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什麼是光纖中的布里淵散射
在光纖中傳播的光波,其大部分是前向傳播的,但由於光纖的非結晶材料在微觀空間存在不均勻結構,有一小部分光會發生散射。光纖中的散射過程主要有三種:瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射,它們的散射機理各不相同。其中,布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時相互作用而產生的光散射過程,在不同的條件下,布里淵散射又分別以自發散射和受激散射兩種形式表現出來。
在注入光功率不高的情況下,光纖材料分子的布朗運動將產生聲學雜訊,當這種聲學雜訊在光纖中傳播時,其壓力差將引起光纖材料折射率的變化,從而對傳輸光產生自發散射作用,同時聲波在材料中的傳播將使壓力差及折射率變化呈現周期性,導致散射光頻率相對於傳輸光有一個多普勒頻移,這種散射稱為自發布里淵散射。自發布里淵散射可用量子物理學解釋如下:一個泵浦光子轉換成一個新的頻率較低的斯托克斯光子並同時產生一個新的聲子;同樣地,一個泵浦光子吸收一個聲子的能量轉換成一個新的頻率較高的反斯托克斯光子。因此在自發布里淵散射光譜中,同時存在能量相當的斯托克斯和反斯托克斯兩條譜線,其相對於入射光的頻移大小與光纖材料聲子的特性有直接關係。
由於構成光纖的硅材料是一種電致伸縮材料,當大功率的泵浦光在光纖中傳播時,其折射率會增加,產生電致伸縮效應,導致大部分傳輸光被轉化為反向傳輸的散射光,產生受激布里淵散射。具體過程是:當泵浦光在光纖中傳播時,其自發布里淵散射光沿泵浦光相反的方向傳播,當泵浦光的強度增大時,自發布里淵散射的強度增加,當增大到一定程度時,反向傳輸的斯托克斯光和泵浦光將發生干涉作用,產生較強的干涉條紋,使光纖局部折射率大大增加。這樣由於電致伸縮效應,就會產生一個聲波,聲波的產生激發出更多的布里淵散射光,激發出來的散射光又加強聲波,如此相互作用,產生很強的散射,這就是受激布里淵散射(SBS)。相對於光波而言,聲波的能量可忽略,因此在不考慮聲波的情況下,這種SBS過程可以概括為頻率較高的泵浦光的能量向頻率低的斯托克斯光轉移的過程。這樣受激布里淵散射可以看成僅僅是在有泵浦光存在的情況下在電致伸縮材料中傳播的斯托克斯光經歷了一個光增益的過程。在受激布里淵散射中,雖然理論上反斯托克斯和斯托克斯光都存在,一般情況下只表現為斯托克斯光。
<iframe frameborder="0">光現象
</iframe>(Brillouin scattering)這是一種光與物質作用后的一種光現象。很早人們就發現了光與物質相互作用的現象,如瑞利散射,它使大氣顯藍色;如丁達爾散射在乳濁懸浮液中的表現為顆粒的米氏散射。我們稱以上為彈性散射,其入射光頻率與反射光頻率一樣。從彈性反射的名稱中我們能夠體會到為其取名的人是何等自信光就是粒子。既然有彈性反射,那就應該有非彈性反射,當然是有的:在物質的微結構中,光照射在分子、原子等微粒的轉動、振動、晶格振動及各種微粒運動參與的作用下,光的散射頻率不等同於入射頻率的現象叫非彈性散射。最典型的當然要數拉曼、布里淵散射。布里淵散射的本質是入射光與聲子相互作用。

1布里淵

布里淵散射是布里淵於1922年提出的,可以研究氣體,液體和固體中的聲學振動,但作為一種實用的研究手段,是在激光出現以後才發展起來的。布里淵散射也屬於喇曼效應,即光在介質中受到各種元激發的非彈性散射,其頻率變化表徵了元激發的能量。與喇曼散射不同的是,在布里淵散射中是研究能量較小的元激發,如聲學聲子和磁振子等。

2散射峰的頻移

由布里淵散射實驗可測出散射峰的頻移,線寬及強度。由頻移可直接算出聲速,這是和用超聲技術測量聲速互補的方法,其特點是可測高頻聲學聲子和高衰減的情況,試樣比超聲測量用的小得多。

3聲速

由聲速可以算出彈性常數,由聲速的變化可以得到關於聲速的各向異性,弛豫過程和相變的信息。由線寬 (需用高分辨裝置)可以研究聲衰減過程,這與非簡諧性和結構弛豫等有關。根據強度的測量可以研究聲子和電子態的耦合等。

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