标准盐度下水的受激布里渊散射阈值研究

阈值是界定是否发生某一现象的依据，是区分不同本质、 不同规律的分水岭。因此，阈值在研究跳变性实验现象时具 有重要意义。水中的布里渊散射在军事、科学上的意义正是 通过测量产生的受激布里渊散射信号，并分析其信号的线宽、 stocks信号等来探测反隐身以及水中盐度、温度和水质情况 的重要方法。受激布里渊信号的强弱直接影响着测量的精度 和深度等问题，而对受激布里渊散射阈值的研究，可以使我 们在对布里渊回波信号的研究上提供较为真确的尺度。特别 是对水域繁多、水性复杂的海洋来说，其研究只能一步一步, 对影响探测的因素进行逐一研究。因此，进行海水的受激布里渊散射阈值研究具有重要的实际意义。

本文结合以前的工作，尤其是在参考文献［1-3］的启发下, 分析了样品池的长度、入射激光性质与SBS阈值的关系，并 进行了实验和分析，就标准盐度下水的布里渊阈值特性进行了 研究。

1理论分析

1.1受激布里渊散射的一般描述

在非线性光学中，介质感应声学运动的主要作用机理是 电致伸缩效应，其相应时间约在纳秒级。由于伸缩效应的存在, 入射介质的强光波场会与其相互作用、激发，从而产生散射 光(stocks)；又由于声波能量远远小于入射激光能量，因此可 以忽略声波的影响。当入射光较弱时，介质内自发声震动太过微弱，不会产生电致伸缩效应，不会增强入射光的散射。而当 入射光足够强，足以使介质由电致伸缩效应产生的声波与对应 的散射光增益大于各自的损耗时，就会对布里渊散射光进行 放大，这就是受激布里渊散射效应。

在量子观上，受激布里渊散射是声子、光子相互作用的 结果，同时又遵循能量和动量守恒。因此，可以作出推断，受 激布里渊散射会有两种可能的作用过程：第一是在湮灭一个人 射光子后，会产生一个入射光子，同时产生一个散射光子和感 应声子(stocks):第二是湮灭一个入射光子和一个声子，同时 产生一个散射声子(anti-stocks)。因此，受激布里渊散射频移 可以表示为：

其中，v»为频移量，*为声速，i为散射角。前面的土号表 示方向。

由式⑴可知，SBS主要发生的是后向散射，当0=%时, 频移量最大,此外,SBS的最大增益长度对应于相互作用长度L， L 一般取沿光轴方向；0=n时，声波场响应时间最小，SBS能 更快地产生。本研究中使用的都是短脉冲激光，脉冲持续时 间不超过几十纳秒，因此本文仅考虑0=n方向上的情况。

1.2理论分析

由非线性光学可知，耦合波方程组为:

在平面波近似，且忽略电场的横向分布情况下，泵浦光、 斯托克斯光以及声波场可表示为：

把式(4)~式(5)代入式(2)、式(3)，同时略去时间导数, 在缓变近似和忽略二阶导数项的近似条件下，消去介质中声波 场方程，可得:

其中，Dk = ks + kp - k_a，c为电致伸缩系数。 这样，光强与振幅具有如下关系：

由此可得出空间变化方程为：

设介质内光场损耗系数为«，抽运光的吸收相对于自身 光强，可忽略，那么，对stocks光场，有：

从而得到z=0处，有：

这样，当增益大于损耗时，就有散射光射出，即：

将上述各式代入，则有：

这就是受激布里渊散射的阈值光强。其中，”为折射率，c为 电致伸缩系数，T_a为声子寿命。

2实验研究

2.1实验原理

本项目的实验原理如图1所示。图中的1为二分之一波 片；2为四分之一波片；3为观察屏；ED1为探测器1 ； .ED2 为探测器2。实验采用的激光器为种子注入式Nd：其中YAG 脉冲激光器的重复频率为10 Hz,脉冲宽度为8 ns,激光线宽 可调。没有种子光注入时，为宽带激光(模式未锁定),线宽 为30 GHz ；当有种子光注入时(此时模式锁定),为窄带激光, 线宽为90 MHz。入射激光聚焦与非聚焦所得到的结果有较大 的不同，但聚焦的情况比较复杂，在此采取非聚焦的入射方式。 弓I起受激散射的介质的光学特性可由入射激光能量的改变而 改变。通过改变激光器的电压可以改变激光能量，可用于研 究介质的光学特性。

宽带激光不仅分散了激光能量，而且其各自特性也不同， 同时不同模式的阈值也各不相同。又由于宽带激光存在多模竞 争，各个模式持续的时间极短，因此，宽带激光的SBS没有 明显的阈值特性。为了更好地研究SBS在35%。盐度下水的阈 值特性，本文直接采用有种子光注入的窄带激光模式。

由式(15)可知，只有n和a由介质确定，而其余的参数 随着激光器模式的确定变化不大，而且激光入射对n基本没 有影响，因此，介质衰减系数a便是激光阈值特性的具体体现。 通常可以通过测量样品的衰减系数来研究其特点。

若把空紅时，探测器ED1和ED2探测到的光强记为11、 L，分光镜的分光比为k，，水槽前后表面的衰减率为k2,玻璃 透过率为T，则透过空紅的光强为：

L = I k ksT： (16)

水槽中装有样品(本文为35%。的盐水)时，探测器ED1 和ED2探测到的光强记为I、I，玻璃与样品间的透射率设 为T2,激光在水中的衰减系数设为a，水槽长度为1，则透过 的光强为：

I2= Ii'ki k T2e- (17)

在水槽垂直入射时，透射率T = 4ni如/(〃1 +如)²，其中玻 璃折射率地=1.50,标准盐度下水的折射率％=1.337 42,那么， 求解式(16)和式(17)所得到的平均衰减系数为：

C = -1ln(与停 X 0.996 717) ⁽¹⁸⁾

入射激光能量的变化会直接导致介质衰减系数的变化, 由此反馈的信息也就可以从透射能量的变化体现出来，本实 验正是通过测量透射能量(ED2)和反射能量(ED1),再利用 式(18)得出样品的衰减系数变化情况的。

2.2实验结果及分析

本实验对长度为0.8 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m的样品池 进行以图1所示的方式测量。图2所示是对1.0 m样品池在

宽带和窄带两 种模式下实际 测得的样品衰 减系数的比较， 其中图2(a)为 实测数据，图 2(b)为其拟合 曲线图。图2 中，宽带与窄 带模式的衰减系数相比，其 变化还是比较明显的。

由图2容易看出，在反射激光能量差不多的情况下，窄 带模式较宽带模式所得到的衰减系数有明显的变化。我们称 宽带模式测得的衰减系数为该介质的常衰减系数，常衰减系 数是介质的一般特性，在介质不变的情况下，常衰减系数没有 太大变化。经过多次对该样品的不同样品长度测得的常衰减 系数情况看，所测得的该样品常衰减系数变化不大，和窄带模 式测到的衰减系数相比，可当成常数。图3所示是实测窄带模 式下不同长度的样品衰减系数变化情况以及相应的拟合曲线。

图3中的常衰减系数为多次测量值的拟合，0.8 m、1.2 m、 1.6 m曲线为实测相应样品长度窄带衰减数据的拟合。由图3 明显可以看出：窄带曲线变化巨大，相对于常衰减系数而言, 有向上突变性走向，这正是阈值特性的体现。这是因为当入 射光满足产生SBS条件时，激光的大部分能量用于产生SBS, 而ED2检测到的透射光能量必然大幅减少，由此算出的衰减 系数相应增大。衰减系数斜率有突然的变化，这很好地反映 了激光透过样品的能量大小，也表明了产生SBS的情况，而 且其阈值特性十分明显。此外，受激布里渊具有波前恢复(相 位共轭)特性，当受激布里渊回波信号产生时，从屏上可以观 察到明显的受激布里渊光斑。在实验中观察到出现光斑时的 激光反射能量值较图中的反射能量值大，这是因为在人眼观 察到受激布里渊回波光斑前，受激布里渊散射已经产生，只是 没有达到人眼可观测到的强度。实验证明，实际观察到SBS 时的能量值与文中的理论计算值相符。

3结论

本文通过实验测量了窄带和宽带激光入射到水中的衰减 系数随入射光强变化的曲线，并以两条曲线分开的位置确定 了激光的SBS阈值。总体上说，布里渊认为的在拐点处产生 SBS,这与在模拟海水中观察到的现象相符。