单模圆芯石英系光纤的受激拉曼散射.doc

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1、单模圆芯石英系光纤的受激拉曼散射光纤受激拉曼散射（SRS）是光纤非线性光学中一个很重要的非线性过程，它可使光纤成为宽带拉曼放大器和可调谐拉曼激光器，也可使光纤通信的某信道中的能量转移到相邻信道中，从而严重限制多通道光通信的性能。因此，从实验上深入了解光纤的受激拉曼散射过程十分必要的。一、实验目的（1）理解受激拉曼散射（SRS）的理论与原理；（2）了解光纤受激拉曼散射与激光泵浦源的光束参数关系；（3）进一步掌握光谱仪的使用；（4）掌握光纤受激拉曼散射谱特征。二、实验内容（1）用光谱仪接收受激拉曼散射（SRS）谱，并准确的找出斯托克斯各级谱线波长，并指出相应的频移；（2）用示波器与能量（

2、脉宽）探头测出泵浦源在此时的能量与谱宽，明确它们与受激拉曼散射的关系；（3）用摄像装置记录光纤端面和光斑花样。三、基本原理1、拉曼散射的发现和发展早在1923年，A.Smekal等人在理论上预言：光通过介质时，由于它们之间的相互作用，可以观测到光频率发生变化，相位也发生无规律的变化。1928年，印度物理学家拉曼(C.V.Raman)在研究液体苯的散射时，从实验上发现了这种散射光，由于是拉曼发现的这个现象，因此称为拉曼散射。不久，G.S.Landsberg和L.I.Mandelestam在石英中观察到了散射光频率变化的现象。后来布拉瑟克(E.Placzek)在拉曼理论上做了很多工作:他

3、发现在散射光谱中激发线的两侧各存在一条谱线：低频一端的曲线的频率为ν0-Δν，称之为斯托克斯线或红伴线；高频一端曲线的频率为ν0+Δν，称之为反斯托克斯线或紫伴线。激发线处的散射谱线则称之为瑞利线。一种物质的拉曼线可以有若干对，每一对线(一条斯托克斯线和一条对应的反斯托克斯线)对应于物质的某两个能级间的差值(振动、转动或电子能级之间的差值)。从那时起，拉曼效应就被作为一个分析物质结构的有力工具。激光的出现为拉曼效应的研究提供了理想的激发源，使得对拉曼效应的研究更加有利。1961年，伍德伯里(E.J.Woodbury)和恩格(W.K.Ng)把硝基苯放入红宝石激光器的共振腔内做克尔盒调Q

4、实验时，首先发现了受激拉曼散射效应。他们发现在红宝石激光6943埃附近，出现一条7670埃的伴线，就是硝基苯的斯托克斯线，当功率增加时，伴线强度显著增加，光束方向和光谱线宽变窄，从而开拓了拉曼散射的新领域。1962年，特休恩(R.W.Terhune)观察到了相干反斯托克斯拉曼效应，后来又相继发现了高阶的斯托克斯和反斯托克斯谱线，这些为进一步的研究打下了基础，同时拓宽了应用。2、受激拉曼散射（SRS）的理论与特点当入射光是一束足够强的激光时，斯托克斯谱线的强度开始比例于自身而增长，具有明显的受激特性，这就是受激拉曼散射。受激拉曼散射是强激光与物质相互作用所产生的受激声子(光学支声子)对

5、入射光的散射，而自发拉曼散射是热振动声子对入射光的散射，其散射具有随机性特点。受激拉曼散射过程中入射光子()主要被光学支声子()所散射。对斯托克斯线的受激拉曼过程可简述如下：最初一个入射于介质的相干光子与一个热振动声子碰撞，产生了一个斯托克斯光子()，同时增添一个光学支声子，这个光学支声子再与入射光子相碰撞，又增添一个光学支声子，同时产生一个斯托克斯光子。这样重复下去，形成一个雪崩过程，如图1所示。图1受激拉曼散射的雪崩过程产生光学支声子的过程，关键在于有足够多的入射光子，由于光学支声子所形成的声波是相干的，入射光波也是相干的，所以拉曼散射后所形成的斯托克斯光子也是相干的，这就是一阶

6、斯托克斯散射的受激过程。反斯托克斯线则是入射于介质的相干光子与光学支声子作用，产生一个反斯托克斯光子()。当斯托克斯光强到一定程度时，它自身还会作为泵浦光，发生更高阶的拉曼散射。受激拉曼散射的本质就是入射光和斯托克斯光之间的相互耦合引起这两个光波之间的有效能量转移。受激拉曼散射满足动量守恒和能量守恒：斯托克斯：反斯托克斯：受激拉曼散射和普通拉曼散射是有区别的，它是一种非线性效应，具有受激发射性质，其特点综述如下：(1)受激拉曼散射具有明显的阈值性，只有当泵浦光强到一定程度时才发生。(2)受激拉曼散射光的方向性极好。(3)受激拉曼散射光的强度极高。(4)受激拉曼散射光具有高单色性。(5

7、)受激拉曼散射光脉冲时间很短。3、拉曼阈值在连续波情况下，泵浦波和斯托克斯波的相互作用过程，可用下列模耦合方程来分析(1)(2)式中，和分别为泵浦波长和信号波长处的光纤损耗，（）和（）分别为泵浦光和信号光的频率，和分别为泵浦光和信号光的强度，为拉曼增益系数,它是信号光相对于泵浦光的频移的函数，而且与光纤的成分有关。（1）和（2）可以的到一个近似解(3)式中(4)式（4）表明，由于光纤对泵浦的吸收损耗，有效光纤长度由减少到。使用方程方程（3）需要知道入纤的光