מהו פיזור ברילואין סיבים אופטיים

פיזור ברילואין הוא אפקט שנגרם על ידי ה-χ (3) חוסר ליניאריות של המדיום, במיוחד החלק הלא ליניארי הקשור לפונונים. ניתן להמיר פוטונים תקפים לפוטונים מפוזרים באנרגיה נמוכה יותר (בדרך כלל מתפשט בכיוון אחורה) ופונונים. הצימוד של השדה האופטי והפונון מתרחש באמצעות היצרות אלקטרו. שדה הפונונים יכול להופיע באופן ספונטני אפילו בהספק אופטי נמוך ואז לשקף חום שנוצר. למוקדים אופטיים גבוהים יותר, עלולה להתרחש אפקט גירוי שבו שדה האור מגדיל באופן משמעותי את מספר הפונונים. מעל כוח סף כלשהו של האלומה במדיום, פיזור ברילואין מגורה יכול לשקף את רוב העוצמה של האלומה המתרחשת. תהליך זה כולל רווח אופטי לא ליניארי חזק של הגל המוחזר לאחור: ניתן להגביר חזק את הגל המתפשט לאחור בתחילה בתדר אופטי מתאים. כָּאן, שני הגלים המתפשטים לאחור מייצרים סורג מקדם שבירה נע; ככל שהעוצמה המשתקפת גבוהה יותר, ככל שסריג מקדם השבירה חזק יותר והשתקפות האפקטיבית גבוהה יותר.

תדירות הקרן המוחזרת נמוכה מעט מתדירות הקרן הפוגעת; הפרש התדרים ν 乙 מתאים לתדר של הפונון הנפלט. מה שנקרא שינוי תדר Brillouin נקבע על ידי דרישת התאמת הפאזה. לפיזור ברילואין הפוך טהור, ניתן לחשב את הסטת הבריל ממדד השבירה n, מהירות הקול v a ואורך גל הוואקום λ

(לפיזור ברילואין בסיבים, יש להשתמש במקדם השבירה האפקטיבי.)

בסיבים אופטיים, פיזור הברילואין מתרחש בעצם רק בכיוון ההפוך. עם זאת, פיזור ה-Brillouin קדימה עשוי להיות חלש גם בגלל מובילי גל אקוסטיים.

שינוי תדר הברילואה תלוי בהרכב החומר ובמידה מסוימת בטמפרטורה ובלחץ של המדיום. התלות הזו משמשת עבור סיבים אופטיים חיישנים.

יישום חשוב נוסף של פיזור ברילואין נרגש הוא צימוד פאזה אופטי. לדוגמה, קיימות מראות מצומדות פאזה עבור לייזרים בעלי עוצמה גבוהה עם Q-switch, המאפשרים לפצות על סטיות תרמיות המתרחשות בכיוון קדימה ואחורה בגביש הלייזר.

פיזור ברילאין בסיבים אופטיים

פיזור ברילואה מומרץ (SBS) הוא נתקל לעתים קרובות כאשר אותות אופטיים צר פס (לְמָשָׁל, מלייזרים חד-תדרים) מוגברים במגברי סיבים או מופצים רק דרך סיבים פסיביים. למרות האי-לינאריות החומרית של, לְמָשָׁל, הסיליקה למעשה לא גבוהה במיוחד, אזור המצב האפקטיבי הקטן יותר ואורך ההתפשטות הארוך יותר תורמים מאוד לאפקט הלא ליניארי.

דְמוּת 1 מראה מה קורה כאשר גל אור מונוכרומטי מוזרק לתוך א 10 מ' סיבים ארוכים. הגל המתפשט נגד ברילואין מתחיל בעלייה קוונטית עם הספק אופטי נמוך מאוד, אבל גדל במהירות. אַף עַל פִּי כֵן, זה עדיין הרבה פחות מ 1 W של הספק כניסה.

דְמוּת 1: כוח משאבה (התפשטות משמאל לימין, עקומה אדומה) והשיג כוח אות Brillouin (מימין לשמאל, עיקול כתום) ב א 10 מ' סיבים ארוכים. כוח הכניסה למשאבה הוא 1 W.

עבור כוח משאבה מוגבר מעט של 1.8 W, הרווח של הברילואה (ב-dB) כמעט מכפיל את עצמו וגל הברילואה מתחזק.

דְמוּת 2: אותו דבר כמו איור 1, אלא עם 1.8 כוח משאבה W.

 

על מנת להגדיל את כוח המשאבה עוד יותר, כוחו של גל הברילואה יהפוך להיות דומה להספק המשאבה. במקרה הזה, מתרחשת כמות גדולה של דלדול משאבה. לרווחי SBS גבוהים, זה לא מוביל למצב יציב אלא לתנודות כאוטיות בכוח.

אם הסיב באורך מספר קילומטרים, הספק המיליוואט מספיק כדי לגרום לפיזור Brillouin משמעותי. עם זאת, לאחר מכן יש לשקול הפסדי ריבוי, שהם משמעותיים עבור אורכי סיבים כאלה. זה משפיע גם על גל המשאבה וגם על גל הברילואה.

לסיבי קוורץ, שינוי התדר של Brillouin הוא בערך 10-20 GHz ורוחב הפס הפנימי של הרווח של Brillouin הוא בדרך כלל 50-100 MHz, תלוי בבליעה האקוסטית החזקה (חיי פונון קצרים של בערך 10) נ.ס). עם זאת, ספקטרום הרווח של Brillouin עשוי להיות "מרוח" עקב השפעות שונות, כגון וריאציות לרוחב של מהירות הפאזה האקוסטית [14, 19] או שינויים בטמפרטורה לאורך. כתוצאה מכך, שיא הרווח עשוי להיות מופחת באופן משמעותי, מה שמוביל לסף SBS גבוה יותר.

סף ה-Brillouin של סיבי עבור אור גלי מתמשך בפס צר תואם בדרך כלל לרווח Brillouin בסדר גודל של 90 dB. (עם רווח לייזר נוסף בסיב פעיל, הסף עשוי להיות אפילו נמוך יותר.) לסדרה של פולסים קצרים במיוחד, סף SBS נקבע לא לפי שיא ההספק, אלא לפי צפיפות הספקטרלית הכוח, כפי שמתואר במאמר זרקור.

SBS מציגה את מגבלות ההספק המחמירות ביותר להגברה והפצה פסיבית של אותות אופטיים צר פס בסיבים אופטיים. להגדלת סף הברילואה, אפשר להגדיל את רוחב הפס של האור מעבר לרוחב הפס של הרווח של Brillouin, להפחית את אורך הסיבים, לחבר סיבים עם תזוזות Brillouin מעט שונות, או (במכשירי סיבים אופטיים פעילים בהספק גבוה) השתמש בטמפרטורות משתנות לאורך [21]. נעשו גם ניסיונות לצמצם את החפיפה של אור מונחה וגלים אקוסטיים, או להציג אובדן התפשטות משמעותי של גלים אקוסטיים. בעיות SBS כגון ריכוז סימום, ניתן לצמצם במידה מסוימת את אזור המצב היעיל וכיוון התפשטות המשאבה על ידי שינויים בסיסיים בתכנון המגבר.

מצד שני, ניתן להשתמש ב-Brillouin gain להפעלת לייזרים של סיבי Brillouin . מכשירים כאלה מיוצרים בדרך כלל כלייזרי טבעות סיבים. ייתכן שיש להם ספי שאיבה נמוכים יחסית ורוחב קו קטן מאוד עקב הפסדי תהודה נמוכים.

ניתן להשתמש בתלות הטמפרטורה של משמרת ה-Brillouin עבור חישת טמפרטורה ולחץ.

חיישן טמפרטורה בסיב אופטי, מערכת ניטור חכמה, יצרנית סיבים אופטיים מבוזרת בסין