閾值是界定是否發(fā)生某一現(xiàn)象的依據(jù)，是區(qū)分不同本質(zhì)、 不同規(guī)律的分水嶺。因此，閾值在研究跳變性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)具 有重要意義。水中的布里淵散射在軍事、科學(xué)上的意義正是 通過(guò)測(cè)量產(chǎn)生的受激布里淵散射信號(hào)，并分析其信號(hào)的線寬、 stocks信號(hào)等來(lái)探測(cè)反隱身以及水中鹽度、溫度和水質(zhì)情況 的重要方法。受激布里淵信號(hào)的強(qiáng)弱直接影響著測(cè)量的精度 和深度等問(wèn)題，而對(duì)受激布里淵散射閾值的研究，可以使我 們?cè)趯?duì)布里淵回波信號(hào)的研究上提供較為真確的尺度。特別 是對(duì)水域繁多、水性復(fù)雜的海洋來(lái)說(shuō)，其研究只能一步一步, 對(duì)影響探測(cè)的因素進(jìn)行逐一研究。因此，進(jìn)行海水的受激布里淵散射閾值研究具有重要的實(shí)際意義。

本文結(jié)合以前的工作，尤其是在參考文獻(xiàn)［1-3］的啟發(fā)下, 分析了樣品池的長(zhǎng)度、入射激光性質(zhì)與SBS閾值的關(guān)系，并 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析，就標(biāo)準(zhǔn)鹽度下水的布里淵閾值特性進(jìn)行了 研究。

1理論分析

1.1受激布里淵散射的一般描述

在非線性光學(xué)中，介質(zhì)感應(yīng)聲學(xué)運(yùn)動(dòng)的主要作用機(jī)理是 電致伸縮效應(yīng)，其相應(yīng)時(shí)間約在納秒級(jí)。由于伸縮效應(yīng)的存在, 入射介質(zhì)的強(qiáng)光波場(chǎng)會(huì)與其相互作用、激發(fā)，從而產(chǎn)生散射 光(stocks)；又由于聲波能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射激光能量，因此可 以忽略聲波的影響。當(dāng)入射光較弱時(shí)，介質(zhì)內(nèi)自發(fā)聲震動(dòng)太過(guò)微弱，不會(huì)產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)，不會(huì)增強(qiáng)入射光的散射。而當(dāng) 入射光足夠強(qiáng)，足以使介質(zhì)由電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的聲波與對(duì)應(yīng) 的散射光增益大于各自的損耗時(shí)，就會(huì)對(duì)布里淵散射光進(jìn)行 放大，這就是受激布里淵散射效應(yīng)。

在量子觀上，受激布里淵散射是聲子、光子相互作用的 結(jié)果，同時(shí)又遵循能量和動(dòng)量守恒。因此，可以作出推斷，受 激布里淵散射會(huì)有兩種可能的作用過(guò)程：第一是在湮滅一個(gè)人 射光子后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)入射光子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)散射光子和感 應(yīng)聲子(stocks):第二是湮滅一個(gè)入射光子和一個(gè)聲子，同時(shí) 產(chǎn)生一個(gè)散射聲子(anti-stocks)。因此，受激布里淵散射頻移 可以表示為：

其中，v?為頻移量，*為聲速，i為散射角。前面的土號(hào)表 示方向。

由式⑴可知，SBS主要發(fā)生的是后向散射，當(dāng)0=%時(shí), 頻移量最大,此外,SBS的最大增益長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于相互作用長(zhǎng)度L， L 一般取沿光軸方向；0=n時(shí)，聲波場(chǎng)響應(yīng)時(shí)間最小，SBS能 更快地產(chǎn)生。本研究中使用的都是短脈沖激光，脈沖持續(xù)時(shí) 間不超過(guò)幾十納秒，因此本文僅考慮0=n方向上的情況。

1.2理論分析

由非線性光學(xué)可知，耦合波方程組為:

在平面波近似，且忽略電場(chǎng)的橫向分布情況下，泵浦光、 斯托克斯光以及聲波場(chǎng)可表示為：

把式(4)~式(5)代入式(2)、式(3)，同時(shí)略去時(shí)間導(dǎo)數(shù), 在緩變近似和忽略二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的近似條件下，消去介質(zhì)中聲波 場(chǎng)方程，可得:

其中，Dk = ks + kp - k_a，c為電致伸縮系數(shù)。 這樣，光強(qiáng)與振幅具有如下關(guān)系：

由此可得出空間變化方程為：

設(shè)介質(zhì)內(nèi)光場(chǎng)損耗系數(shù)為?，抽運(yùn)光的吸收相對(duì)于自身 光強(qiáng)，可忽略，那么，對(duì)stocks光場(chǎng)，有：

從而得到z=0處，有：

這樣，當(dāng)增益大于損耗時(shí)，就有散射光射出，即：

將上述各式代入，則有：

這就是受激布里淵散射的閾值光強(qiáng)。其中，”為折射率，c為 電致伸縮系數(shù)，T_a為聲子壽命。

2實(shí)驗(yàn)研究

2.1實(shí)驗(yàn)原理

本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。圖中的1為二分之一波 片；2為四分之一波片；3為觀察屏；ED1為探測(cè)器1 ； .ED2 為探測(cè)器2。實(shí)驗(yàn)采用的激光器為種子注入式Nd：其中YAG 脈沖激光器的重復(fù)頻率為10 Hz,脈沖寬度為8 ns,激光線寬 可調(diào)。沒(méi)有種子光注入時(shí)，為寬帶激光(模式未鎖定),線寬 為30 GHz ；當(dāng)有種子光注入時(shí)(此時(shí)模式鎖定),為窄帶激光, 線寬為90 MHz。入射激光聚焦與非聚焦所得到的結(jié)果有較大 的不同，但聚焦的情況比較復(fù)雜，在此采取非聚焦的入射方式。 弓I起受激散射的介質(zhì)的光學(xué)特性可由入射激光能量的改變而 改變。通過(guò)改變激光器的電壓可以改變激光能量，可用于研 究介質(zhì)的光學(xué)特性。

寬帶激光不僅分散了激光能量，而且其各自特性也不同， 同時(shí)不同模式的閾值也各不相同。又由于寬帶激光存在多模競(jìng) 爭(zhēng)，各個(gè)模式持續(xù)的時(shí)間極短，因此，寬帶激光的SBS沒(méi)有 明顯的閾值特性。為了更好地研究SBS在35%。鹽度下水的閾 值特性，本文直接采用有種子光注入的窄帶激光模式。

由式(15)可知，只有n和a由介質(zhì)確定，而其余的參數(shù) 隨著激光器模式的確定變化不大，而且激光入射對(duì)n基本沒(méi) 有影響，因此，介質(zhì)衰減系數(shù)a便是激光閾值特性的具體體現(xiàn)。 通?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量樣品的衰減系數(shù)來(lái)研究其特點(diǎn)。

若把空紅時(shí)，探測(cè)器ED1和ED2探測(cè)到的光強(qiáng)記為11、 L，分光鏡的分光比為k，，水槽前后表面的衰減率為k2,玻璃 透過(guò)率為T，則透過(guò)空紅的光強(qiáng)為：

L = I k ksT： (16)

水槽中裝有樣品(本文為35%。的鹽水)時(shí)，探測(cè)器ED1 和ED2探測(cè)到的光強(qiáng)記為I、I，玻璃與樣品間的透射率設(shè) 為T2,激光在水中的衰減系數(shù)設(shè)為a，水槽長(zhǎng)度為1，則透過(guò) 的光強(qiáng)為：

I2= Ii'ki k T2e- (17)

在水槽垂直入射時(shí)，透射率T = 4ni如/(〃1 +如)²，其中玻 璃折射率地=1.50,標(biāo)準(zhǔn)鹽度下水的折射率％=1.337 42,那么， 求解式(16)和式(17)所得到的平均衰減系數(shù)為：

C = -1ln(與停 X 0.996 717) ⁽¹⁸⁾

入射激光能量的變化會(huì)直接導(dǎo)致介質(zhì)衰減系數(shù)的變化, 由此反饋的信息也就可以從透射能量的變化體現(xiàn)出來(lái)，本實(shí) 驗(yàn)正是通過(guò)測(cè)量透射能量(ED2)和反射能量(ED1),再利用 式(18)得出樣品的衰減系數(shù)變化情況的。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)對(duì)長(zhǎng)度為0.8 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m的樣品池 進(jìn)行以圖1所示的方式測(cè)量。圖2所示是對(duì)1.0 m樣品池在

寬帶和窄帶兩 種模式下實(shí)際 測(cè)得的樣品衰 減系數(shù)的比較， 其中圖2(a)為 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，圖 2(b)為其擬合 曲線圖。圖2 中，寬帶與窄 帶模式的衰減系數(shù)相比，其 變化還是比較明顯的。

由圖2容易看出，在反射激光能量差不多的情況下，窄 帶模式較寬帶模式所得到的衰減系數(shù)有明顯的變化。我們稱 寬帶模式測(cè)得的衰減系數(shù)為該介質(zhì)的常衰減系數(shù)，常衰減系 數(shù)是介質(zhì)的一般特性，在介質(zhì)不變的情況下，常衰減系數(shù)沒(méi)有 太大變化。經(jīng)過(guò)多次對(duì)該樣品的不同樣品長(zhǎng)度測(cè)得的常衰減 系數(shù)情況看，所測(cè)得的該樣品常衰減系數(shù)變化不大，和窄帶模 式測(cè)到的衰減系數(shù)相比，可當(dāng)成常數(shù)。圖3所示是實(shí)測(cè)窄帶模 式下不同長(zhǎng)度的樣品衰減系數(shù)變化情況以及相應(yīng)的擬合曲線。

圖3中的常衰減系數(shù)為多次測(cè)量值的擬合，0.8 m、1.2 m、 1.6 m曲線為實(shí)測(cè)相應(yīng)樣品長(zhǎng)度窄帶衰減數(shù)據(jù)的擬合。由圖3 明顯可以看出：窄帶曲線變化巨大，相對(duì)于常衰減系數(shù)而言, 有向上突變性走向，這正是閾值特性的體現(xiàn)。這是因?yàn)楫?dāng)入 射光滿足產(chǎn)生SBS條件時(shí)，激光的大部分能量用于產(chǎn)生SBS, 而ED2檢測(cè)到的透射光能量必然大幅減少，由此算出的衰減 系數(shù)相應(yīng)增大。衰減系數(shù)斜率有突然的變化，這很好地反映 了激光透過(guò)樣品的能量大小，也表明了產(chǎn)生SBS的情況，而 且其閾值特性十分明顯。此外，受激布里淵具有波前恢復(fù)(相 位共軛)特性，當(dāng)受激布里淵回波信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，從屏上可以觀 察到明顯的受激布里淵光斑。在實(shí)驗(yàn)中觀察到出現(xiàn)光斑時(shí)的 激光反射能量值較圖中的反射能量值大，這是因?yàn)樵谌搜塾^ 察到受激布里淵回波光斑前，受激布里淵散射已經(jīng)產(chǎn)生，只是 沒(méi)有達(dá)到人眼可觀測(cè)到的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)際觀察到SBS 時(shí)的能量值與文中的理論計(jì)算值相符。

3結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了窄帶和寬帶激光入射到水中的衰減 系數(shù)隨入射光強(qiáng)變化的曲線，并以兩條曲線分開(kāi)的位置確定 了激光的SBS閾值?？傮w上說(shuō)，布里淵認(rèn)為的在拐點(diǎn)處產(chǎn)生 SBS,這與在模擬海水中觀察到的現(xiàn)象相符。