受激布里渊散射阈值及对布里渊激光雷达探测性能影响的研究

因激光在水中发生受激布里渊散射(SBS)，消耗部分激光能量，导致SBS的激光雷达在水中探测深度受到限制，表明探测深度与SBS阈值等参数有关。阈值的定义和测量是判断受激布里渊散射发生的依据,也是研究SBS的基础问题，目前国际上对于SBS阈值光强的定义并不统一，人们通常通过测量SBS背向散射光的能量来确定受激布里渊散射阈值，这种方法受探测仪器的灵敏度和人为的主观因素影响很大，并且后向受激拉曼散射（BSRS）对受激布里渊散射的阈值也有影响，这使得对于同一种介质材料的SBS阈值能量的测量结果有可能不同。本项目拟通过测量特定功率范围内的窄带和宽带激光在水中的衰减系数的不同来确定SBS的阈值，并研究后向SRS对受激布里渊散射的影响，使得在SBS阈值测量方面有一个统一的方法，进而从理论上寻找出SBS阈值与激光相干长度、脉宽、介质长度等的内在联系和规律来评估阈值对布里渊激光雷达探测性能的影响。

受激散射作为非线性光学的一个重要主题，无论是理论、基础实验研究还是应用研究都引起了人们广泛的兴趣，并为此做了大量的工作。最典型的受激散射包括受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)。本项目主要围绕SBS阈值、增益系数、SBS与SRS的关系以及SBS在海洋激光雷达系统中的应用等做了相关的研究。本项目详细研究了各种不同激光入射时SBS阈值的特点，重新完整定义了SBS阈值。根据本项目研究的定义，SBS阈值在理想稳态和理想瞬态情况下都只是泵浦激光和介质内禀参数的函数，和介质尺度无关。在中间情况下，SBS阈值是否也是介质长度的函数，还要具体分析。SBS阈值的高低依赖于稳态和瞬态所占的比例。在此基础上，本项目还提出了一种新的测量SBS阈值的方法，该方法通过测量介质衰减系数的变化来测量阈值，具有很好的应用价值。脉宽、线宽、阈值及增益系数是布里渊散射的几个重要参数，目前的研究主要集中在室温条件下，而对于变温条件下的温度依赖特性，则缺少相应的实验研究。本项目主要从理论分析及实验结果两方面来介绍介质温度变化对受激布里渊散射的脉宽、线宽、阈值、增益系数等基本特性的影响。实验结果表明，受激布里渊散射脉宽随着温度的降低而变窄，温度越低脉宽压缩效应越明显，而受激布里渊散射线宽则随着温度的降低而变宽。受激布里渊散射阈值及增益系数也同样受介质温度变化的影响，随着温度的升高，阈值呈现指数下降趋势，而增益系数则呈现指数上升趋势。SRS作为另一种典型的受激散射，和SBS共同竞争泵浦激光的能量，竞争的结果和入射激光的光谱性质、介质的参数都有关系。就液体材料而言，在单纵模激光泵浦下，SBS由于其极大的稳态增益很容易在竞争中获得绝对优势，SRS受到极大的抑制。然而，我们在实验中发现，随着激光能量的增强，SBS虽然仍然占据主导地位，前向SRS依然很微弱，背向SRS(BSRS)却开始呈现指数上升的势头，SBS和BSRS存在一种共生关系。通过对不同聚焦深度、不同泵浦能量下SBS与BSRS强度的测量，我们发现，BSRS的能量主要来源于同向传输的SBS的泵浦。本项目还研究了不同大气环境条件下532 nm激光在水中的衰减系数，实验结果显示大气环境对激光的衰减系数有着重要的影响。当气压高并且温度低时，激光在水中的衰减系数最小；当气压低并且温度高时，衰减系数最大，最大衰减系数值是最小衰减系数的三倍。