水中布里渊散射非均匀超声光栅的机理及对布里渊散射激光雷达性能影响的研究

Stimulated Brillouin scattering (SBS) has been widely used in many applications, especially in Brillouin lidar for remote sensing of the ocean. But, only a handle of studies have been reported about the functional mechanism and model structure, and many experimental results still cannot be explained using the existing model. At present, most of studies about the physical mechanism of SBS concentrate on the solution of simplified numerical solution of nonlinear coupled wave equations in order to analyze and interpret some basic laws, but the corresponding research of micro-mechanism and model structure during the process of SBS is seldom. In this project, SBS effect in water will be researched based on the model of inhomogeneous ultrasonic grating, especially focus on the distributions of refractive index modulation and inhomogeneous ultrasonic grating due to the SBS process. The influences of ultrasonic grating structure，refractive index distribution of water, the effective length of ultrasonic grating and phonon lifetime under the condition of Gaussian beam pump on SBS reflectance spectrum will be analyzed using the multi- layer dielectric film theory and transfer matrix. Moreover, based on the analysis results of inhomogeneous ultrasonic grating and its influence on the performance of Brillouin lidar, we will explore a technique to reduce SBS threshold intensity and enhance the energy reflectivity. We believe that, the research results possess potentially application value for resolving the problems of detecting depth and precision of SBS lidar.

受激布里渊散射在水下探测及遥感领域有广阔应用前景，但其作用机理及模型研究并不多，且无法解释许多实验结果。目前有关受激布里渊散射的物理机制研究基本上都是围绕求解简化后的非线性耦合波方程组的数值解来分析和解释一些基本规律，而对散射过程中存在的微观机理和结构缺少相应的研究。本项目拟用非均匀周期超声体光栅模型来分析水中的受激布里渊散射，重点研究水中产生受激布里渊散射后水的折射率调制分布和超声光栅非均匀分布，利用多层介质膜理论及传输矩阵法，分析水的超声光栅结构及折射率分布、高斯光束泵浦下的有效超声光栅长度及声子寿命等参数对受激布里渊散射反射谱的影响。通过对水中布里渊散射非均匀超声光栅模型的分析及对布里渊散射激光雷达性能可能产生的影响，探讨降低水中的受激布里渊散射阈值，增强能量反射率的技术方法。研究成果将对解决目前受激布里渊散射激光雷达的探测深度和探测精度问题具有潜在的应用价值。

受激布里渊散射（Stimulated Brillouin scattering, SBS）由于具有脉宽压缩效应、相位共轭特性、后向散射强等物理特性，在光纤传感、位相共轭放大、布里渊散射海洋激光雷达方面具有潜在的应用前景。有关光纤等介质布里渊散射的物理机制已有比较多的理论研究，但基本上都是围绕求解线性耦合波方程组的数值解来分析和解释布里渊散射的一些基本规律，而对于散射过程中存在的微观机理和结构缺少相应的研究，尤其是有关水下受激布里渊散射产生的微观物理机制方面的研究尚不多见。受激布里渊散射（SBS）是由强光波场与介质声波场的非线性相互作用产生，需要对水介质的SBS微观过程和SBS形成机制有更深入的研究。本项目将布里渊声场视为光栅结构，通过分析产生受激布里渊散射的折射率光栅分布等情况，从而更好的理解产生的微观机制，以及解释受激布里渊散射的光谱特性。. 本项目根据水的SBS散射特征，修正了受激布里渊散射（SBS）的耦合波理论模型。从介质内部声波场与光场之间的相互作用机理出发，通过研究分析介质的吸收和折射率等参量的变化情况，构建了新的非均匀折射率光栅分布模型。提出了新的传输矩阵模拟算法，利用新传输矩阵方法对非均匀折射率调制光栅以及均匀光栅结构均进行了模拟，并通过与均匀光栅模型和传统的耦合波理论进行比较，验证了新的理论模型和算法的正确性。本项目提出了水的吸收与非均匀折射率光栅结构之间的关联关系，提出了关于计算水下受激布里渊散射的有效长度的新计算方法。通过改变折射率调制系数和周期调制系数来模拟受激布里渊散射光谱的分布情况，将耦合波理论与传输矩阵理论相结合模拟水下受激布里渊散射的光谱分布，发现水的吸收系数、温度等参数对水体的SBS声场调制光栅的结构、折射率调制分布影响很大，从而导致水下SBS散射光谱和相应的频移、脉宽、谱宽等特征参数均与均匀光栅结构模型有很大的不同。本项目还模拟了温度、吸收系数等参数对散射频移，线宽等散射光谱特征的影响情况。在0~40℃的温度范围内，针对不同的吸收系数，得到了大量的理论模拟结果。这些结果与实际实验结果进行了详细比较，理论与实验结果吻合的非常好，解决了原来均匀光栅模型不能解决的问题，并找到了影响提高水下SBS激光雷达探测深度的关键要素，对SBS激光雷达的实际应用有指导意义。