纵向受激布里渊散射的数值模拟与实验研究

论文摘要

纵向受激布里渊散射（LSBS）过程中,由相干的泵浦光场产生的相干声波场强度达到固体光学透明介质的拉应力破坏极限时,将会导致介质的光学-力学相干破坏,本文探讨了不同参数对破坏阈值和破坏形貌的影响。对破坏效应的分析通过一维全瞬态数值模拟来完成,针对LSBS分布式噪声发生器、外部种子光注入式放大器和自种子光式放大器三种模型进行讨论。除了研究LSBS声波场的破坏形貌特点外,还讨论了泵浦光参数（波长、脉宽、脉冲长度、能量、所含Stokes成分比例大小）、种子光强、聚焦参数（焦距、焦点位置）、材料参数（非聚焦、聚焦情况下的长度和材料种类）等对LSBS发生阈值和脉宽压缩效应的影响。一维数值分析的结果提供了对LSBS特性的初步认识,并与后面的三维数值结果形成互补。目前,国内研究LSBS特性均局限于使用一维数值模拟结果与实验结果进行对比验证。国外对三维数值模拟的研究非常普遍,但都做了大量近似,为了更完整地研究LSBS的相位共轭等特性,本文推导了目前所见的最完整的LSBS三维声光耦合波方程组,并进行了数值模拟求解。三维数值模拟主要研究LSBS的相位共轭等优越特性。三维数值求解十分复杂,Fortran语言虽然在进行科学运算时速度快、精度高,但串行程序运算过程仍然需要耗费大量机时,因此本文将串行程序改为并行程序,在Linux系统的LAM平台和Windows系统的mpirun平台上进行并行运算。本文所有数值模拟结果均由并行运算给出。本文首次给出了泵浦光和散射光空间分布规律曲线,验证了LSBS的波前反转特性;另外,还设计了精密的光路,针对研究的光场空间特征,将Fresnel衍射积分进行改造;通过Zernike多项式引入激光波前畸变,通过数值求解存在波前畸变情况下的LSBS声光耦合波方程组验证了LSBS校正波前畸变的功能。文中讨论了自发布里渊散射提供噪声源的LSBS发生器特性,并将此模型与目前广泛使用的分布式噪声源LSBS发生器模型进行了对比,分析了二者的优劣及适用情况。LSBS的增益特性与泵浦光带宽有关,数值模拟中一直采用理想的单频泵浦光以符合最大增益近似;而实验中为了得到较高增益以获得散射光能量提取效率也一直提倡采用窄带宽的单纵模激光做LSBS的泵浦光源。因此详细探讨泵浦光带宽对LSBS特性的影响具有现实意义。本文通过电光调制的方法对泵浦光场进行了调制,通过调制幅度与调制频率控制泵浦光带宽,数值模拟了泵浦光带宽对LSBS增益特性、散射光场、声波场分布的影响,同时提出了一个抑制光纤通信中因LSBS引起的不良影响的方法。实验发现,外部注入Stokes种子光与泵浦光联合入射至介质中,构成LSBS放大器的情况下,LSBS相位共轭效应相对较稳定,因此数值模拟中探讨了种子光强对LSBS增益特性、LSBS相位共轭效应和散射光能量提取效率的影响规律。三维数值模拟也针对以上提到的各种LSBS发生器、放大器进行了研究,数值模拟中通过改变泵浦光的脉冲长度形成了强瞬态（泵浦光脉冲与声子寿命相比拟）和准稳态（泵浦光脉冲大于声子寿命的5倍）,针对这两种情况探讨了泵浦光参数、聚焦参数、材料参数对LSBS散射光场时空分布、散射光能量提取效率、相位共轭保真度的影响规律。三维数值模拟过程都是采用同一套耦合波方程组,针对推导出的耦合波方程组进行了详细的数值模拟,在数值离散及差分迭代求解过程中未再进行任何近似。为了与数值模拟结果相互印证,本文还进行了实验研究。目前国内普遍使用的LSBS介质是气体和液体,而本文采用了无毒无害、无需封装加压或冷却、便于系统化小型化的熔石英玻璃和K9玻璃。主要探讨了实验参数对Stokes散射光的脉宽压缩效应和散射光能量提取效率的影响规律,探讨了如何通过调整实验条件（包括泵浦激光的重复频率、能量、透镜焦距、焦点位置、样品长度、材料种类、镀膜与否）获得较高的后向Stokes散射光能量提取效率。国内首次在K9玻璃和熔石英玻璃中均得到了90%的散射光能量提取效率,认为K9玻璃也可以成为一种新的固体LSBS介质。实验首次就固体光学透明介质中多纵模的LSBS进行了初步研究,认为多纵模情况下,同样可以发生LSBS效应;多纵模容易造成固体光学透明介质的光学击穿破坏,但光学击穿的发生并不一定会阻碍LSBS的继续发生。本文还针对双棒的LSBS散射光能量提取效率进行了实验研究,实验结果表明,单就散射光能量提取效率而言,双棒并不比单棒有优势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 纵向受激布里渊散射的研究背景
• 1.2 纵向受激布里渊散射的发展和研究现状
• 1.2.1 国外对LSBS 的研究现状
• 1.2.2 国内对LSBS 的研究现状
• 1.3 本文的研究内容和方法
• 第二章 LSBS 的经典耦合波理论
• 2.1 SBS 的经典声光耦合方程组
• 2.1.1 SBS 的非线性极化理论
• 2.1.2 基于电致伸缩效应的SBS 光波场方程
• 2.1.3 基于N-S 方程组的SBS 声波场方程
• 2.2 三维瞬态LSBS 声光耦合波方程组
• 2.3 LSBS 耦合波方程组的数值求解方法
• 2.3.1 LSBS 模型的发展和研究现状
• 2.3.2 LSBS 数值模拟的发展和研究现状
• 2.3.3 本文求解的三维LSBS 声光耦合波方程组先进性分析
• 第三章 LSBS 特性的初步认识及破坏机理的研究
• 3.1 LSBS 的光学－力学相干破坏理论
• 3.1.1 强激光的破坏机理模型
• 3.1.2 LSBS 破坏机理的理论发展
• 3.1.3 LSBS 声波场造成的力学破坏判据
• 3.2 LSBS 的后向Stokes 散射光特性
• 3.3 相互作用长度对LSBS 破坏规律的影响
• 3.3.1 矩形脉冲的LSBS
• 3.3.2 高斯脉冲的LSBS
• 3.4 材料种类对LSBS 破坏机理等特性的影响
• 3.4.1 聚焦高斯光束LSBS 系统的光路分析
• 3.4.2 高斯脉冲的频谱分析
• 3.4.3 材料种类对LSBS 破坏形貌等特性影响的数值分析
• 3.5 泵浦光参数对LSBS 破坏形貌等特性的影响
• 3.6 聚焦参数对LSBS 破坏机理等特性的影响
• 3.7 聚焦情况下相互作用长度对LSBS 特性的影响
• 3.8 本章小结
• 第四章 LSBS 三维数值模型构建与特性分析
• 4.1 高斯光束的三维LSBS 理论模型
• 4.2 三维LSBS 的数值求解分析
• 4.3 三维LSBS 数值模拟的并行运算
• 4.3.1 并行计算平台
• 4.3.2 并行算法处理
• 4.3.3 并行计算结果与串行计算结果比较
• 4.4 Stokes 散射光的波前反转特性
• 4.5 Fresnel 衍射场的三维LSBS 理论模型
• 4.5.1 LSBS 相位共轭效应校正激光波前畸变原理
• 4.5.2 LSBS 校正波前畸变原理的验证方案
• 4.5.3 Fresnel 衍射场分布的计算方法
• 4.5.4 Fresnel 衍射法验证LSBS 波前畸变校正功能
• 4.5.5 LSBS 校正波前畸变原理的数值模拟
• 第五章 系统参数对LSBS 特性影响的三维数值分析
• 5.1 LSBS 特性参数的定义
• 5.2 自发布里渊散射式LSBS 发生器的研究
• 5.2.1 理论模型构建
• 5.2.2 数值模拟分析
• 5.3 泵浦光带宽对LSBS 的抑制作用
• 5.3.1 物理模型构建
• 5.3.2 数值模拟分析
• 5.4 外部种子光注入强度对LSBS 特性的影响
• 5.5 聚焦参数对LSBS 特性的影响
• 5.5.1 焦距对LSBS 特性的影响
• 5.5.2 焦点位置对LSBS 特性的影响
• 5.6 泵浦光参数对LSBS 特性的影响
• 5.6.1 泵浦光束腰半径对LSBS 特性的影响
• 5.6.2 泵浦光能量对LSBS 特性的影响
• 5.6.3 泵浦光脉冲长度与脉宽对LSBS 特性的影响
• 5.6.4 泵浦光波长对LSBS 特性的影响
• 5.6.5 结论
• 5.7 材料参数对LSBS 特性的影响
• 5.7.1 材料种类对LSBS 特性的影响
• 5.7.2 声子寿命对LSBS 特性的影响
• 5.7.3 聚焦情况下介质长度对LSBS 特性的影响
• 5.8 本章小结
• 第六章 熔石英与K9 玻璃中LSBS 特性的实验研究
• 6.1 实验原理
• 6.2 材料参数对LSBS 特性的影响
• 6.3 泵浦光脉宽对LSBS 散射光能量提取效率的影响
• 6.4 重复频率对LSBS 散射光能量提取效率的影响
• 6.5 聚焦参数对LSBS 特性的影响
• 6.5.1 泵浦脉冲重复频率5Hz 时聚焦参数的影响
• 6.5.2 泵浦脉冲重复频率1Hz 时聚焦参数的影响
• 6.5.3 本节小结
• 6.6 多纵模激光的LSBS
• 6.7 本章小结
• 全文总结
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文