删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

水体参数对受激布里渊散射阈值及增益的影响

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

摘要:受激布里渊散射在激光雷达海洋遥感领域具有广泛应用, 而水体参数变化对其阈值及增益等关键特征参数影响的研究还很缺乏. 本文利用分布式噪声模型及耦合波方程, 理论分析了水的温度、压强和衰减系数对受激布里渊散射阈值和增益系数的影响. 在理论分析基础上, 设计了一种温度压强可控实验系统, 采用平均衰减系数法实验测量了不同温度、压强及衰减系数下的阈值和增益系数. 结果表明, 受激布里渊散射阈值随压力和衰减系数的增大而增大, 随温度的升高而减小, 而增益系数则呈现与阈值相反的变化趋势. 温度和衰减系数对阈值和增益系数的影响大于压力. 研究结果对受激布里渊散射激光雷达海洋遥感探测具有重要意义.
关键词: 受激布里渊散射/
阈值/
增益/
水体参数

English Abstract


--> --> -->
受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)是由入射高功率激光与介质内声波场相互作用而产生的[1-3], 是一种典型的非线性散射效应, 其所具有的脉宽压缩、高能量反射率、多普勒频移等特殊性质使其在高功率短脉冲激光的获取[4]、窄带射频和光信号滤波[5,6]、超宽带信号的产生[7]、高灵敏度和高特异性的布里渊散射显微镜的研制[8,9]和激光雷达水下目标探测[10]等领域具有广泛应用. 其中, SBS激光雷达海洋遥感探测技术具有信噪比高、探测距离远和信号采集方便的优点, 可用于实时探测海水参数[11,12]. 在用于海洋环境遥感探测时, 水下的温度和压强等水体参数会对SBS的产生造成影响. 阈值和增益系数是SBS激光雷达研究中的两个重要特征参数, 介质参数的变化会影响SBS的阈值和增益系数. 因此, 研究水体参数对SBS阈值及增益的影响对改善SBS激光雷达的探测性能具有重要意义.
在我们前期研究中, 利用平均衰减系数法测量了水中的SBS阈值, 同时结合瞬态SBS阈值与增益的关系得出了温度对SBS增益的影响[13]. 而有关水的压强及衰减系数对SBS阈值和增益影响的研究工作尚未开展. 为了深入研究SBS阈值和增益与水体参数之间的依赖关系, 本文分别从理论和实验两方面讨论了温度、压强和衰减系数对SBS阈值及增益系数的影响. 理论上, 依据瞬态SBS强度公式得出SBS阈值和增益随水的温度、压强和衰减系数的变化规律. 实验中, 通过测量激光在水中传输衰减系数的变化, 确定不同水体参数下水中SBS的阈值和增益系数, 从而得出温度、压强和衰减系数对SBS阈值及增益的影响规律.
2
2.1.水体参数对布里渊散射强度的影响
-->图1为布里渊散射的产生过程, 当高斯光束在水中传输时, 由于介质内部热激发导致的密度涨落将产生一定频率范围的高频声波, 声波在水中连续不断地产生和湮灭, 形成瞬态相位光栅. 其内部物理过程为: 波矢量为$ {\boldsymbol{k}}_{\mathrm{P}} $的入射光与波矢量为$ {\boldsymbol{k}}_{\mathrm{a}} $的声波相互作用, 产生波矢量为$ {\boldsymbol{k}}_{\mathrm{S}} $的散射光. 由于布拉格光栅随着水中的声速移动, 则根据多普勒效应将产生发生频移的Stokes和anti-Stokes光, 且两种散射光与入射光的频率差均为超声波频率, 形成自发布里渊散射. 此时, 散射光在各个方向上均存在. 随着入射光的增强, 介质中的电致伸缩效应增强, 产生更强的声波场, 使后向散射效应增强, 产生沿后向传播的SBS信号光.
图 1 布里渊散射的产生过程
Figure1. Process of Brillouin scattering.

SBS的噪声起振模型主要包括边界式噪声注入模型[14]、分布式噪声模型[15,16]、自发Brillouin散射噪声源模型[17]等. 为了解SBS产生过程中泵浦光、透射光及布里渊散射光能量的变化情况, 徐德[18]采用分布式噪声模型分析了非聚焦泵浦下SBS的产生, 在此基础上, 我们采用该方法对不同能量密度下泵浦光、Stokes光和透射光的波形进行了仿真, 仿真结果如图2所示.
图 2 激光器泵浦能量分别为60, 70, 80 mJ时, 泵浦光、Stokes光和透射光的波形
Figure2. Temporal waveforms of pump, Stokes and transmission laser beams at the pump energy of 60, 70, 80 mJ.

数值模拟中参数设置为: 水池长度为1 m, 水的折射率为1.324, 水的衰减系数$ \alpha =0.\text{25}\;{\mathrm{m}}^{-1} $, 水中SBS增益系数为3.8 cm/GW, 声子寿命为0.26 ns, 泵浦光波长为532 nm, 脉冲宽度为8 ns, 束腰位置为0.5 m, 初始噪声幅值为10–5 cm–1. 由图2可知, 泵浦光能量较弱时, Stokes光十分微弱, 随着泵浦光强的增加, Stokes能量逐渐增强, 透射光能量受散射影响, 其峰值功率降低, 且波形不再是理想的高斯型, 这是SBS的光限幅特性. 由于SBS光脉冲与泵浦光脉冲传播方向相反, 总是SBS前沿首先与未被衰减的泵浦光脉冲相遇, 获得优先的放大, 而后沿不参与或很少参与耦合放大, 在放大的过程中, 脉冲前沿由于增益饱和效应而上升很快. 因此, 在脉冲得到完全放大后, 激光脉冲能量转移到了一个很窄的背向脉冲中, 从而实现脉冲压缩.
2
2.2.水体参数对SBS增益的影响
-->当泵浦激光达到阈值并激发出SBS信号后, SBS增益决定了Stokes光的放大, 介质中的布里渊散射增益系数可表示为[15]
${g}_{\mathrm{S}}=\frac{{\omega }_{\mathrm{s}}^{2}{\left({\gamma }_{\mathrm{e}}\right)}^{2}{\tau }_{\rm B}}{{c}^{3}n{\upsilon }_{\mathrm{s}}{\rho }_{0}}\text{,}$
其中$ {\omega }_{\mathrm{s}} $是布里渊散射频率; $ {\gamma }_{\mathrm{e}} $是电致伸缩系数; $ c $是介质中的光速; $ n $, $ {\upsilon }_{\mathrm{s}} $, $ {\rho }_{0} $分别是介质的折射率、声速和密度. 水中的声子寿命$ {\tau }_{\mathrm{B}} $可表示为[19]
${\tau }_{\mathrm{B}}=\frac{{\rho }_{0}{c}^{2}}{\eta {\omega }_{\mathrm{S}}^{2}{n}^{2}}\text{,}$
其中$ \eta $为介质的体黏滞系数. 对于特定的波长$ \lambda $, 水中声速$ {\upsilon }_{\mathrm{s}} $可用布里渊散射频移$ {v}_{\mathrm{B}} $表示[11]:
${\upsilon }_{\mathrm{s}}=\frac{\lambda }{2n}\frac{{v}_{\mathrm{B}}}{\sin\left({\theta }/{2}\right)}\text{,}$
式中$ \theta $为散射角. 当水体参数改变时, 水中的黏滞系数及声速会发生变化, 导致SBS增益的改变.
图3给出了分布式噪声模型仿真所得不同水体参数下的SBS脉冲波形, 泵浦光能量为26 mJ. 从图3可以看出, 在衰减系数$ \alpha =0.\text{25}~{\mathrm{m}}^{-1} $, 温度为$ T $ = 25 ℃, 压强分别为0, 4和10 MPa的水中, Stokes的强度随着压强的增加而降低; 衰减系数$\alpha \!=\!0.25\;{\rm m}^{-1},$ 压强为4 MPa时, 温度为20和25 ℃的水中, 温度越高Stokes强度越强; 温度为25 ℃且压强为4 MPa时, Stokes的强度与衰减系数负相关. 因此, 入射光能量一定时, 水温越高, SBS强度越高; 压强越大, SBS强度越低; 衰减系数越小, SBS强度越高. 产生该现象的原因是, 当温度及衰减系数恒定时, 0—10 MPa的水体压强对黏滞系数的影响较小[20,21], 可忽略, 仅考虑压强对声速的影响. 由于水中声速与压强正相关[22], 随着压强的增加, 声速逐渐增大, 导致SBS的增益系数减小, 因此Stokes强度较弱. 当衰减系数及压强恒定时, 水体温度的增加将导致水体黏性减小, 声子寿命增大, SBS的脉冲建立过程相对缓慢, 导致SBS强度低[23,24,25]; 反之, 水体温度降低, 声子寿命减小, SBS脉冲迅速建立, 泵浦光能量在极短的时间内向SBS信号充分转移, 因此Stokes强度较强. 当水体温度及压强恒定时, 依据朗伯比尔定律, 水的衰减系数增大, 泵浦能量衰减增大, 透射光能量及SBS信号能量衰减增加, 因此Stokes强度较弱.
图 3 不同温度、压强和衰减系数下泵浦光和Stokes光的波形
Figure3. Temporal waveforms of pump and Stokes laser beams at different temperatures, pressures and attenuation coefficients.

2
2.3.SBS阈值的理论计算
-->为从理论上定量分析SBS的阈值随水体参数变化的规律, 可采用SBS耦合波方程法来确定SBS阈值. 同时, 激光在水中传输时, 由于水的声子寿命$ {\tau }_{\mathrm{B}} $大于SBS相互作用时间, 则在这种条件下, SBS偏向瞬态[26]. 因此, 在理论研究方面可从瞬态SBS的角度讨论阈值, 瞬态SBS的阈值可表示为
${I}_{\mathrm{t}\mathrm{h}}\geqslant \frac{1}{2{g}_{\mathrm{S}}{\tau }_{\mathrm{B}}c}+\frac{\alpha }{{g}_{\mathrm{S}}}\text{.}$
由(4)式可看出, SBS阈值与衰减系数成正比, 与SBS增益系数成反比, 因此, 当温度和压强的改变引起SBS增益变化时, SBS的阈值也会随之改变.
为了清晰地显示SBS阈值与水体参数的关系, 图4给出了纯水中稳态和瞬态SBS阈值随温度、压强和衰减系数的变化. 图4(a)图4(b)分别为温度25 ℃时, 稳态和瞬态SBS阈值随压强和衰减系数的变化. 可以看出, 稳态和瞬态SBS阈值均与压强和衰减系数正相关. 然而, 压强对稳态SBS阈值的影响要小于压强对瞬态SBS阈值的影响. 主要原因是, 不同于瞬态SBS, 稳态SBS阈值由经典的小信号理论, 可近似为衰减系数与增益的函数, 衰减系数一定时, SBS阈值仅与增益的倒数线性正相关. 然而, 0—10 MPa时, 压强对介质参数, 如水体黏滞系数、水中声速产生的影响较小, 随着压强的增加, SBS增益系数的变化量较小, 因此阈值增量较小.
图 4 水中SBS阈值随水体参数的变化 (a) 25 ℃, 稳态阈值; (b) 25 ℃, 瞬态阈值; (c) 0 MPa, 稳态阈值; (d) 0 MPa, 瞬态阈值; (e) 0.25 m–1, 稳态阈值; (f) 0.25 m–1, 瞬态阈值
Figure4. Simulation values of steady- and transient-state threshold value of SBS at different water parameters: (a) 25 ℃, steady-state; (b) 25 ℃, transient-state; (c) 0 MPa, steady-state; (d) 0 MPa, transient-state; (e) 0.25 m–1, steady-state; (f) 0.25 m–1, transient-state.

图4(c)图4(d)分别是压强为0 MPa时稳态和瞬态SBS阈值随温度和衰减系数的变化, 可以看出, 随着温度的升高, 稳态和瞬态SBS阈值逐渐降低, 随着衰减系数的增大, 阈值逐渐增大. 这主要是因为温度引起的水体黏滞系数及水中声速的变化导致SBS增益系数改变, 进而引起稳态及瞬态SBS阈值的变化. 在衰减系数恒定时, 瞬态SBS阈值是声速与增益系数的函数, 因此温度的变化对瞬态SBS阈值的影响远大于温度对稳态SBS阈值的影响.
图4(e)图4(f)分别为衰减系数为0.25 m–1时, 稳态和瞬态SBS阈值随温度和压强的变化. 可以看出, 温度及压强一定时, 稳态和瞬态SBS阈值在数值上有一定差异, 但两者随温度和压强的变化趋势相同, 温度对SBS阈值的影响远大于压强对SBS阈值的影响. 综合上述讨论, 对于稳态SBS的阈值, 温度和衰减系数是主要影响因素, 压强是次要影响因素; 对于瞬态SBS的阈值, 温度是主要影响因素, 衰减系数及压强是次要影响因素.
图5给出了采用平均衰减系数法[27]实验测量得到的温度为25 ℃和水的衰减系数α为0.3 m–1时, 压强分别为2和4 MPa下单纵模和多纵模激光在水中传输时衰减系数的变化. 实验过程中, 水池与控制系统连接, 用来控制水池内的水体温度和压强, 温度控制精度为0.02 ℃, 压强控制精度为0.01 MPa. 同时, 控制系统可实现对水池内水体循环, 从而控制水体衰减系数. 从图5可以看出, 随着压强的增大, 单纵模激光平均衰减系数与多纵模激光平均衰减系数分离点所对应的泵浦光强度在不断增加, 即SBS的阈值随着压强的增加而增加, 因此采用衰减系数法可有效确定温度、压强和衰减系数对SBS阈值的影响.
图 5 泵浦光在水中的衰减系数 (a) 25 ℃, 2 MPa; (b) 25 ℃, 4 MPa
Figure5. Measured attenuation coefficient of pulsed laser beams in water: (a) 25 ℃, 2 MPa; (b) 25 ℃, 4 MPa.

图6所示为不同温度、压强和衰减系数下的SBS阈值的实验测量结果. 可以看出, 温度一定时, SBS阈值随着压强的增大而增大; 当温度和压强恒定时, 水的衰减系数越大, SBS阈值越高; 同一压强下, 温度越高, SBS阈值越小.
图 6 不同水体参数下SBS阈值的实验测量结果 (a) $\alpha =0.25\;{\mathrm{m}}^{-1}$; (b) T = 25 ℃
Figure6. Experimental measured values of threshold value of SBS in water at different water parameters: (a) $\alpha =0.25\;{\mathrm{m}}^{-1}$, (b) T = 25 ℃.

图7为不同温度、压强和衰减系数下SBS阈值的理论仿真与实验测量结果的比较. 可以看出, SBS理论计算所得阈值与实验测量阈值具有相同的变化趋势, 但数值上有一定差异, 这主要是因为理论仿真考虑的是理想瞬态SBS的情况, 而实验中产生的SBS既不属于理想稳态SBS又不属于理想瞬态SBS, 实验测量值为偏向于瞬态SBS情况. 同时, 理论仿真仅考虑布里渊散射现象的产生, 然而实验测量过程中, 也将发生其他非线性效应, 进而导致实验值与理论值具有一定差异.
图 7 不同水体参数下SBS阈值的实验测量与理论仿真结果对比 (a)相同衰减系数、不同温度; (b)相同温度、不同衰减系数; (c)相同压强和衰减系数、不同温度
Figure7. Comparison of experimental measurements with theoretical simulations of SBS threshold at different water parameters: (a) Different temperatures at the same attenuation coefficient; (b) different attenuation coefficients at the same temperature; (c) different temperatures at the same pressure and attenuation coefficient.

根据(4)式及实验测量的阈值, 可得到不同温度和压强下SBS增益, 如图8(a)图8(b)所示. 图8(c)图8(d)给出了由SBS增益公式理论仿真所得的压强为0—10 MPa, 温度为5—30 ℃时的SBS增益. 将实验测量结果与理论仿真进行对比可以看出, 温度恒定时, 随着压强的增大, SBS增益将逐渐减小; 压强恒定时, 随着温度的增高, SBS增益将逐渐增大. 比较实验测量值与理论仿真值可知, 温度对SBS增益的影响大于压强对SBS增益的影响. 这主要是因为温度对水的声速和黏滞系数的影响较大, 而压强为0—10 MPa时, 其对水的黏滞系数影响较小, 可以忽略不计.
图 8 不同温度及压强下SBS增益的理论仿真与实验测量结果 (a), (b)实验值; (c), (d)理论值
Figure8. Comparison of experimental measurements with theoretical simulations of gain coefficient in water at different temperatures and pressures: (a), (b) Experimental values; (c), (d) theoretical values.

本文从理论和实验两方面研究了水体参数对SBS阈值和增益的影响. 理论上, 首先通过分布式噪声模型确定了温度和压强对SBS阈值和增益的影响; 其次, 为了定量分析温度和压强对SBS阈值的影响, 由瞬态SBS强度方程理论得出了SBS阈值随温度、压强和衰减系数的变化规律. 实验上, 通过测量不同温度及压强下SBS阈值, 进一步验证了温度、压强和衰减系数对SBS阈值的影响. 依据SBS阈值与增益的依赖关系, 通过SBS阈值测量结果计算得到不同水体参数下SBS增益, 并将计算结果与增益公式所得理论值进行对比, 进而确定温度和压强对SBS增益的影响. 研究结果表明, SBS阈值随着温度的升高而降低, 随着压强和衰减系数的增大而增大; SBS的增益与温度正相关, 与压强负相关.
相关话题/实验 测量 激光 信号 阈值

  • 领限时大额优惠券,享本站正版考研考试资料!
    大额优惠券
    优惠券领取后72小时内有效,10万种最新考研考试考证类电子打印资料任你选。涵盖全国500余所院校考研专业课、200多种职业资格考试、1100多种经典教材,产品类型包含电子书、题库、全套资料以及视频,无论您是考研复习、考证刷题,还是考前冲刺等,不同类型的产品可满足您学习上的不同需求。 ...
    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
  • 基于阶梯相位调制的窄谱激光主动照明均匀性
    摘要:提出一种基于阶梯相位调制的窄谱激光主动照明方法,利用阶梯型相位调制器对窄谱激光进行相位调制,提高照明激光到达目标处的光斑均匀性和稳定性.建立了窄谱激光阶梯相位调制和照明激光远场光斑均匀性的理论模型,搭建了光束经过1.8km水平传输的窄谱激光主动照明实验平台,通过5阶梯相位调制器对0.05nm线 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 基于时延光子储备池计算的混沌激光短期预测
    摘要:提出并证明了一种利用时延光子储备池计算短期预测混沌激光的时间序列.具体来说,建立基于光反馈和光注入半导体激光器的储备池结构,通过选择合适的系统参数,时延光子储备池计算可以有效地预测混沌激光约2ns的动态轨迹.此外,研究了系统参数对预测结果的影响,包括掩模类型、虚拟节点数、训练数据长度、输入增益 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 基于自旋体系的量子机器学习实验进展
    摘要:机器学习因其在模式识别等问题上的优势已经被广泛应用到各个研究领域,然而其运算能力在一定程度上受到经典计算机算力的制约.近年来,随着量子技术的高速发展,量子计算加速的机器学习在诸多量子体系中进行了初步实验验证,并在某些特定问题上展示出了超越经典算法的优势.本文主要介绍两类典型的自旋体系—核磁共振 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 硼中子俘获治疗中的含硼-10药物分布及浓度在体测量方法研究进展
    摘要:硼中子俘获治疗(boronneutroncapturetherapy,BNCT)是一种结合含硼-10靶向药物和重离子肿瘤治疗的二元精确放射治疗方法,但经过近70年的发展,BNCT仍然未能真正进入临床应用.含硼-10药物在体内的浓度分布测量方法不能满足临床需求,影响治疗的效果和安全性,是目前BN ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 混合气体测量中重叠吸收谱线交叉干扰的分离解析方法
    摘要:在基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy,TDLAS)进行多种组分混合气体测量时,经常会遇到吸收谱线之间存在相互干扰的现象,这也是使用该技术测量过程中的主要“瓶颈”.比如在前期的应用中:微量一氧化碳(CO)和甲烷气体(C ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • L型步行通道内行人转弯行为的实验分析与仿真
    摘要:以L型步行通道内的单向行人流为研究对象,基于可控实验与微观仿真研究行人转弯行为.首先,构建转弯区无障碍物、障碍物沿转弯区对角线布局、以及障碍物垂直转弯区对角线布局三种实验场景,通过行人可控实验分析行人移动轨迹、速度分布等行为特征;然后,基于L型通道内的行人微观行为,改进基于Voronoi图的速 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 甚低频台站信号对地球内辐射带和槽区能量电子的散射效应分析
    摘要:人工地面甚低频台站发射的10—30kHz信号主要在地球—低电离层波导传播,部分能量会泄露进入内磁层,进而会影响近地空间中高能电子的动态变化过程.本文详细研究了NWC,NAA和DHO38三个人工甚低频台站信号对内辐射带和槽区高能电子的散射作用.基于准线性理论,分别计算了三个甚低频台站信号单独和共 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 基于微波-电子康普顿背散射的环形正负电子对撞机束流能量测量方案
    摘要:环形正负电子对撞机(CEPC)束流能量的精确标定是希格斯粒子质量宽度、W/Z玻色子质量的精确测量,从而精确检验标准模型的基本实验依据.基于此,束流能量的误差控制要求在10–5水平.康普顿背散射方法是适用于百GeV高能电子对撞机束流能量高精度标定的测量方法.本文拟采用微波电子康普顿背散射后对散射 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 飞秒激光在空气中成丝诱导氮荧光发射的空间分布
    摘要:测量了线偏振飞秒激光脉冲在空气中成丝产生的氮荧光发射的空间分布.通过改变激光的偏振方向研究成丝过程中氮荧光发射的径向角分布,发现${m{N}}_{{2}}^{{+}}$荧光发射在垂直于激光偏振方向上更强,而在平行于激光偏振方向上较弱;${{m{N}}_{{2}}}$荧光发射在所有方向上 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 高超声速三角翼上横流不稳定性的实验研究
    摘要:本文研究了三角翼迎风面边界层中的非定常横流不稳定性.实验在马赫6低噪声风洞中进行,模型为平板构型,攻角为5°和10°.通过温敏漆技术,观察到在远离头部的区域,边界层转捩阵面光滑且平行于前缘,通过Kulite高频脉动压力传感器得到的功率谱密度曲线中有明显的f≈10kHz的扰动波信号峰值.利用基于 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29