Was ist faseroptische Brillouin-Streuung-INNO

Brillouin-Streuung ist ein durch χ verursachter Effekt (3) Nichtlinearität des Mediums, insbesondere der nichtlineare Teil, der mit Phononen verbunden ist. Einfallende Photonen können in gestreute Photonen niedrigerer Energie umgewandelt werden (breitet sich normalerweise in Rückwärtsrichtung aus) und Phononen. Die Kopplung des optischen Feldes und des Phonons erfolgt durch Elektrostriktion. Das Phononenfeld kann auch bei geringer optischer Leistung spontan entstehen und dann erzeugte Wärme reflektieren. Für höhere optische Brennpunkte, Es kann ein Stimulationseffekt auftreten, bei dem das Lichtfeld die Anzahl der Phononen deutlich erhöht. Oberhalb einer bestimmten Schwellenleistung des Strahls im Medium, Die stimulierte Brillouin-Streuung kann den größten Teil der Leistung des einfallenden Strahls reflektieren. Dieser Prozess beinhaltet eine starke nichtlineare optische Verstärkung der rückwärts reflektierten Welle: Die zunächst schwach rückläufige Welle kann bei einer geeigneten optischen Frequenz stark verstärkt werden. Hier, Die beiden sich rückwärts ausbreitenden Wellen erzeugen ein wanderndes Brechungsindexgitter; desto höher ist die reflektierte Leistung, Je stärker das Brechungsindexgitter und desto höher das effektive Reflexionsvermögen.

Die Frequenz des reflektierten Strahls ist etwas niedriger als die Frequenz des einfallenden Strahls; die Frequenzdifferenz ν 乙 entspricht der Frequenz des ausgesendeten Phonons. Die sogenannte Brillouin-Frequenzverschiebung wird durch die Phasenanpassungsanforderung festgelegt. Für reine umgekehrte Brillouin-Streuung, Die Brillouin-Verschiebung kann aus dem Brechungsindex n berechnet werden, die Schallgeschwindigkeit v a und die Vakuumwellenlänge λ

(Zur Brillouin-Streuung in Fasern, Es muss der effektive Brechungsindex verwendet werden.)

In optischen Fasern, Brillouin-Streuung erfolgt grundsätzlich nur in umgekehrter Richtung. Jedoch, Die Vorwärts-Brillouin-Streuung kann aufgrund akustischer Wellenleiter auch schwach sein.

Die Brillouin-Frequenzverschiebung hängt von der Materialzusammensetzung und in gewissem Maße von der Temperatur und dem Druck des Mediums ab. Diese Abhängigkeit wird verwendet für Glasfaser Sensoren.

Eine weitere wichtige Anwendung der angeregten Brillouin-Streuung ist die optische Phasenkonjugation. Zum Beispiel, Es gibt phasenkonjugierte Spiegel für gütegeschaltete Hochleistungslaser, die es ermöglichen, im Laserkristall auftretende thermische Aberrationen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zu kompensieren.

Brillouin-Streuung in optischen Fasern

Stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) tritt häufig bei schmalbandigen optischen Signalen auf (z.B., aus Einzelfrequenzlasern) werden in Faserverstärkern verstärkt oder nur über passive Fasern übertragen. Obwohl die materielle Nichtlinearität von, z.B., Kieselsäure ist eigentlich nicht sehr hoch, Die typischerweise kleinere effektive Modenfläche und die längere Ausbreitungslänge tragen stark zum nichtlinearen Effekt bei.

Figur 1 zeigt, was passiert, wenn eine monochromatische Lichtwelle in eine eingekoppelt wird 10 m lange Faser. Die gegenläufige Brillouin-verschobene Welle beginnt mit einem Quantenanstieg mit einer sehr geringen optischen Leistung, wächst aber schnell. Trotzdem, es ist immer noch viel weniger als 1 W Eingangsleistung.

Figur 1: Pumpenleistung (Ausbreitung von links nach rechts, rote Kurve) und erhielt die Brillouin-Signalleistung (von rechts nach links, orangefarbene Kurve) in einem 10 m lange Faser. Die Eingangsleistung der Pumpe beträgt 1 W.

Für eine leicht erhöhte Pumpleistung von 1.8 W, der Brillouin-Gewinn (in dB) fast verdoppelt und die Brillouin-Welle wird stärker.

Figur 2: Gleich wie Abbildung 1, aber mit 1.8 W Pumpenleistung.

Um die Pumpleistung weiter zu steigern, Die Leistung der Brillouin-Welle wird mit der Pumpleistung vergleichbar. In diesem Fall, Es kommt zu einer starken Erschöpfung der Pumpe. Für hohe SBS-Gewinne, Dies führt nicht zu einer stabilen Situation, sondern zu chaotischen Schwankungen der Leistung.

Wenn die Faser mehrere Kilometer lang ist, Die Milliwattleistung reicht aus, um eine erhebliche Brillouin-Streuung zu verursachen. Jedoch, Ausbreitungsverluste müssen dann berücksichtigt werden, die für solche Faserlängen erheblich sind. Es betrifft sowohl die Pumpwelle als auch die Brillouin-Welle.

Für Quarzfasern, Die Brillouin-Frequenzverschiebung beträgt ca 10-20 GHz und die intrinsische Bandbreite des Brillouin-Gewinns beträgt typischerweise 50-100 MHz, abhängig von der starken akustischen Absorption (kurze Phononenlebensdauer von ca 10) NS). Jedoch, Das Brillouin-Verstärkungsspektrum kann aufgrund verschiedener Effekte „verschmiert“ werden, wie etwa laterale Variationen der akustischen Phasengeschwindigkeit [14, 19] oder Temperaturschwankungen in Längsrichtung. Infolge, Die Spitzenverstärkung kann erheblich reduziert werden, Dies führt zu einer höheren SBS-Schwelle.

Der Faser-Brillouin-Schwellenwert für schmalbandiges Dauerstrichlicht entspricht typischerweise einem Brillouin-Gewinn in der Größenordnung von 90 dB. (Mit zusätzlicher Laserverstärkung in einer aktiven Faser, Die Schwelle kann sogar noch niedriger liegen.) Für eine Reihe ultrakurzer Impulse, Der SBS-Schwellenwert wird nicht durch die Spitzenleistung bestimmt, sondern durch die spektrale Leistungsdichte, wie im Spotlight-Artikel beschrieben.

SBS führt strengste Leistungsgrenzen für die Verstärkung und passive Ausbreitung schmalbandiger optischer Signale in Glasfasern ein. Zur Erhöhung der Brillouin-Schwelle, man kann die Bandbreite des Lichts über die Brillouin-Verstärkungsbandbreite hinaus erhöhen, Reduzieren Sie die Faserlänge, Verbinden Sie Fasern mit leicht unterschiedlichen Brillouin-Verschiebungen, oder (in leistungsstarken aktiven Glasfasergeräten) Verwenden Sie in Längsrichtung unterschiedliche Temperaturen [21]. Es wurden auch Versuche unternommen, die Überlappung von geführtem Licht und akustischen Wellen zu verringern, oder einen erheblichen Ausbreitungsverlust akustischer Wellen einzuführen. SBS-Themen wie Dopingkonzentration, Die effektive Modenfläche und die Pumpausbreitungsrichtung können durch grundlegende Modifikationen des Verstärkerdesigns bis zu einem gewissen Grad reduziert werden.

Auf der anderen Seite, Mit der Brillouin-Verstärkung können Brillouin-Faserlaser betrieben werden . Solche Geräte werden üblicherweise als Faserringlaser ausgeführt. Aufgrund geringer Resonatorverluste können sie relativ niedrige Pumpschwellen und sehr kleine Linienbreiten aufweisen.

Die Temperaturabhängigkeit der Brillouin-Verschiebung kann zur Temperatur- und Druckmessung genutzt werden.