受激布里淵散射的理論模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、利用激光的受激布里淵散射(SBS)進(jìn)行水下物體的探測(cè)不僅可以探測(cè)到水下無(wú)反射目標(biāo)物，而且由于系統(tǒng)設(shè)備的小型化，允許其在低空飛行器上裝載，由此可以實(shí)現(xiàn)大范圍快速掃描來(lái)探測(cè)水下物體。另外，該探測(cè)系統(tǒng)還具有抗電磁干擾、抗水域聲音噪聲的能力，這是聲納和傳統(tǒng)的激光雷達(dá)所不能比擬的。 為了探索最佳的泵浦參數(shù)，保證既能得到高的能量反射效率和信噪比，又不致發(fā)生光學(xué)擊穿，確保系統(tǒng)的安全工作，需要研究能量反射率隨泵浦光變化的規(guī)律，以及產(chǎn)生SBS的閾

2、值能量隨系統(tǒng)參數(shù)的變化情況。這就需要構(gòu)建SBS的理論模型，對(duì)其耦合波方程組進(jìn)行數(shù)值求解?；诖耍菊撐闹饕譃閮纱蟛糠郑簩?duì)SBS的理論研究和數(shù)值模擬部分，以及實(shí)驗(yàn)研究和對(duì)比論證部分。 理論研究主要從SBS過(guò)程的泵浦場(chǎng)、聲子場(chǎng)和斯托克斯場(chǎng)相互作用的耦合波方程組出發(fā)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)方程組進(jìn)行一系列的近似化，分別針對(duì)無(wú)聚焦泵浦和聚焦泵浦的情況，建立了一維瞬態(tài)理論模型。在時(shí)間上使用隱式有限差分法，空間上使用后向差分法，對(duì)耦合波方程組離散

3、化，進(jìn)而編寫程序進(jìn)行數(shù)值模擬求解，進(jìn)而對(duì)受激布里淵散射的能量反射率和產(chǎn)生SBS的閾值能量的變化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了水中受激布里淵散射的基本規(guī)律。 在無(wú)聚焦泵浦條件下，要想達(dá)到SBS的閾值光強(qiáng)，對(duì)泵浦光能量要求很高，因此，所得到的主要是自發(fā)布里淵散射，而且后向散射光的強(qiáng)度很低。為了提高池中的泵浦功率密度，以便更容易達(dá)到SBS的產(chǎn)生閾值，就需要對(duì)泵浦光進(jìn)行聚焦。這也是我們重點(diǎn)研究的情況。在聚焦泵浦條件下，需要對(duì)耦合波方程進(jìn)行變

4、形和改進(jìn)，使其滿足聚焦情況下的光波傳輸規(guī)律。以往學(xué)者對(duì)該問(wèn)題的處理，大多是唯象地將光波振幅除以光束橫截面積的平方根，而未給出合理的解釋。本論文根據(jù)光波傳播過(guò)程中的能量傳輸規(guī)律，推導(dǎo)出了存在聚焦情況下的SBS耦合波方程組，進(jìn)而給出了進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的理論模型，使得理論模擬結(jié)果與實(shí)際更加符合。 在實(shí)驗(yàn)研究中，設(shè)計(jì)了精密的實(shí)驗(yàn)光路，利用1064nm的Nd：YAG單縱模脈沖激光器經(jīng)倍頻后所得到的532nm的脈沖激光進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，觀察到

5、了高功率激光進(jìn)入水池后產(chǎn)生的明顯的SBS現(xiàn)象。通過(guò)改變泵浦光能量和聚焦透鏡的焦距等參數(shù)，得到了實(shí)際中受激布里淵散射的基本規(guī)律。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者的變化趨勢(shì)是一致的，對(duì)SBS的閾值光強(qiáng)的數(shù)值計(jì)算也與理論計(jì)算的結(jié)果相符。在利用激光的SBS進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)方面，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了聚焦光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)改變組合透鏡之間的距離，使得聚焦深度連續(xù)可調(diào)；試驗(yàn)中還給出了將泵浦光與散射光分離的新穎方案，并利用F-P標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)合光電接收器(P