基于自发瑞利-布里渊散射测量空气的温度

瑞利-布里渊散射的散射截面比拉曼散射大,因而其在大气散射中实现对大气对流层温度廓线的准确测量方面具有一定的优势,同时利用瑞利-布里渊散射实现高压环境下温度的准确测量对于航天飞机主引擎状态的监测和超燃发动机燃烧室参数测量方面具有重要意义。基于自发瑞利-布里渊散射分别采用反卷积方法和卷积方法来实现空气在不同压力条件下的温度反演,研究引起温度反演误差的原因,并对利用两种方法获得的温度测量结果进行了比较。在利用基于维纳滤波器的反卷积方法对测量光谱直接处理实现温度反演之前,首先利用反卷积方法对由自发瑞利-布里渊散射模型与仪器函数卷积得到的卷积光谱进行处理获得反卷积光谱,将反卷积光谱与未经卷积的理论计算光谱进行比较实现温度反演, 并基于温度反演误差小于1.0 K,光谱拟合误差相对较小,光谱处理时间短的参数优化原则对反卷积方法中的关键参数奇异值叠加数进行了优化处理,得到优化后的奇异值叠加数为150。随后实验测量了由532 nm波长的连续激光激发的纯净空气在温度为294.0 K,压强为1～7 bar条件下的自发瑞利-布里渊散射光谱,并结合理论计算光谱和最小χ2值原理对光谱信号散射角进行优化,优化值为90.7°,同时利用反卷积和卷积方法分别对实验测量光谱进行处理实现空气在不同压强下的温度反演。实验结果表明反卷积方法在一定程度上可以提高信号光谱分辨率,而且利用反卷积和卷积方法均可以实现空气在不同压力（1～7 bar）条件下温度的准确测量,温度测量的最大误差均小于2.0 K;利用反卷积方法的温度反演结果随着气体压强的增大随之得到改善,实现温度反演测量所需要的光谱处理时间减少;在空气压强较低（≤2 bar）时,由卷积方法获得的温度反演结果要优于反卷积方法,压强较高（>2 bar）时,两种方法的温度反演结果相近, 其绝对误差均小于1.0 K。通过分析得到引起两种方法温度反演误差的原因主要包括环境温度的波动（±0.2 K）,散射角存在一定的不确定度以及气体的各已知参数的微量偏差对温度测量结果的影响以及反卷积对光谱噪声的非线性放大引起的光谱扰动对温度测量结果的影响。在实验中可以通过提高测量光谱的信噪比、提高散射角的优化精度及改善反卷积方法来获得更加准确的参数测量结果。     

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.     

布里渊散射光纤传感器的交叉敏感问题

基于布里渊散射的全分布式光纤传感器的布里渊频移同时受应变和温度的影响,无法由单一的布里渊频移解析应变或温度的信息,这种交叉敏感问题制约了传感器的实用化。介绍了目前解决交叉敏感问题的主要方法及工作原理。研究了大有效面积非零色散位移光纤(LEAF)的布里渊散射谱与应变和温度的关系,实验发现布里渊谱具有三个布里渊峰,三个峰的布里渊频移与应变和温度成线性关系,第一个峰和第三个峰的布里渊峰峰值功率的差值与温度无关,但与应变成线性关系。最后基于实验结果提出了一种解决交叉敏感问题的方案,获得了大约130με的应变测量精度和8℃的温度测量精度。     

基于自发布里渊散射的双路分布式光纤传感器设计与实现

利用光纤中的布里渊散射光频移与温度和应变呈线性关系的原理,提出了一种基于自发布里渊散射的双支路分布式光纤传感系统。该系统利用不同种类光纤的布里渊频移差别,同时对两条线路的应力和温度进行监测,实现对被测对象多方位的同时测量,缩短了探测时间,提高了工作效率。本文实现了两路光纤的同时监测,用6 km的光纤作为传感介质,获得了4 m的空间分辨率。得到的实验结果表明,提出的系统能准确判断40 ns脉冲光在两路传感光纤沿线产生的自发布里渊背向散射光谱的中心频率变化。      

海洋赤潮温度盐度双参数检测技术研究

针对海洋赤潮的实时监测和预报,提出了一种通过检测海水中布里渊散射回波信号,获取海洋赤潮水体温度和盐度分布信息的双参数检测技术。通过分析布里渊散射理论,建立基于机载蓝绿激光雷达的布里渊散射信号频移量和布里渊散射信号能量与海水温度和盐度的关系模型。通过仿真计算,可由海水中的蓝绿激光布里渊散射回波信号的频移量和能量,分别得出海表及海水50 m深度以内温度和盐度的分布情况,从而可以实现海水温度和盐度的双参数实时获取,为实时判断海洋赤潮的消长过程提供理论依据。     

基于自发瑞利-布里渊散射的氮气体黏滞系数的测量

体黏滞系数是从微观角度认识气体分子黏滞性的重要参数,传统的兆赫兹声频范围的声波吸收方法无法直接应用于声波弛豫效应在千兆赫兹范围的高频领域,而瑞利-布里渊散射则能实现对声波弛豫效应在千兆赫兹的气体体黏滞系数的测量.本文测量了532 nm激光激发的常温下压强分别为1-9 bar的氮气的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用已知温度和压强的理论模型对测量光谱进行了比较,获得了准确的散射角.利用该散射角并结合χ~2值最小原理反演得到不同压强(4—9 bar)下氮气的平均体黏滞系数为(1.46±0.14)×10~(-5)kg·m~(-1)·s~(-1),该结果与文献中利用自发瑞利-布里渊散射获得的结果和理论计算结果相近,但与相干瑞利-布里渊散射的测量结果相差明显.利用该平均体黏滞系数对氮气在不同压强下的温度进行了反演,得到各压强下的温度与实际温度的绝对误差小于2.50 K,反演温度的平均值与实际温度误差小于0.15 K,该结果证明了实验测量得到的氮气的体黏滞系数具有较高的准确性,同时也说明利用瑞利-布里渊散射反演气体参数具有较高的准确性和可靠性.     

鉴别CS2介质受激喇曼散射和受激布里渊散射阈值的微小差异的实…

本文提出一个测试ＣＳ２介质受激喇曼散射和受激布里渊散射阈值的微小差异的实验方法，并成功地获得阈值稍低的受激喇曼散射，而抑制了受激布里渊散射。     

受激布里渊散射对纳秒激光脉冲光限幅规律

 研究了受激布里渊散射对纳秒激光脉冲的光限幅效应。针对四氯化碳介质研究了受激布里渊散射对2ns激光脉冲的光限幅和稳定输出能量的特性,给出了光限幅特性及输出能量与光限幅介质的结构参数之间的关系。对于输入能量波动范围在 13%的激光脉冲,实验获得输出能量波动范围为 7%,与理论分析的结果基本符合。     

水中受激拉曼散射的能量增强及受激布里渊散射的光学抑制

为提高液体介质中受激拉曼散射的输出能量,提出了通过温度调控来抑制受激布里渊散射的方法,设计了532 nm多纵模宽带脉冲激光泵浦的受激拉曼散射发生系统,测量了不同温度下水中前向受激拉曼散射及后向受激布里渊散射的输出能量,分析了水温、泵浦激光线宽及热散焦效应对受激拉曼散射输出能量影响的物理机制.实验结果表明:通过降低水温可实现对受激布里渊散射过程的有效抑制,同时减小热散焦效应带来的光束畸变,从而有效提高受激拉曼散射的输出能量.研究结果对液体介质中的受激拉曼散射多波长转换具有重要意义.     

一种利用混合介质测量SBS介质布里渊线宽的方法

提出了一种利用双池受激布里渊散射(SBS)系统选用混合介质,进而测量SBS介质布里渊线宽的方法.在紧凑双池SBS系统的放大池中放入待测介质,在振荡池中放入布里渊频移可调的混合介质,测出放大池待测介质增益系数随布里渊频移偏离的洛伦兹曲线,该曲线半高处的线宽即为待测介质的布里渊线宽.实验上在Nd:YAG调Q激光系统中,选用CCl₄/C₆H₆混合介质,测量了四氯乙烯(C₂Cl₄)、六氯丁二烯(C_{关键词： 受激布里渊散射 混合介质 布里渊线宽}     

光纤移频分布式布里渊光纤传感技术

提出了一种利用布里渊光纤环形腔移频技术实现分布式光纤布里渊传感的方法.该方法基于布里渊光时域分析法原理,将一束单纵模运转激光器输出的激光分为两束|一束光入射布里渊光纤环形腔中产生窄线宽的受激布里渊散射光作为斯托克斯光,另一束光经过低频相位调制后作为泵浦光|斯托克斯光和泵浦光分别相向入射进入传感光纤,通过测量布里渊谱得到光纤温度或应变.利用该方法可将十几GHz的微波频率转化为兆赫信号频率进行探测处理,仅需一台激光器,因此系统结构简单、成本低,还可减小激光器频率波动对测量准确度的影响.实验验证了该方法的可行性.     

毫米级高分辨率的混沌激光分布式光纤测温技术

近年来,随着分布式光纤传感技术在各大基础设施健康监测领域的广泛应用,人们对能够实现毫米量级精准定位和监测技术的需求日益增长.本文提出了一种基于宽线宽混沌激光的高分辨率分布式光纤测温技术.实验通过改变光反馈混沌源的偏振匹配态和反馈强度等外部参数,产生了–3 dB线宽约为7.5 GHz的宽线宽混沌激光,并在300 m传感光纤实现了空间分辨率为7.05 mm的分布式温度测量.同时,为了抑制光源线宽增加造成的布里渊增益谱恶化,在泵浦路中引入了时间门控技术,其中经脉冲调制后的泵浦光峰值功率提高了约9.5 dB,同时脉冲调制使混沌互相关锁定于脉冲持续时间内,从而布里渊增益谱的信号背景噪声比由约2.28 dB提升为4.55 dB,最终实现了空间分辨率为3.12 mm的分布式温度测量.     

基于吸收光谱和激光干涉技术的气体压力测量方法研究

气体压力光学非接触测量是目前激光技术重要应用领域之一,其中气压测量过程中温度耦合问题是现在面临的研究难点。故而提出一种光谱测量技术与激光干涉技术组合测量方法,通过积分吸光度和折射率融合的方式实现气体压力、温度解耦的目的。分析可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)的直接吸收法测量原理和基于折射率的激光干涉测量原理,建立基于吸收光谱的气压测量模型和基于折射率的激光干涉气压测量模型,通过利用三次多项式拟合吸收谱线强度函数的方式,建立了基于积分吸光度和折射率的气体压力、温度解耦的数学模型。实验搭建了基于TDLAS技术和激光干涉技术的气体压力检测系统,采用中心波长为2 004 nm的可调谐半导体激光器和波长为632.8 nm的激光干涉仪,气室长度为24.8 cm,将CO₂作为研究对象,并以高精度压力控制器和温度传感器的测量结果分别作为压力温度参考值,以真空为背景信号,在室温环境中测量并计算出气体压力变化后积分吸光度值和折射率值,进而解算得到气体压力和温度值。实验结果显示：压力测量结果最大相对误差为3.61%,最小相对误差为0.5%,测量平均相对误差为1.99%;在以开尔文温度为前提下,温度解算结果最大绝对误差为7.66 K,最小绝对误差为0.78 K,测量平均绝对误差为3.29 K,测量结果与参考结果具有较高的吻合度,该研究可为以后光学法测量气体压力温度影响分析提供参考。     

一套高温高压原位拉曼散射、布里渊散射测量系统

本文描述了一套利用激光加热技术、金刚石对顶砧高压技术,集成共聚焦拉曼光谱测量、六通道布里渊散射光谱测量、以及黑体辐射光谱测温,成功搭建起来的高温高压原位拉曼散射、布里渊散射的光学测量系统。利用该系统,并结合薄膜沉积金属、光刻技术改进了金刚石对顶砧中样品的装填方法,解决了样品透明不易加热的问题。已利用该系统得到液态氩在0.85 GPa常温状态下和14.58 GPa熔融状态下的体声速分别为1.85 Km/s和5.19 Km/s。     

神光Ⅲ原型受激拉曼与受激布里渊散射份额测量

激光注入率测量是黑腔耦合效率测量至关重要的一个环节,主要通过散射光测量来实现。在神光Ⅲ原型激光装置上进行的黑腔物理实验中,利用PIN探头阵列进行了散射光角分布测量。通过拟合分析,发现原型装置上激光等离子体非线性相互作用较神光Ⅱ装置要强,其中受激拉曼份额在10%量级,受激布里渊散射在20%量级。将由此评估的激光靶耦合效率代入辐射温度定标率公式中,得出的辐射温度值与实验中Dante测量值符合较好,说明对参量过程份额的评估具有一定可靠性。     

Light scattering from a nonequilibrium fluid undergoing a planar Poiseuille-Couette flow

We calculate the Rayleigh-Brillouin spectrum of a Newtonian fluid undergoing a planar Poiseuille-Couette flow using the fluctuating hydrodynamic approach of Landau and Lifshitz. Our results reduce to the corresponding results for pure Couette flow when the pressure gradient is made to vanish. The Brillouin spectrum is obtainable from that appropriate to Couette flow by a simple rescaling. There are very minute corrections which impart asymmetry to the Brillouin lines as well as the Rayleigh line, and these can be selectively picked up by suitable choice of the scattering geometry.     

高温高压条件下液态氧的声速及弹性系数研究

 采用布里渊散射技术和金刚石对顶砧高压装置,对液态氧进行了高温高压实验研究。入射光采用波长为532 nm的单纵模二极管泵浦固体激光源,布里渊光谱由3+3通道法布里-珀罗干涉仪收集。采用电阻丝外加热方法产生高温,用四柱型金刚石对顶砧压机产生高压。分别在背向散射和60°对称散射配置下,研究了温度在298、367和423 K下液态氧的声速及弹性系数随压力的变化关系,实验的最高温度和压力为423 K、8.9 GPa。结果表明,通过实验测量所得到的声速值与理论计算值较接近,并发现在2.3~4.9 GPa的压力范围内,温度由298 K升高到367 K时,弹性系数并没有明显的减小,认为在这个压力范围内,当温度升高时,液氧的体积不膨胀,即基本保持不变。     

一个新型的基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR系统

报道了新型的分布式传感测量布里渊光时域反射(BOTDR)系统.布里渊散射频移和强度均依赖于温度和应变,因此,BOTDR利用光纤中的自发布里渊散射作为测量信号可以实现分布式温度和应变测量.在BOTDR中,光源采用窄谱半导体激光器,并由声光调制器调制成脉冲光,经掺铒光纤放大器放大后,注入测试光纤以产生自发布里渊散射.利用双通Mach-Zehnder干涉仪分离光纤背向散射中的自发布里渊散射与瑞利散射信号,实现了自发布里渊散射的直接检测.实验结果表明基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR方案是可行的.