横向受激布里渊散射诱导破坏的数值研究

基于非线性光学的耦合波理论，建立了大尺寸光学元件中横向受激布里渊散射(TSBS)的二维模型及其数值模拟方法，并对熔石英玻璃中的瞬态TSBS进行了理论研究，得到了存在TSBS情况下光学元件内光场和应力场的演变特征，探讨了TSBS对高功率激光系统透过性能的影响，以及在 光学元件内诱导破坏的可能性和规律. 关键词： 横向受激布里渊散射 光学材料 破坏机理 应力场     

后向受激布里渊散射诱导的光学材料破坏机理研究

 区别于传统的受激布里渊散射(SBS)发生器和放大器，提出了一种新型的SBS模型：自供种子光模型 (self Stokes seeding，SSS)。数值求解了SBS耦合波方程组，得到了SBS诱导应力的时空分布。基于SSS建立了高功率激光辐照下光学材料破坏阈值的计算模型，研究了SBS破坏阈值与激光脉宽以及作用区长度的关系。研究发现，SBS作为一种破坏机制，表现为前表面破坏，且破坏阈值与激光脉宽以及作用区长度均成反比。     

后向受激布里渊散射诱导的光学材料破坏机理研究

区别于传统的受激布里渊散射(SBS)发生器和放大器,提出了一种新型的SBS模型：自供种子光模型 (self Stokes seeding,SSS)。数值求解了SBS耦合波方程组,得到了SBS诱导应力的时空分布。基于SSS建立了高功率激光辐照下光学材料破坏阈值的计算模型,研究了SBS破坏阈值与激光脉宽以及作用区长度的关系。研究发现,SBS作为一种破坏机制,表现为前表面破坏,且破坏阈值与激光脉宽以及作用区长度均成反比。     

光-力耦合受激布里渊散射方程组

 采用位移形式表征各向同性介质的运动，从而对传统的SBS耦合波方程组进行改造，使之适用于多维的情况并体现光学理论和力学理论的耦合。采用有限差分方法数值求解了光学-力学耦合型后向SBS方程组，得到了瞬态的位移场、速度场和应力场。计算结果表明，当泵浦光光强为2.0×10 ¹⁵W/m ²时，SBS可激发厚度为1cm的K9玻璃样品的表面产生出0.1nm量级的位移和10m/s量级的速度，对应的应力幅度达到10MPa量级。     

光-力耦合受激布里渊散射方程组

采用位移形式表征各向同性介质的运动,从而对传统的SBS耦合波方程组进行改造,使之适用于多维的情况并体现光学理论和力学理论的耦合。采用有限差分方法数值求解了光学-力学耦合型后向SBS方程组,得到了瞬态的位移场、速度场和应力场。计算结果表明,当泵浦光光强为2.0×1015W/m2时,SBS可激发厚度为1cm的K9玻璃样品的表面产生出0.1nm量级的位移和10m/s量级的速度,对应的应力幅度达到10MPa量级。     

横向受激布里渊散射的抑制

 从非线性光学的耦合波理论出发，结合流体力学的连续性方程，建立了光学元件中窄带泵浦的横向受激布里渊散射的二维理论模型，并在此基础上，利用数值模拟考察泵浦光带宽增加对受激散射过程的影响。研究表明:在一定的条件下，当泵浦光带宽略大于布里渊线宽时，受激散射过程的Stokes增益将显著降低；带宽越大，Stokes增益降低得越多；当带宽大于20GHz时，可以抑制横向受激布里渊散射带来的不良影响。另外，当带宽一定时，调制频率的改变也会影响受激散射过程，可以通过数值模拟确定最佳的调制频率。     

横向受激布里渊散射的抑制

从非线性光学的耦合波理论出发,结合流体力学的连续性方程,建立了光学元件中窄带泵浦的横向受激布里渊散射的二维理论模型,并在此基础上,利用数值模拟考察泵浦光带宽增加对受激散射过程的影响。研究表明:在一定的条件下,当泵浦光带宽略大于布里渊线宽时,受激散射过程的Stokes增益将显著降低;带宽越大,Stokes增益降低得越多;当带宽大于20GHz时,可以抑制横向受激布里渊散射带来的不良影响。另外,当带宽一定时,调制频率的改变也会影响受激散射过程,可以通过数值模拟确定最佳的调制频率。     

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。     

水中受激布里渊散射阈值的研究

在对水中受激布里渊散射阈值的研究中,针对传统定义上的不足,提出一种新的定义和新的测量方法.测量了不同能量的光束在不同长度的水介质中传输,在宽线宽和窄线宽情况下水的衰减系数.通过水的衰减系数的变化来确定不同情况下受激布里渊散射的阈值.试验发现,水中的受激布里渊阈值在理想稳态和理想瞬态下是一个常数,只与泵浦激光和介质属性有关,和介质长度无关;在中间情况下,受激布里渊阈值是否与介质长度有关,还要根据具体情况来分析.     

氯化钠水溶液的受激布里渊散射效应研究

研究了氯化钠水溶液的受激布里渊散射效应,在实验上得到了 SBS 谱,并从而计算了 SBS 频移、STOKES 线宽、氯化钠水溶液的声速、体积压缩系数以及声子寿命。同时也测量了 SBS 阈值、能量转换率以及脉冲压缩系数。对实验结果进行了理论分析。     

The damage of the optical components induced by the stimulated Brillouin scattering

A theory of excitation of ultrasonic waves in the stimulated Brillouin scattering (SBS) process is presented in this paper. By using several reasonable approximations, a numerical calculation of the transient longitudinal SBS shows that large amplitude of acoustic waves can be built up by the nanosecond pulse of high-power laser, which may result in the damage of optical glasses. The maximal density change and the maximal acoustic wave intensity in optical glasses of 5\,cm in thickness are calculated by using different parameters of the high-energy laser, such as the intensity, the pulse width, and the wave length. The damage threshold of the optical glasses is about 80 GW/cm^{2} when using a 1064 nm laser. The dynamic mechanism of SBS is the electrostriction effect of the components coupling with the high-power laser.     

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。     

光纤中的瞬态SBS过程的数值分析与探讨

通过数值方法得到了光纤中的瞬态SBS过程中耦合波和声场的强度分布图,从而分析了光纤中瞬态SBS的发生过程以及光纤长度、泵浦脉宽等因素对SBS反射率及阈值的影响,据此提出了一种新的光纤相位共轭器。     

光纤中的瞬态SBS过程的数值分析与探讨

 通过数值方法得到了光纤中的瞬态SBS过程中耦合波和声场的强度分布图，从而分析了光纤中瞬态SBS的发生过程以及光纤长度、泵浦脉宽等因素对SBS反射率及阈值的影响，据此提出了一种新的光纤相位共轭器。     

反射光中Stokes成分对受激布里渊散射过程的影响

区别于传统的受激布里渊散射(SBS)发生器和放大器，提出了一种新型的SBS模型：自供种子光模型(self stokes seeding,SSS). 通过对抽运光波形函数的傅里叶变换得到了Stokes成分在抽运光中所占的比例，即Stokes能量比. 考虑SSS效应，数值求解了SSS耦合波方程组，得到了SBS反射率的时间演变形式，理论研究发现，当抽运光正入射到平板样品上时，反射光中的Stokes成分极大地促进了SBS起振过程，其结果相当于反向注入一定强度的种子光，而Stokes能量比的大小决定了SBS过程起振 关键词： 光学材料 受激布里渊散射 傅里叶分析 斯托克斯种子光