2014非线性光学06 受激拉曼散射与受激布里渊散射a.ppt

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1、第6章受激拉曼散射与受激布里渊散射一、受激散射的基本物理过程二、SRS的经典理论三、SBS的经典理论一、受激散射的基本光物理过程1、光散射的定义一束光通过介质时，其中一部分光偏离主要传输方向，这种现象称为光散射。散射光在强度、方向、偏振态，甚至频率都与入射光有所不同。光散射现象最早是Richter在1802年观察到的。22、光散射的起源光散射是由介质的光学特性起伏引起的，或者说介质的光学不均匀性，或折射率的不均匀性所引起的。引起介质的光学非均匀性的主要原因有：a.熵起伏。包括原子、分子空间分布的随机起伏，例如大气中

2、空气分子的随机起伏；b.各向异性分子的取向起伏；c.分子振动；d.声波场。33、光散射的分类瑞利散射（Rayleigh）：起因于原子、分子空间分布的随机起伏，散射中心的尺度远小于波长，其强度与入射光波长的关系为，散射光的频率与入射光相同，属于弹性散射。瑞利翼散射(Rayleighwing)：起因于各向异性分子的取向起伏；是一种非弹性散射，散射光的光谱向入射光波长的一侧连续展宽。拉曼散射(Raman)：由介质内部原子、分子的振动或转动所引起。是一种非弹性散射，散射光频率与入射光的频率不同，频移量较大，相应于振动能级差

3、。散射光频率下移者，称为Stokes散射光；散射光频率上移者，称为Anti-Stokes散射光。4布里渊散射(Brillouin)：介质密度（折射率）随时间周期性起伏形成的声波（或声子）所引起的。这是一种非弹性散射，散射光的频移量较小，相应于声子能量。也有Stokes和Anti-Stokes散射光。自发辐射光散射因入射光较弱，入射光并不改变介质的光学特性，散射光是非相干的。强激光（相干光）的作用下所产生的受激散射，如受激拉曼散射（SRS）与受激布里渊散射（SBS），属于三阶非线性效应，入射光会改变介质的光学性质；散

4、射光与入射激光类似，也是受激相干辐射。54、受激光散射的特点高输出强度：SRS和SBS的输出光强可达到与入射光同数量级的强度，甚至更强（具放大作用）。受激散射光可把入射激光能量耗尽。高定向性：前向和后向受激散射光的发散角可达到与入射激光相近的发散角。可达到毫弧度，甚至衍射极限。高单色性：散射光谱的宽度明显变窄，可达到与入射激光相当或更窄的单色光。脉宽压缩性：受激散射光脉冲持续时间远小于入射激光脉冲持续时间。阈值性：入射激光的强度大于某一阈值光强后，散射光的相干性、方向性和散射光强才有明显提高。高阶散射特性：在加强输

5、入光强或增加介质长度时，可出现高阶Stokes散射光和Anti-Stokes散射光。相位共轭特性：产生的受激散射光场的相位特性与入射激光的相位特性有共轭关系。6二、受激拉曼散射1、自发拉曼散射Raman（1928）发现自发拉曼散射。散射光谱中除了原频率成分之外，还出现了新频率成分和。称为Stokes线。，称为Anti-Stokes线。一般Stokes线远比Anti-Stokes线强几个数量级。7拉曼散射Stokes过程是分子吸收频率为的泵光光子，由基态跃迁到虚能级，再由虚能级跃迁到分子的振转能级（第一激发态），发射

6、频率为的Stokes光子。而Anti-Stokes过程是处于第一激发态的分子吸收光子跃迁到另一虚能级，再由该虚能级跃迁到基态，发射Anti-Stokes光子。由于热平衡时，处于基态的分子数远大于第一激发态的分子数，因此，产生的光子远远多于光子。故Stokes散射光远强于Anti-Stokes散射光。自发Raman散射的能级示意图82、受激拉曼散射受激拉曼散射是相干的强激发过程：初始时入射光子与热振动声子碰撞产生受激声子和斯托克斯光子，随后入射光子和受激声子碰撞产生斯托克斯光子，并产生更多受激声子。如此积累将会产生更

7、多得受激声子和斯托克斯光子，这是一个雪崩过程。显著特点是：阈值性，只有入射光子数达到一定数目才会出现；相干性，受激声子是相干的，散射光子也是相干的，随后的增益也是相干产生的。自发辐射和受激辐射拉曼散射的光谱图比较。93、受激拉曼散射的物理图像分子振荡调制介质折射率，产生（反）斯托克斯光；斯托克斯光场和原激光光场干涉，形成强度为的总光强，作用于介质，使得频率为的分子振荡加剧。而此振荡进一步产生斯托克斯散射光。这种正反馈作用使散射光雪崩似地增强。调制……反馈10当入射光子数和散射光子数很大时，采用经典的非线性耦合波方程

8、来分析受激拉曼散射过程是合适的。频率为的光场的耦合波方程为因散射场是由频率为的入射场的泵浦引起的，对应的非线性极化率为由于泵浦光和斯托克斯散射光频率差与分子振动频率近共振，所以三阶极化率为复数，即11假设介质为各向同性，所以可按标量方程求解。方程中三阶极化率实部反映相位调制，虚部反映强度变化，若只考虑虚部项，则有解：如果，则Raman散射是指数增长的，g为增