(xù)泵浦下無外界反饋光纖中的受激布里淵散射過程，研究了共振頻率失諧對(duì)受激布里淵散射動(dòng)力學(xué)特性的影響。從數(shù)值和理論結(jié)果中首次發(fā)現(xiàn)在無需克爾效應(yīng)的參與下，共振頻率失諧可以使得受激布里淵散射過程表現(xiàn)出豐富的動(dòng)力學(xué)特性。上述機(jī)制在不借助外界反饋的情況下表現(xiàn)出一系列不同的動(dòng)力學(xué)行為，包括連續(xù)穩(wěn)態(tài)、周期態(tài)以及確定性混沌行為。此外，通過研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致

5、上述動(dòng)力學(xué)行為的主要物理機(jī)制包括：聲波場(chǎng)的瞬時(shí)響應(yīng)、受激布里淵散射的弛豫振蕩效應(yīng)、基于受激布里淵散射三波耦合的混頻效應(yīng)以及受激布里淵散射感應(yīng)的群速度變化。
　　針對(duì)瞬態(tài)情況下的受激布里淵散射過程，從理論上證明了受激斯托克斯散射及其逆過程可以同時(shí)發(fā)生，從而使得布里淵泵浦光和斯托克斯光之間存在瞬時(shí)的能量對(duì)流。分析表明在受激斯托克斯散射和其逆過程之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件為三波中的任何一個(gè)經(jīng)歷π的附加相位變化，并且其轉(zhuǎn)化的特征時(shí)間尺度反比于初始

6、注入的泵浦和斯托克斯功率。另外從整體來看，由于有限的聲子壽命，受激斯托克斯散射相對(duì)于其逆過程在整個(gè)受激布里淵散射過程中占據(jù)主導(dǎo)地位，從而使得最終的凈能量流動(dòng)是從泵浦光到斯托克斯光的。
　　建立了能夠描述多模光纖內(nèi)受激布里淵散射一般動(dòng)力學(xué)特性的理論模型。在該模型中，考慮了多模光纖的波導(dǎo)特性對(duì)光聲場(chǎng)分布的影響，以及不同的光聲模式之間的相互耦合。而且在該模型中，除了受激布里淵散射效應(yīng)之外，群速度色散、自相位調(diào)制以及交叉相位調(diào)制也被考慮在

7、內(nèi)。另外，為了解決光纖激光器和放大器中與受激布里淵散射有關(guān)的問題，將上述動(dòng)力學(xué)模型推廣到了多模增益光纖中，并考慮了由于增益的空間飽和效應(yīng)而導(dǎo)致的模式競(jìng)爭(zhēng)。另外，在該模型的基礎(chǔ)上，還對(duì)多模光纖內(nèi)受激布里淵散射的閾值特性進(jìn)行了理論和數(shù)值研究。對(duì)于長(zhǎng)光纖（αL?1）和短光纖（αL?1）兩種情況，分別推導(dǎo)了對(duì)應(yīng)的受激布里淵散射閾值功率滿足的超越方程。該理論以及數(shù)值仿真結(jié)果表明多模光纖中的受激布里淵散射閾值功率是由信號(hào)光中的橫模成分決定的。

8、>　　開展了對(duì)高功率窄線寬脈沖光纖激光器和放大器中激光非線性動(dòng)力學(xué)特性的理論研究，建立了相應(yīng)的較為完善的物理模型，考慮了多模增益光纖中群速度色散、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻、受激布里淵散射、布里淵增強(qiáng)的四波混頻、受激拉曼散射等非線性效應(yīng)以及增益飽和導(dǎo)致的模式競(jìng)爭(zhēng)共同對(duì)激光輸出時(shí)域、頻域以及空域特性的影響。并且在上述一般模型的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，從而獲得了該模型在兩種不同情況下的具體應(yīng)用，并結(jié)合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論模型的正