现代光电子实验专题实验二实验课教案.doc

受激布里渊散射（SBS）相位共轭镜及光限幅技术一、 实验目的1、掌握SBS相位共轭镜原理及特性；2、掌握SBS光限幅技术原理及特性。二、 实验原理1、SBS相位共轭镜受激布里渊散射（SBS）相位共轭技术是获得相位共轭光的重要手段，与其它非线性相位共轭技术相比，SBS相位共轭具有频移小、结构简单、高保真度和高反射率的特点，因此利用SBS实现光学相位共轭已成为非线性光学相位共轭领域重要的研究内容。光学相位共轭是指这样一种技术：它利用光学非线性效应，使任意光束中的每一个平面波分量的传播方向及其在任一处的相位因子发生反演。产生这样一种相位共轭波的器件或装置叫做相位共轭镜（Phase Conjugating MirrorPCM）。用数学语言描述。设有一平面信号波在方向传播，表示为 （1）式中表示复数共轭。若另有一波具有形式 （2）则波被称为波的位相共轭波。显见，位相共轭波的复振幅与信号波的复振幅有如下的共轭关系： （3）而位相共轭波的传播方向为，这是信号波传播方向的准确反向。比较（1）式与（2）式可得： （4）由此可见，相位共轭波在数字表达式上是信号波的时间反演。观察位相共轭波就好像对信号波做历史的回顾。在任一空间位置上它们均具有完全相同的波面形状，而差别是位相共轭波的时间推移和传播方向的反转。图1用图像描绘了位相共轭波的特性。图（a）中电光源发射的发散球面波经平面镜反射，继续保持发散球面波传播，而由PCM反射的光波却以会聚波形式重新会聚在电光源上。图（b）中平面波经某相位物后由平面镜反射再次经过同一相位物之后，波面变成： （5）而若经PCM反射并再次通过相位物，则反射波又重新变为准确的平面波： （6）此处R及Rph分别为平面镜及PCM的反射率。图（c）中若以右旋圆偏振光入射，经平面镜反射后变成左旋圆偏振光；而若入射光经PCM反射，则仍保持为右旋偏振光。图1 相位共轭镜（PCM）与普通平面反射镜的性质比较SBS相位共轭镜不仅能够改善光束质量，而且还具有脉冲压缩、激光组束等特性，图2显示了SBS脉冲压缩波形。 （a） （b）图2 SBS压缩脉冲波形，（a）入射光脉冲波形，（b）Stokes光脉冲波形2、SBS光限幅原理关于SBS用于产生相位共轭光和压缩激光脉冲等已经有广泛研究，所研究的都是布里渊介质中后向散射光的特性。对激光入射到布里渊介质后透射光的特性却少有研究。当入射光能量超过SBS阈值时，入射光与布里渊介质发生较强的SBS作用，导致入射光能量迅速地向Stokes光能量转移，进而导致SBS光限幅输出光能量具有非常“平”的特性。SBS能量反射率、透射率及透射光能量随入射光能量的变化曲线，如图3所示。从图3（c）可看出，透射光能量随入射光的增加先是线性增加，然后随着入射光能量的增加趋于恒定值，具有良好的光限幅特性。 (a) (b)(c)图3 SBS能量反射率（a）、透射率（b）及透射光能量（c）随入射光能量的变化曲线SBS光限幅不仅具有良好的能量限幅特性，而且还具有脉冲波形的限幅特性，图4为SBS光限幅的脉冲波形。图4 SBS光限幅脉冲波形，（a）入射光脉冲波形，（b）和（c）为SBS光限幅脉冲波形三、 实验装置实验装置如图5所示，Nd:YAG调Q激光器产生的p偏振光经1/4波片后变成圆偏振光，并入射到SBS系统中。SBS系统由SBS池和透镜L组成，入射光首先被透镜L聚焦到振荡池中产生SBS作用，并产生Stokes光。偏振片P和1/4波片组成隔离器，防止后向Stokes光进入YAG激光器。产生的Stokes光通过1/4波片后变为s偏振光，并被偏振片P反射，发散的SBS光限幅输出光经过透镜L2变为平行光。入射光、SBS光限幅输出光和Stokes光的能量用能量计ED200探测，波形用示波器。Nd:YAG / 4Lens1SBS cellenergy meter ED200Penergy meter ED200Lens2图5 实验装置示意图四、 实验内容及要求1、测出SBS压缩脉冲波形，并画出SBS能量反射率随入射光能量变化的实验曲线；2、测出SBS透射光（光限幅）脉冲波形，画出SBS光限幅能量随入射光能量变化的实验曲线。五、 注意事项1、做实验时不要坐着做，一定要站着做，以免伤眼睛；2、挡好光学元件反射、透射的光束，以免打坏其它仪器设备；3、探测光信号时，先用衰减片、凹透镜或纸屏等把光强衰减之后才用探头接收。六、 思考题1、 除了SBS相位共轭镜之外，还有什么其它获得相位共轭光的方法？2、 受激布里渊散射和受激瑞利散射的主要区别是什么？3、 SBS相位共轭镜能够改善光束质量之外，还有什么其它用途？七、 参考书1、 陈军，光学位相共轭及其应用，1999，科学出版