硕士论文模版工学.docx

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硕士论文模版工学

工学硕士学位论文（宋体小2号字，居中）

液芯光纤受激布里渊散射及放大特性研究（黑体2号字，居中）

孙頔（宋体小3号字，居中）

哈尔滨理工大学（楷体小2号字，居中）

2012年3月（宋体小3号字，居中）

国内图书分类号：

O437.2（文字宋体小4号字，字母和数字TimeNewRoman小4号字）

工学硕士学位论文（宋体小2号字、居中）

液芯光纤受激布里渊散射及放大特性研究（黑体2号字、居中）

硕士研究生：

孙頔

导师：

高玮教授

申请学位级别：

工学硕士

学科、专业：

光学工程

所在单位：

应用科学学院

答辩日期：

2013年3月

授予学位单位：

哈尔滨理工大学

（冒号左侧黑体4号字，右侧文字宋体4号字、字母和数字TimeNewRoman4号字）

ClassifiedIndex：

O437.2（TimeNewRoman小4号字）

DissertationfortheMasterDegreeinEngineering（TimeNewRoman小2号字、居中）

CharacteristicsofStimulatedBrillouinScatteringandAmplificationinLiquid-CoreOpticalFibers（TimeNewRoman2号字加粗、居中）

Candidate：

SunDi

Supervisor：

Prof.GaoWei

AcademicDegreeAppliedfor：

MasterofEngineering

Specialty：

OpticsEngineering

DateofOralExamination：

March,2013

University：

HarbinUniversityofScienceand

Technology

（冒号左侧TimeNewRoman4号字加粗，右侧TimeNewRoman4号字）

哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明

本人郑重声明：

此处所提交的硕士学位论文《液芯光纤受激布里渊散射及放大特性研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。

据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。

对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。

本声明的法律结果将完全由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书

《液芯光纤受激布里渊散射及放大特性研究》系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。

本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。

本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。

本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。

本学位论文属于

保密□，在年解密后适用授权书。

不保密。

（请在以上相应方框内打√）

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

液芯光纤受激布里渊散射及放大特性研究（黑体小2号字、居中）

摘要（黑体小2号字、居中）

受激布里渊散射（SBS）在光学相位共轭、窄带滤波、激光束并束，分布式光纤传感、光存储等领域具有巨大的应用价值。

SBS通常能在液体介质或光纤中产生，但是，传统的几何聚焦系统易引起液体介质的光学击穿，进而导致SBS能量反射率和稳定度下降；单模或多模石英光纤的SBS脉冲波形及泵浦光透射波形极易出现调制现象，保真度较差。

针对以上问题，本文提出了利用CS2液芯光纤产生高能量反射率、高脉冲波形和相位共轭保真度的SBS光的方案，以及用液芯光纤同时产生和放大空心光束的新思路，对CS2液芯光纤的SBS及放大特性进行了理论和实验研究。

首先利用液芯光纤瞬态SBS理论模型数值模拟了不同长度和芯径的液芯光纤SBS能量反射率、以及SBS脉冲波形随泵浦光能量的变化规律。

然后，搭建了液芯光纤SBS实验系统，采用脉冲宽度为10ns的倍频Nd:

YAG脉冲激光器，以CS2为芯液介质，对理论结果进行了实验验证，并研究了SBS相位共轭保真度，SBS退偏度等物理参数随泵浦光能量的变化。

（摘要内容用宋体小4号字，但其中的字母及英文用TimesNewRoman字体，句号为宋体下的空心句号）

关键词（黑体小4号字）└┘受激布里渊散射；液芯光纤；能量反射率；保真度；

空心光束（3~5个关键词，用分号隔开，宋体小4号字）

CharacteristicsofStimulatedBrillouinScatteringandAmplificationinLiquid-CoreOpticalFibers（TimeNewRoman小2号字加粗、居中、实词首字母大写）

Abstract（TimeNewRoman小2号字加粗、居中、首字母大写）

StimulatedBrillouinscattering（SBS）hasgreatapplicationvalueinsomeareassuchasopticalphaseconjugate,narrow-bandfiltering,lasercombining,distributedfibersensing,opticsstorage.SBSusuallytakesplaceinliquidmediaorfibers.However,conventionalfocusinggeometryeasilycauseopticalbreakdown,whichresultsinlowSBSreflectivityandstability.TheSBSpulsesandtransmittedpulsesofsingle-modeormultimodequartzfibersdisplayseriousmodulations,whichleadtobadfidelity.Toovercomeaboveproblems,thisdissertationpresentsaschemeofproducingtheSBSwithhighreflectivity,highpulse-shape（PS）andphase-conjugation（PC）fidelitiesusingliquid-coreopticalfiber（LOCF）filledwithCS2,andanewdesigntogenerateandamplifyhollowbeamsimultaneouslyusingLCOF.ThecharacteristicsofSBSandamplificationinLCOFcontainedCS2aretheoreticallyandexperimentallyinvestigated.

Firstly,basedonthetheoreticalmodeloftransientSBS,wenumericallysimulatethedependencesoftheSBSreflectivityofLCOFswithdifferentlengthsandcorediametersaswellastheSBSpulseshapeonpumpenergy.Secondly,theexperimentalsystemofSBSinLOCFsissetup.Afrequency-doubledNd:

YAGpulselaserwithapulsedurationof10nsisused,andCS2ischosenascore-liquidmedium.Experimentalverificationsareperformed.（TimeNewRoman小4号字,采用英文下的标点符号,英文标点符号后加一空格）

Keywords（TimeNewRoman小4号字加粗）└┘stimulatedBrillouinscattering,liquid-coreopticalfiber,energyreflectivity,fidelity,hollowbeam（3~5个关键词,用逗号隔开,TimesNewRoman小4号字,均小写）

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1课题背景及研究的目的和意义1

1.2国内外受激布里渊散射及放大技术研究概况2

1.2.1受激布里渊散射研究概况2

1.2.2布里渊放大研究概况4

1.3液芯光纤及应用研究概况5

1.4本论文的主要研究内容6

第2章液芯光纤SBS特性的理论模拟8

2.1引言8

2.2SBS基本理论8

2.2.1SBS一般描述8

2.2.2SBS经典理论10

2.3液芯光纤SBS理论模型12

2.3.1物理模型12

2.3.2数学模型13

2.4液芯光纤SBS特性的数值模拟15

2.4.1SBS能量反射率随泵浦光能量的变化15

2.4.2液芯光纤SBS脉冲波形随泵浦光能量的变化17

2.5本章小结18

第3章液芯光纤SBS特性的实验研究19

3.1引言19

3.2实验装置19

3.2.1液芯光纤的制作19

3.2.2实验系统21

3.3SBS特性研究22

3.3.1SBS光谱22

3.3.2SBS能量反射率23

3.3.3SBS脉冲波形及相位共轭保真度25

3.3.4液芯光纤弯曲程度对SBS能量反射率的影响28

3.3.5液芯光纤SBS退偏度29

3.4本章小结30

第4章液芯光纤非共线布里渊放大31

4.1引言31

4.2液芯光纤非共线布里渊放大原理31

4.3非共线布里渊放大实验研究33

4.3.1实验装置33

4.3.2实验结果及分析35

4.4本章小结37

结论38

参考文献39

攻读硕士学位期间所发表的学术论文45

致谢46

第1章绪论（章标题，即一级标题，黑体小2号字、居中）

1.1课题背景及研究的目的和意义（节标题，即二级标题，黑体小3号字，顶格书写，下面阐述内容另起一段（以下均同））

受激布里渊散射（StimulatedBrillouinScattering,SBS）是一种背向散射光，它是入射光波场与介质内的弹性声波场相互作用而产生的一种受激光散射现象。

早在1964年，人们就观察到了SBS现象。

随着实验和理论研究的深入，自70年代初期开始，SBS就被应用在非线性光学相位共轭领域[1]，与其他非线性光学相位共轭技术相比，SBS相位共轭镜（PCM）具有结构简单、自泵浦以及实时产生相位共轭波的特点，并且具有高的相位共轭保真度和高的反射率，所以利用SBS实现光学相位共轭已成为非线性光学相位共轭领域重要的研究内容。

（正文均为宋体小4号字、其中字母和数字TimeNewRoman小4号字，行间距为18磅，含有公式及数学符号的行的行间距为最小值0磅，句号为宋体下的空心句号但参考文献除外，以下均同）

1.2国内外受激布里渊散射及放大技术研究概况（黑体小3号）

1.2.1受激布里渊散射研究概况（条标题，即三级标题，黑体4号字，顶格书写，下面阐述内容另起一段（以下均同））

早在1922年布里渊就已研究了光被热激发声波散射的现象，即自发布里渊散射现象。

激光产生之后不久的1964年，R.Y.Chiao等人利用调Q红宝石激光在石英和蓝宝石中第一次观察到了SBS现象[11]……（引用参考文献放置右上角，TimeNewRoman5号字（以下均同））

当泵浦光强度超过SBS阈值时，SBS现象可以分别在气体，液体和固体三种介质中观察到。

常用的SBS气体介质有Ar、Xe、SF6、CH4和N2等。

1984年加拿大Tomov等人利用单池聚焦结构，采用SF6介质，将线宽为0.08cm-1的KrF激光脉宽约20ns压缩到1.5ns，反射率为12%[12]。

……

因此，急需一种SBS产生器，它既能具有光纤低的阈值，又能有液体介质高的增益系数。

液芯光纤就是这样一种新型的光传输元件，有必要对它的SBS特性进行研究。

1.2.2布里渊放大研究概况（黑体4号字）

布里渊放大是一种典型的频谱选择性非线性光放大技术，特别适合于强背景场中的微弱光信号的探测，具有光路简单、信号增益高、响应速度快等优势。

目前，微弱光信号布里渊放大技术的研究主要集中在改进光路提高信号增益，改善信噪比等方面。

1987年，前苏联Bespalov等人理论并实验研究了布里渊放大器最小可探测的信号光能量[31]。

……

人们在布里渊放大基础研究方面已经做了一些工作，从理论和实验上获得了放大器的最小可探测信号能量，并提出了减小噪声提高信噪比的具体方法。

然而，液体池布里渊放大器的体积较大，光纤结构的作用长度较长、增益较低，这些问题严重限制了它们的实际应用。

1.3液芯光纤及应用研究概况（黑体小3号字）

液芯光纤是一种新型结构的光纤，不同于常规光纤由固态的芯料和包层构成，而是在折射率较低的柔性透明包层软管里填充折射率较高的透明液体芯料，然后用硬质的透明光窗将两端封堵住。

……

目前液芯光纤已经成功应用到医学治疗、测量技术、光学非线性研究、传感技术等领域。

例如Er:

YAG激光可以用于外科的治疗中，而CCl4在紫外（380nm）到中红外（6μm）透过率很高，可以在液芯光纤中填充CCl4液体，从而传输Er:

YAG激光。

液芯光纤还可以用于温度传感，2008年许永豪等人以甲苯和三氯甲烷的混合介质为芯液材料，在液芯光纤中实现了20oC到60oC的温度变化，灵敏度可达5dB/K[41]。

……

1.4本论文的主要研究内容（黑体小3号字）

本论文搭建了液芯光纤SBS实验系统，利用自主组装的脉冲宽度为10ns的倍频Nd:

YAG被动调Q激光器，完成了以CS2为芯液材料的液芯光纤SBS及放大特性研究，主要内容如下：

第1章：

绪论。

对本课题研究的目的和意义进行了介绍，综述了国内外关于受激布里渊散射及放大的研究进展，阐述了当前液芯光纤的发展概况，并指出了存在的不足和待深入研究的问题。

第2章：

SBS理论研究，这是本论文理论研究的基础。

首先建立了基于液芯光纤的SBS物理模型，然后根据已有的瞬态SBS理论模型，用Fortran软件编制SBS数值计算程序。

数值模拟SBS能量反射率随泵浦光能量、液芯光纤长度和芯径的变化，以及SBS脉冲波形随泵浦光能量的变化规律。

第3章：

液芯光纤SBS特性研究，这是本论文的重点部分。

首先介绍了液芯光纤SBS实验系统，并对系统的各个部分做了详细介绍。

然后利用构建的实验系统进行SBS特性研究，包括不同芯径和不同长度下液芯光纤SBS阈值、能量反射率、脉冲波形保真度、相位共轭保真度和SBS退偏度等物理参数随泵浦光能量的变化规律。

第4章：

液芯光纤布里渊放大实验研究。

根据液芯光纤放大器自身的噪声特点，设计非共线布里渊放大系统，实验研究了放大的信号光和噪声的空间分布情况，测量了放大器的信号光能量放大率、信噪比等性能参数。

第2章液芯光纤SBS特性的理论模拟（黑体小2号字、居中）

2.1引言（黑体小3号字）

当泵浦光脉冲宽度与声子寿命之比tp/B大于100时，SBS过程随时间变化不大，这样可以近似认为泵浦光场、Stokes场和声子场的振幅是不随时间变化的，这种情况采用稳态近似来处理；当1

……（物理量的符号必须采用斜体，但物理量单位应用正体，如km,g等）

本章首先基于种子光诱导下的理论模型，建立了基于液芯光纤的SBS物理模型。

……

2.2SBS基本理论（黑体小3号字）

2.2.1SBS一般描述（黑体4号字）

SBS效应是入射光波场与介质内的弹性声波场相互作用产生的一种受激光散射现象。

光在自发Brillouin过程中，介质内的弹性声波场是由热激发产生的，而SBS过程中的弹性声波场是在激光的作用下，介质通过电致伸缩效应而产生的，这是一种相干的声波场，它与激光耦合而产生SBS的相干辐射。

SBS过程可以简略描述如下：

设激光的频率为

，声波场的频率为

，则Stokes场的频率为

。

激光场与Stokes场的相互干涉项包含频率差

，差值为声波场的频率

。

介质对干涉项的响应相干地加强声子场的振幅。

激光场与声子场的相碰加强Stokes场，而激光场与Stokes场的相互作用又再次加强了声子场。

在恰当的条件下，这两种相互的正反馈导致Stokes场的振幅指数增长。

如果Stokes种子光是从外部引入的，则通过SBS效应，泵浦光能量将向Stokes种子光转移，从而实现Stokes种子光的受激放大。

Stokes散射过程可以看成湮灭一个入射光子，同时产生一散射光子和一个感应声子，其能量和动量关系为：

（2-1a）

（2-1b）

（公式要用公式编辑器编写、居中，公式按章编号、且编号靠所在行的最右侧，编号中的“括号”为宋体括号（以下均同））

式中

，

和

分别表示为入射光子、散射光子和感应产生的声子的频率；

，

和

分别为三种波量子的波矢。

由上述能量关系式可以看出，散射光子的频率小于入射光子的频率，这种散射光子的频率小于入射光子的频率的情况称为

Stokes散射。

2.2.2SBS经典理论（黑体4号字）

在受激布里渊散射中，当强光入射到介质中时，介质内部将产生电致伸缩力，这是介质中的偶极子在外电场（强光场）的作用下产生强迫振动所引起的。

而强光作用下存在电致伸缩效应时介质内弹性声波的介质密度波方程为：

（2-7）

其中

（2-8）

式中

为介质密度，

为介质平均密度，

为入射电场，

为声波在介质内的传播速度，

为声波在介质内的衰减系数，

为介质的电致伸缩系数或弹性光学系数，

为介质的介电常数。

（2-16）

（2-17）

式中

为介质热弹性模量，

为相位匹配因子。

由相位匹配条件可以求得后向SBS的频移量：

（2-25）

由式（2-22）和（2-23）可知，……

2.3液芯光纤SBS理论模型（黑体小3号字）

2.3.1物理模型（黑体4号字）

图2-1基于液芯光纤的SBS物理模型

Fig.2.1PhysicalmodelofSBSbasedonaliquid-coreopticalfiber

（图与图号、图题在一个页面，图号和图题置于图的下方，图号和图题之间空一格，用中、英文两种文字居中书写，中文在上、英文在下，且英文的第一个词的首字母大写，其余均小写，图号及图题要求用5号字（以下均同））

图2-1中液芯光纤长为

，透镜焦距为

，透镜与液芯光纤的距离为df，以液芯光纤的末端为坐标原点，泵浦光沿着

轴反方向传播，会聚后的泵浦光束腰半径为

，坐标为z0，泵浦光的共焦参数为zr，介质的折射率为nr，液芯光纤中光束的横截面积为‍S（z）。

2.3.2数学模型（黑体4号字）

SBS是一个三波参量混频过程，两个辐射场：

入射泵浦光场与产生的Stokes场，它们遵守Maxwell方程组，并通过介质声场的电致伸缩过程耦合，介质声场遵守Navier-Stokes方程。

忽略泵浦光和Stokes光场的横向变化，泵浦光场与Stokes场仅仅是时间变量

和空间变量

的函数。

设布里渊激活介质中总光场强度为：

（2-38）

其中沿负

方向传播的入射的激光场强度

为：

（2-39）

2.3.3液芯光纤SBS特性的数值模拟（黑体4号字）

数值计算参数的选取如下：

芯液介质采用CS2液体，折射率是1.623，介质的增益系数为68cm/GW，吸收系数为0.003cm-1，声子寿命1.59ns，泵浦光波长为532nm，脉冲宽度10ns，透镜焦距6cm，透镜与液芯光纤距离为4.5cm，由于介质内的起源噪声与激光波长有关，根据文献[34]取Stokes种子光初始功率为10-11MW。

2.3.4SBS能量反射率随泵浦光能量的变化（黑体4号字）

基于种子光诱导下的SBS物理模型，理论模拟了液芯光纤SBS能量反射率随泵浦光能量（EPin）的变化关系，图2-2是芯径为300μm，长度2m的液芯光纤的模拟结果。

……

图2-2芯径为300μm、长度2m的液芯光纤SBS能量反射率

随泵浦光能量EPin变化

Fig.2-2SBSreflectivityversusEPinfortheliquid-coreopticalfiberof

300μmIDand2mlength.

2.3.5液芯光纤SBS脉冲波形随泵浦光能量的变化（黑体4号字）

图2-4为泵浦光脉冲波形和不同泵浦光能量下的SBS脉冲波形。

从图中可以看到，随着泵浦光能量的增加，SBS脉冲波形越来越接近泵浦光波形。

……

a）泵浦光能量为10μJb）泵浦光能量为35μJ

a）Pumpenergyof10μJb）Pumpenergyof35μJ

c）泵浦光能量为80μJd）泵浦光能量为150μJ

c）Pumpenergyof80μJd）Pumpenergyof150μJ

图2-4不同泵浦光能量下的归一化泵浦光和SBS光脉冲波形

Fig.2-4NormalizedwaveshapesofthepumpandSBSpulsesfordifferentpumpenergies

2.4本章小结（黑体小3号字）

本章首先从量子理论出发，对SBS过程进行了描述，接着给出了液芯光纤SBS物理模型，然后由泵浦光场、Stokes光场和声子场相互作用的基本方程组，

在平面波近似、忽略电场的横向分布以及慢变振幅近似下，建立了……

第3章液芯光纤SBS特性的实验研究（黑体小2号字、居中）

3.1引言（黑体小3号字）

SBS通常是在液体介质或光纤中产生，从第1章可知，传统的几何聚焦系统易引起液体介质的光学击穿，进而导致SBS能量反射率和稳定度的下降；单模或多模石英光纤的SBS脉冲波形及泵浦光透射波形极易出现调制现象，保真度较差。

……

3.2实验装置（节标题，黑体小3号字）

3.2.1液芯光纤的制作（条标题，黑体4号字）

3.2.1.1液芯光纤耦合头的设计（款标题，即四级标题，黑体小四号字，靠左侧顶格书写，下面阐述内容在标题后空一格接排，转行后顶格书写）图3-1为液芯光纤耦合头装置的示意图a）和实物图b）。

此耦合头类似于一个T型导管，由三部分组成，分别是导管、毛细管和