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光通信工程研究中心光纤中光散射瑞利散射布里渊散射拉曼散射 Part 瑞利散射 Part 瑞利散射 Lord John William Rayleigh ,英国物理学家, 在声学、波的理论、光学、光的散射、电力学、电磁学、水力学、液体流动理论方面都做出了不可磨灭的贡献, 1904 年,他因发现了惰性元素氩( A r)而荣获了该年度的诺贝尔物理学奖。瑞利( 1842-1919) 瑞利散射: 尺度远小于入射光波长的粒子所产生的散射现象, 该散射的散射光波长等于入射光波长,无频率变化(无能量变化, 波长相同) ,是一种弹性光散射。光纤中的瑞利散射: 是一种基本损耗机制,是由于在制造过程中光纤密度的随机涨落引起折射率的局部起伏,使得光向各个方向散射。图1 光纤中光散射示意图瑞利散射的物理机制量子力学: 实际跃迁是通过某一虚能级的两个虚跃迁过程来完成的,它使一个能量为 hv的入射光子湮灭而同时产生一个能量与入射光子相同的散射光子。瑞利散射的物理机制 hv hv 图2 瑞利散射的量子力学表示示意图虚态基态瑞利散射的定量描述瑞利散射导致的损耗系数 4/?? RRC?单位(dB/km) 对于 处,损耗系数在 - 范围内 2 0)1()( 20WLeePSLP LW R??????????? 2 )1()( 20WLeePSLP W LR??????????mn NA S 1 20??????????其中, 是光纤总的损耗系数, W是光脉冲宽度, S是俘获系数, L 是光纤长度, m= (单模光纤) 光纤中后向瑞利散射的功率: ?瑞利散射的定量描述图3 基于瑞利散射的光时域反射计(OTDR) 2 0)1()( 20WLeePSLP LW R??????????? 2 )1()( 20WLeePSLP W LR??????????mn NA S 1 20??????????后向瑞利散射功率: (Marcel Brillouin , 1854- 1948) ,法国物理学家和数学家,布里渊散射是布里渊于 1922 年提出,可以研究气体,液体和固体中的声学振动。布里渊( 1854-1948) 光纤中自发布里渊散射的物理模型布里渊散射: 布里渊散射的本质是入射光与声学声子相互作用的非弹性散射。分为自发布里渊散射和受激布里渊散射。自发布里渊散射: 在常温状态下光纤中的原子、分子或离子因自发热运动作连续弹性力学振动,形成了光纤中的自发声波场。沿光纤方向的声振动使得光纤的密度随时间和空间周期性变化,从而使得光纤上的折射率被周期调制。这种自发声波被看作是沿光纤运动着的光栅。当泵浦光射入光纤中时,将会受到“光栅”的“衍射”作用,产生自发布里渊散射光。受激布里渊散射: 当进入光纤的入射光泵浦功率超过某一阈值时,光纤内产生的电致伸缩效应,使得沿光纤产生周期性形变或弹性振动,即光纤中产生了相干声波, 该声波沿其传播方向使光纤折射率被周期性调制,从而形成了一个以该声速运动的折射率光栅,使入射光产生散射,散射光频率下移,当满足波场相位匹配时,声波场得到极大增强,从而使光纤内的电致伸缩声波场和相应的散射光波场的增强大于它们各自的损耗,将出现声波场和散射光场的相干放大,从而导致大部分传输光功率被转化为后向散射光,产生受激布里渊散射(SBS) 过程。向前向后都有散射(应用于 BOTDR) 只有向后散射(应用于 BOTDA )图6 散射波矢的关系图 hv 0 hv 图4 斯托克斯光子的产生示意图虚态振动态低能态 hv 0 hv 图5 反斯托克斯光子的产生示意图虚态振动态低能态 hΩhΩ布里渊散射的物理机制一个泵浦光子湮灭产生一个斯托克斯(或反斯托克斯)光子和一个声学声子, 散射过程能量和动量守恒。 2 sin ||2|| ?kq?2 sin 2 ??c vn a??后向布里渊频移: 2 / B p a p n v ? ??布里渊散射的增益谱 2 / B p a p n v ? ??温度应力光纤温度传感器光纤应力传感器波长布里渊增益谱 22 2 0)2/()( )2/()( BB B Bgg??????????Wmg/ 10 5 11 0 ?????2/ BB???(FWHM) (增益系数***@1550nm) Bap BBc pngg???????? 0 2 2 12 7202)((增益峰值)图7 沿光纤长度分布的布里渊增益谱???