少模光纤的不同模式布里渊散射特性

少模光纤可以传输有限的正交模式,具有模间干涉小、模式易于控制等优点.基于少模光纤的布里渊散射传感器能够有效地减小多参量测量过程中的交叉敏感,实现多物理量的测量.本文基于波动光学理论对阶跃型少模光纤各个模式布里渊散射谱的频移、线宽、峰值增益等参数进行了分析.首先对少模光纤进行了模式分析,其次分析了少模光纤不同模式的频移、线宽、增益的数学模型,以及不同模式叠加的布里渊散射谱频移、线宽、增益.结果表明:少模光纤各模式布里渊散射谱的频移在10.19—10.23 GHz范围内,且随模式阶数的减小而增加;各模式布里渊散射谱的线宽在32—34 MHz,且随模式阶数的减小而增加;各模式布里渊散射增益谱相对幅度因为模式阶数的减小而增大.少模光纤中各个模式布里渊增益谱和多模式联运布里渊增益谱均符合洛伦兹曲线分布,多模式联运导致布里渊增益谱线宽展宽,且多模式联运布里渊增益谱相对振幅一般小于单个模式的布里渊相对振幅.     

掺杂和结构对光纤中去极化型声波导布里渊散射频移与散射效率的影响

利用全矢量有限元法研究了单模光纤及光子晶体光纤中掺杂材料及浓度、光纤结构对去极化型声波导布里渊散射频移和散射效率的影响.结果表明增大包层掺氟浓度或纤芯掺锗浓度均会减小光纤布里渊频移,也会增大单模光纤散射效率.光子晶体光纤中整体掺氟浓度不变时,空气孔层数的增加会减小布里渊频移;而纤芯掺锗浓度不变时,随空气孔层数的增加TR2,3模式的布里渊频移增大,而TR2,7模式的布里渊频移减小.     

光子晶体光纤中去极化型声波导布里渊散射频移和散射效率研究

利用矢量有限元法,数值模拟了不同结构参数下光子晶体光纤中空气孔填充率与去极化型声波导布里渊散射频移的关系,以及布里渊散射频移与布里渊散射效率的关系。研究结果表明,空气孔填充率的增大会导致扭转径向模式的去极化型声波导布里渊散射频移下移。空气孔节距或纤芯直径一定时,高阶模式的频移对空气孔填充率的变化更为敏感。扭转径向模式的去极化型布里渊散射效率都随布里渊散射频移的增大而增大。     

光子晶体光纤中去极化型声波导布里渊散射频移和散射效率研究

利用矢量有限元法,数值模拟了不同结构参数下光子晶体光纤中空气孔填充率与去极化型声波导布里渊散射频移的关系,以及布里渊散射频移与布里渊散射效率的关系。研究结果表明,空气孔填充率的增大会导致扭转径向模式的去极化型声波导布里渊散射频移下移。空气孔节距或纤芯直径一定时,高阶模式的频移对空气孔填充率的变化更为敏感。扭转径向模式的去极化型布里渊散射效率都随布里渊散射频移的增大而增大。     

光子晶体光纤中去极化声波导布里渊散射温度及应变响应

数值求解了光子晶体光纤中的去极化型声波导布里渊散射色散方程,研究了光子晶体光纤中的布里渊频移随泵浦波长及空气孔填充率的变化关系,以及去极化型声波导布里渊散射频移随温度、应变、声波导模式、纤芯直径及空气孔层数的关系。结果表明:布里渊频移随着波长的增大而线性减小。对于相同的波长点,增大光子晶体光纤空气孔填充率时,声波横向速度将会减小。去极化型声波导布里渊散射频移随温度及应变的增大而线性增加。同一温度条件下,高阶TR2m模式的去极化型声波导布里渊散射频移对温度的变化更为敏感;而在同一应变条件下,低阶TR2m模式的去极化型声波导布里渊散射频移对应变的变化更为敏感。去极化型声波导布里渊散射频移随纤芯直径的增加而增大,随空气孔层数的增加而减小。     

基于光纤环形腔结构的布里渊频移器设计

为了达到布里渊光时域分析(BOTDA)系统双通道激光源的布里渊频移要求,设计了一个光纤布里渊频移器,放置在其探测脉冲通道,使探测光与另一通道的扫频光具有布里渊频移差(约11.2GHz)。通过分析频移器的输出光谱线宽窄化原理,利用光纤中激发的布里渊增益谱结合一定的环形腔结构形成窄线宽的布里渊斯托克斯光谱输出,且分析了环形腔频移器的受激布里渊散射阈值和光-光转换效率两个性能指标及其影响因素。采用1551nm窄线宽光源,对实际搭建的9km单模光纤布里渊频移器进行了实验验证,结果表明:频移器的受激布里渊散射阈值为2.3mW,布里渊频移对应的波长改变约为0.1nm,此时的定向耦合器耦合比为0.4,光-光转换效率为49%。所设计的光纤布里渊频移器能达到布里渊光时域分析系统光源的技术指标,降低了系统的复杂性和成本。     

基于自适应变异果蝇优化算法和广义回归神经网络的布里渊散射谱特征提取

针对布里渊光时域反射光纤传感系统散射谱的高精度特征提取的要求,提出了一种基于自适应变异果蝇优化算法和广义回归神经网络的布里渊散射谱特征提取算法。不仅利用了广义回归神经网络在逼近能力、学习速度、模型的泛化等方面具有的优势,而且采用搜索能力较强的自适应变异果蝇优化算法进一步增强了神经网络的学习能力,从而提高了布里渊散射谱的拟合度和频移提取的准确度。在布里渊散射谱中心频率为11.213GHz,线宽为40~50,30~60和20~70 MHz的散射谱白噪声实验模型中,将新算法分别与基于有限元分析的Levenberg-Marquardt拟合法、粒子群优化和拉凡格式混合拟合法、最小二乘法进行预测比较,新算法获得的最大拟合频移误差为0.4MHz,平均拟合度为0.991 2,均方根误差为0.024 1。仿真结果表明所提出的算法拟合度较好,绝对误差小。因此,将此算法用于基于布里渊光时域反射的分布式光纤传感系统,可有效提高布里渊散射谱的拟合度和频移提取的准确度。     

基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器

针对布里渊光时域分析分布式传感原理和受激布里渊散射的特点,应用微波电光调制分布反馈式半导体激光器产生频移可调的探测光,和传感光纤中相反方向传输的脉冲激励光进行受激布里渊散射作用,当探测光和激励光的频率差在布里渊频移附近时,频移探测光和激励光产生受激布里渊散射,通过改变探测光的频移值,检测探测光功率信号,可得到沿光纤各处的布里渊频移,再利用布里渊频移和应变（或温度）的关系,计算得到沿光纤分布的传感量。设计了基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器实验系统,实现了25km的分布式温度传感,达到5m的空间分辨力和3℃的温度分辨力。     

基于布里渊散射信号检测的大气探测模型

以激光信号在传输介质中的布里渊散射频移量模型为基础,依据相关大气数据建立基于布里渊散射信号检测的大气探测模型。该模型中布里渊频移量只与大气高度相关,详细描述了低空大气范围内布里渊频移量的连续分布状态。结果表明在086 km的海拔高度范围内,大气的布里渊散射频移量分布在1.01.3 GHz之间。与有关数据相比,该模型与实际情况非常符合,同时具有很好的连续性和普适性。     

环境温度宽范围变化对光纤布里渊频移的影响

搭建了光纤布里渊频移测量系统,实现了色散位移光纤20 ℃到820 ℃布里渊频移的测量,并对测量数据进行拟合. 在环境温度大范围变化时,目前采用的布里渊频移-温度一阶线性关系式对测量数据分析误差较大,针对这个问题,本文从纯石英光纤的结构特点和材料的物性系数出发,在分析光纤的热膨胀系数、光纤密度、折射率、弹性模量和泊松比与宽范围温度关系的基础上,根据布里渊频移与各物性参数的关系式理论推导了宽范围温度变化与布里渊频移之间的二次项关系式. 理论推导结果与实验数据基本符合,验证了理论分析的正确性,从而为光纤宽范围布 关键词： 光纤 高温传感 布里渊散射 布里渊频移     

基于宽带光源和自外差检测的布里渊光时域反射温度传感系统

为简化系统结构、减小相干瑞利噪声对系统性能的影响,提出了一种采用宽带光源的瑞利和布里渊散射自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统.分析了瑞利和布里渊自外差检测原理,研究了布里渊频移和自外差信号功率与光纤温度和应变的关系.设计并搭建采用宽带光源的自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统,获得了常温下沿光纤分布的自外差信号功率谱及不同温度时加温段光纤的功率谱,验证了布里渊频移和自外差信号相对功率变化随温度的线性增加关系.通过实验数据获得的布里渊频移和相对功率变化的温度系数分别为1.07±0.01MHz/℃和(0.37±0.09)%/℃.本文的研究结果为基于瑞利和布里渊自外差检测布里渊光时域反射传感系统的温度和应变同时测量提供了理论和实验依据.     

Stimulated Brillouin scattering phase conjugating properties of long multimode optical fibers

This paper describes and characterizes a detailed experiment that proves the phase conjugating properties of stimulated Brillouin scattering in multimode fibers (km of length), a problem still in debate in the literature, by studying the random aberrations correction abilities of this nonlinear interaction. Detailed qualitative and quantitative evaluation of aberration correction, by using the M² beam propagation ratio as a criterion to assess beam quality of the beams, proves the phase conjugation via SBS in long MM fibers. A new parameter to characterize the efficiency of the SBS phase conjugation process is proposed and conditions to obtain a complete healing of distortions (complete phase conjugation) are discussed.     

非聚焦条件下CS2介质中受激布里渊散射光限幅特性的研究

采用布里渊噪声起源模型，数值研究了非聚焦条件下CS₂液体介质中脉冲传输的能量与功率特性.结果表明，在非聚焦条件下，透射光的功率波形仍然表现出光限幅特性，而透射能量随入射能量线性变化，不具有限幅特性，这一点与聚焦条件下的结果不同.以波长1053nm、脉宽20 ns的Nd:YLF激光器为光源，采用3∶1的缩束系统，通过衰减片调整入射光能量在2mJ—92mJ变化，获得了透射光能量和功率波形随入射能量变化的规律，并与聚焦条件下的结果进行了比较.实验结果与理论模拟相符合.由于聚焦条件下当入射能 关键词： 非线性光学 受激布里渊散射 光限幅 非聚焦     

Distributed strain measurement using a tellurite glass fiber with Brillouin optical correlation-domain reflectometry

A tellurite glass fiber with a high Brillouin gain was employed for distributed strain measurement with Brillouin optical correlation-domain reflectometry (BOCDR). First, the spatial resolution of BOCDR was evaluated using the tellurite fiber. With the high Brillouin gain of the fiber, it was confirmed clearly in the experiment that the spatial resolution is limited by the Rayleigh scattering-induced noise. Then, the dependence of the Brillouin frequency shift (BFS) on strain in the tellurite fiber was investigated, showing a negative dependence with a coefficient of −0.023 MHz/με. Using this tellurite fiber, the distribution of the BFS around a 1-cm strain-applied section was successfully measured with BOCDR of a nominal spatial resolution of 6 mm.     

光纤中基于双布里渊增益线的受激布里渊散射快光

为了解决受激布里渊散射快光在高吸收区产生损耗的问题,通过分析普通单模光纤中双线泵浦产生的双布里渊增益线特性及在增益峰间实现脉冲的超光速传输理论,利用有限元法数值模拟了双布里渊增益线处受激布里渊散射引起的快光特性。结果表明,当频率分离因子大于0.596时,可以观察到双增益峰;当频率分离因子在1~5.25范围内时,两个泵浦波产生的双增益峰之间可以明显地产生快光;当频率分离因子为1.75时,在双布里渊增益线之间的最大时间提前可达25 ps。当频率分离因子为2.42时,三阶色散所对应的归一化色散长度为无穷大,三阶色散可以得到完全补偿;当频率分离因子大于2.464时,脉冲展宽因子趋近于1,可以实现无畸变传输,但时间提前量小于13.52 ps。本文的研究结论对于在布里渊增益区实现快光具有一定的理论意义,并对设计基于受激布里渊散射快光器件具有理论指导作用。     

钇铝石榴石对撞增强型相位共轭腔的研究

报道了一种新型的相位共轭腔——对撞型钇铝石榴石受激布里渊散射相位共轭激光腔,实验结果发现该腔具有较低的启动阈值和100mJ以上的输出能量,它能输出稳定的20ns左右的自调Q脉冲,发散角为1．3mrad。在一定范围内,抽运电压越高,输出脉宽越窄;相位共轭腔越长,输出脉宽越宽;聚焦透镜对输出脉宽也有影响,焦距越短,脉宽越窄;焦距与介质池相对长点,输出能量相对高,远场发散角相对小些。实验给出了不同条件下的输出能量、脉冲宽度和光束发散角的情况。     

窄线宽脉冲光纤激光的自相位调制预补偿研究

自相位调制(SPM)效应会展宽窄线宽脉冲光纤激光的光谱宽度,降低其相干性.通过相位调制对SPM引起的非线性相移进行预补偿,能够使脉冲激光在光纤中进行放大和传输后保持种子激光的光谱特性.基于三波耦合方程开展数值仿真,研究了在对SPM进行"欠补偿","完全补偿"和"过补偿"的情况下,SPM预补偿对受激布里渊散射阈值和激光光谱特性的影响.开展了SPM预补偿实验研究,将脉冲激光的光谱宽度从1.4 GHz压缩到120 MHz.研究内容可以为窄线宽脉冲光纤激光系统的设计搭建提供参考.     

Influence of stimulated Brillouin scattering on the temporal dynamics of an actively Q-switched double-clad fiber laser

The role of stimulated Brillouin scattering (SBS) during the active Q-switching of a typical high power double-clad fiber laser is experimentally and theoretically investigated. Our numerical model reproduces multiples Brillouin Stokes generation and the fast temporal dynamics which were experimentally observed. It clearly demonstrates that SBS is the cause of peak power enhancement effects such as giant pulse generation. The pulse formation process during the active Q-switching and the precise role of SBS in the pulse narrowing is detailed.     

抽运能量对受激布里渊散射光限幅特性的影响

采用布里渊噪声起源模型,数值模拟了受激布里渊散射介质CCl4对波长1064nm的Nd：YAG纳秒激光脉冲的传输特性及光限幅特性。入射抽运脉冲能量较低时,非线性介质对纳秒激光脉冲呈光学透明。入射抽运脉冲能量高于受激布里渊散射产生阈值后,透射脉冲峰值受限,脉宽压缩,能量趋于饱和,说明该光学系统同时具有光功率限幅和能量限幅的光限幅特性。利用理论模型模拟了如下光限幅参量：透射脉冲峰值功率、透射能量、能量透射率、脉宽压缩率依赖抽运光能量的变化关系。相应的理论模拟计算结果由实验进行验证,实验结果与理论模拟相符合。     

大型光学元件中的横向受激布里渊散射

研究大型光学元件中横向受激布里渊散射的特点和破坏机制,以及横向受激布里渊散射的抑制方案。在理论分析的基础上,进行数值模拟。当入射光强足够高,材料的横向尺寸足够大时,在受激散射过程中产生的弹性声波场有可能超出材料的抗拉强度,从而引起力学破坏;增加泵浦光带宽可以显著降低散射光的增益。强激光辐照下的大尺寸光学元件中很容易激发横向受激布里渊散射;对于大多数强激光系统,20GHz的带宽已经足以抑制TSBS带来的影响。