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1、光通信工程研究中心光通信工程研究中心光纤中光散射光纤中光散射瑞利散射瑞利散射布里渊散射布里渊散射拉曼散射拉曼散射烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人Part瑞利散射瑞利散射Lord John William Rayleigh，英国物理学家，英国物理学家，在在声学、波的理论、光学、声学、波的理论、光学、光的散射光的散射、电力学、电、电力学、电磁学、水力学、液体流动理论方面都做出了不可磁学、水力学、液体流动理论方面都做出了不可磨灭的贡献，磨灭的贡献，19041904年，他因发现了惰性元素氩年，他因发现了惰性元
2、素氩（ArAr）而荣获了该年度的）而荣获了该年度的诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖。瑞利瑞利(1842-1919)瑞利散射：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，尺度远小于入射光波长的粒子所产生的散射现象，该该散射的散射光波长等于入射光波长散射的散射光波长等于入射光波长,无无频率频率变化变化（无能量变化，（无能量变化，波长相同）波长相同），是一种，是一种弹性光散射。弹性光散射。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人光纤中的瑞利散射：光纤中的瑞利散射：是一种基本损耗机制，是由于在是一种基本损耗机制
3、，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。伏，使得光向各个方向散射。图图1 光纤中光散射示意图光纤中光散射示意图瑞利散射的物理机制瑞利散射的物理机制烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人量子力学量子力学:实际跃迁是通过某一虚能级的两个虚跃迁过程实际跃迁是通过某一虚能级的两个虚跃迁过程来完成的，它使一个能量为来完成的，它使一个能量为 hv hv 的入射光子湮灭而同时产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。
4、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瑞利散射的物理机制hvhv图图2 瑞利散射的量子力学表示瑞利散射的量子力学表示示意图示意图虚态虚态基态基态烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人瑞利散射的定量描述瑞利散射的定量描述瑞利散射导致的损耗系数瑞利散射导致的损耗系数单位单位(dB/km)对于1.55um处，损耗系数在0.12-0.15dB/km范围内其中，其中，是光纤总的损耗系数，是光纤总的损耗系数，W是光脉冲宽度，是光脉冲宽度，S是俘获系数，是俘获系数，L是光纤长度，是光纤长度，m=4.55(
5、单模光纤单模光纤)光纤中后向瑞利散射的功率：光纤中后向瑞利散射的功率：烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人瑞利散射的定量描述瑞利散射的定量描述图图3 3 基于瑞利散射的光时域反射计基于瑞利散射的光时域反射计(OTDR)(OTDR)后向瑞利散射功率：后向瑞利散射功率：烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人 布里渊散射布里渊散射路易路易.马赛尔马赛尔.布里渊布里渊 (Marcel Brillouin，1854-1948)，
6、法国物法国物理学家和数学家，布里渊散射是布里渊于理学家和数学家，布里渊散射是布里渊于19221922年提出，可以研年提出，可以研究气体，液体和固体中的声学振动。究气体，液体和固体中的声学振动。布里渊布里渊(1854-1948)光纤中自发布里渊散射的物理模型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：布里渊散射的本质是入射光与声学声子相互作用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。分的非弹性散射。分为自发布里渊散射和受激布里渊散射。为自发布里渊散射和受激布里渊散射。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们
7、想一想如何来治疗该病人自发布里渊散射：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“光栅光栅”的的“衍射衍射”作用，产生自发布里渊散射光
8、。作用，产生自发布里渊散射光。受激布里渊散射：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，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，使入射光产生散射，散射光频率下移，当满足波场相位匹配
9、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功率被转化为后向散射光，产生受激布里渊散射(SBS)(SBS)过程。过程。向前向后都有散射向前向后都有散射(应用于应用于BOTDR)BOTDR)只有向后散射只有向后散射（应用于（应用于BOTDABOTDA）烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于
10、大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人图图6 散射波矢的关系图散射波矢的关系图hv0hv图图4 斯托克斯光子的产生示意图斯托克斯光子的产生示意图虚态虚态振动态振动态低能态低能态hv0hv图图5 反斯托克斯光子的产生示意图反斯托克斯光子的产生示意图虚态虚态振动态振动态低能态低能态hh布里渊散射的物理机制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一个泵浦光子湮灭产生一个斯托克斯(或反斯托克斯或反斯托克斯)光子和一个声学声子，光子和一个声学声子，散射过散射过程能量和动量守恒。程能量和动量守恒。后向布里渊频移：后向布里渊频移：烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮
11、肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人布里渊散射的增益谱布里渊散射的增益谱温度温度应力光纤温度传感器光纤温度传感器光纤应力传感器光纤应力传感器波长布里渊增益谱布里渊增益谱(FWHM)(增益系数1550nm)(增益峰值)图图7 沿光纤长度分布的布里渊增益谱沿光纤长度分布的布里渊增益谱？烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人受激布里渊散射受激布里渊散射 光纤中受激布里渊散射的三波耦合方程：光纤中受激布里渊散射的三波耦合方程：慢变振幅近似，忽略各二阶导数项和声波传
12、播项，泵浦脉宽达泵浦脉宽达100ns100ns或更宽，稳态理论研究或更宽，稳态理论研究 瞬瞬态态理理论论 泵浦光脉冲的宽度为几十泵浦光脉冲的宽度为几十nsns或更小时或更小时 烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人SBSSBS阈值特性阈值特性SBSSBS的阈值功率是指输出的斯托克斯光功率与泵浦光功率相等时的阈值功率是指输出的斯托克斯光功率与泵浦光功率相等时,输入端泵浦光功率输入端泵浦光功率 与脉冲宽度、光纤类型、光与脉冲宽度、光纤类型、光纤长度及温度有关纤长度及温度有关烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮
13、肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人 拉曼散射拉曼散射拉曼散射（拉曼散射（Raman scatteringRaman scattering），光通过介质时由于入射光与分子），光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。19231923年年A.G.S.A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。19281928年，年，印度物理学家印度物理学家C.V.C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变拉曼
14、在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象的现象,因光散射方面的研究工作和喇曼效应的发现，获得了19301930年度的诺贝尔物理学奖。拉曼(1888-1970）光光(量量)子与晶体分子振动、转动、各种元激发相互作用而引起的非弹性散射子与晶体分子振动、转动、各种元激发相互作用而引起的非弹性散射.入射光与光纤自身的入射光与光纤自身的光学声子光学声子相互作用，或吸收声子，转换为频率较高的散射光，相互作用，或吸收声子，转换为频率较高的散射光，或发射声子，转化为频率较低的散射光。或发射声子，转化为频率较低的散射光。拉曼散射拉曼散射烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病
15、人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人hv0hv图图8 斯托克斯光子的产生示意图斯托克斯光子的产生示意图虚态虚态元激发态元激发态低能态低能态hv0hv图图9 反斯托克斯光子的产生示意图反斯托克斯光子的产生示意图虚态虚态低能态低能态hh拉曼散射的物理机制拉曼散射的物理机制一个泵浦光子湮灭产生一个斯托克斯一个泵浦光子湮灭产生一个斯托克斯(或反斯托克斯或反斯托克斯)光子和一个光子和一个光学声子光学声子，散散射过程能量和动量守恒。射过程能量和动量守恒。元激发态元激发态烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗
16、该病人图图10 拉曼散射增益谱拉曼散射增益谱v在连续或准连续条件满足的情况下，斯托克斯波的初始增长可描述为：v 是拉曼增益系数，与自发拉曼辐射的截面积有关，更准确地说，与三阶非线性极化率的虚部有关。v 有一个很宽的频率范围（达40THz），在13THz附近有一个较宽的峰。v与大多数介质中在特定频率上产生拉曼散射的情况相反，石英光纤的拉曼增益可以在一很宽的范围内连续地产生，由于这一特性，光纤可用于宽带放大器。拉曼增益谱拉曼增益谱烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人拉曼阈值拉曼阈值拉曼阈值定义：在光纤的输出端
17、斯托克斯功率与泵浦功率相等时的入射泵浦功率，耦合振幅方程:烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人表表1 光纤非线性散射的物理特性光纤非线性散射的物理特性参数拉曼(Raman)布里渊(Brillouin)频移13.2THz11 GHz带宽5THz20-100 MHz增益系数10-11 m/W710-35散射功率比(与瑞利)/dB40-6020-30温度灵敏度/0.8%0.3%频移温度灵敏度MHz/1.1强度灵敏度/-910-4%应变灵敏度MHz/0.048烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，
18、但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人光纤拉曼放大器示意图光纤拉曼放大器示意图ROTDR可调谐光纤拉曼激光器可调谐光纤拉曼激光器示意图示意图光纤中拉曼散射应用光纤拉曼放大器光纤拉曼温度传感器光纤拉曼激光器拉曼增益在很宽范围内连续地产生，光纤可用于宽带放大器反斯托克斯光强随温度变化而变化高拉曼增益宽范围可用于可调谐光纤激光器烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人基于光纤基于光纤RamanRaman散射的分布式传感技术散射的分布式传感技术 利用反斯托克斯光强随温度变化而变化，斯
19、托克斯光强和瑞利散射光强与温度利用反斯托克斯光强随温度变化而变化，斯托克斯光强和瑞利散射光强与温度变化几乎无关的特性，通过反斯托克斯光强与后两者之一的对比就可以实现对变化几乎无关的特性，通过反斯托克斯光强与后两者之一的对比就可以实现对光纤的分布式温度传感。光纤的分布式温度传感。基于拉曼散射的全分布式光纤传感技术主要用于温度传感，该技术已有较为成基于拉曼散射的全分布式光纤传感技术主要用于温度传感，该技术已有较为成熟和实用的应用产品。温度测量精度最高可达熟和实用的应用产品。温度测量精度最高可达0.1 C0.1 C，空间分辨率最高可达，空间分辨率最高可达0.lm0.lm。基于拉曼散射的光纤传感器可以
20、分为拉曼光时域反射计(ROTDR)和拉曼光频域反射计(ROFDR)两种。ROTDR 利用脉冲光进行传感，通过OTDR 原理进行定位并通过探测脉冲光在光纤中的拉曼散射的反斯托克斯光与斯托克斯光的功率之比来确定光纤沿线的损耗和温度分布情况。ROFDR 利用OFDR 技术获得光纤沿线拉曼散射的反斯托克斯光与斯托克斯光的功率之比，从而确定光纤沿线的损耗和温度分布情况。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人 三种散射对比三种散射对比瑞利散射瑞利散射布里渊散射布里渊散射拉曼散射拉曼散射物理机制密度不均匀，弹性散射电致伸缩，光子与声学声子相互作用光子与光学声子相互作用频移量011GHz左右10THz左右相对强度约比入射光功率小30dB约比瑞利散射光功率小20-30dB约比瑞利散射光功率小40-60dB分布式光纤传感应用OTDRBOTDR，BOTDAROTDR三种散射频率分布示意图三种散射频率分布示意图表2 三种散射的比较烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人