专利名称：测量介质布里渊增益线型和线宽的装置及基于该装置测量介质布里渊增益线型和线宽的方法
技术领域：
本发明涉及激光非线性领域。
背景技术：
受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,简称SBS)是非线性光学领域内一个重要的研究方向。SBS的一些特殊性质，如相位共轭、脉宽压缩、脉冲放大、以及关于慢光的研究，都备受各国科研工作者的青睐，并在海水盐度、温度监测，桥梁、管道应力监测等方面有着广阔的应用前景。在关于SBS的研究中，介质的布里渊线型和线宽一直以来都是一个非常重要的参数。尽管在光纤中，布里渊线型和线宽的测量已非常成熟，然而针对液体、固体、气体介质的布里渊线型和线宽的测量一直没有一种简单可行的方法。有人提出采用振-放双池结构， 通过控制产生池介质温度改变Stokes信号光中心频率(由F-P标准具测量得到)，与此同时测量放大池介质对不同频率Stokes信号光放大倍率获得SBS增益系数g随频率的变化关系，最后计算获得布里渊线型和线宽。但这种方法的Stokes信号光中心频率测量会受干涉条纹锐度的影响，而增益系数g的测量会受Stokes信号光自身线宽的影响，使得测量结果有较大的误差，甚至在Stokes信号光线宽与所测介质布里渊线型和线宽相近时，该方法所得结果将不再可信。另外有人在上述方法的基础上提出采用控制两种布里渊频移已知的混合介质体积比实现改变Stokes信号光中心频率，并通过体积比计算混合介质的布里渊频移，这种方法可以避免F-P标准具干涉条纹锐度的影响也相对来较为简单，但混合介质的布里渊频移通过介质混合体积比的相关计算结果是否可信对布里渊线型和线宽测量结果的可信度有直接影响，并且由于Stokes信号自身线宽带来的影响仍然无法消除。目前对布里渊线型和线宽的测量存在测量结果较大误差、测量结果可信度低和Stokes信号自身线宽对布里渊线型和线宽的测量结果有影响的问题。
发明内容
本发明为了解决目前对布里渊线型和线宽的测量存在测量结果可信度低和Stokes信号自身线宽对布里渊线型和线宽的测量结果有影响的问题，从而提出了测量介质布里渊增益线型和线宽的装置及基于该装置测量介质布里渊增益线型和线宽的方法。测量介质布里渊增益线型和线宽的装置，它包括激光源、1/2波片、Stokes光产生系统、第一 1/4波片、第一偏振片、斩波器、第二全反射镜、第一全反射镜、第三偏振片、第三1/4波片、放大池、第二 1/4波片、第二偏振片、第三全反射镜、测量系统和能量计，所述的Stokes光产生系统包括聚焦透镜和SBS产生池，测量系统包括衰减器、F-P干涉扫描仪、光电倍增管、取样积分器和计算机，激光源发射脉冲激光入射至1/2波片，经该1/2波片透射的脉冲激光入射至第一偏振片，经该第一偏振片的脉冲激光被分为反射的S11和透射光P21，所述的反射的S11经过第一 1/4波片入射至Stokes光产生系统,再由Stokes光产生系统产生的Stokes信号光沿入射光路返回至第一 1/4波片，经过第一 1/4波片透射的透射光P11入射至第一偏振片，经该第一偏振片透射的透射光P11顺次经过第一全反射镜、第三偏振片和第三1/4波片后入射至放大池的一端，经第二 1/4波片透射的反射光的S12再经第二偏振片反射后入射至测量系统；所述的透射光P21顺次经过斩波器、第二全反射镜、第三全反射镜、第二偏振片和第二1/4波片后入射至放大池的另一端，经第三1/4波片透射的反射光S21经过第三偏振片反射后入射至能量计，能量计的能量信号输出端与计算机的能量信号输入端连接；SBS产生池设置在聚焦透镜的焦平面上，衰减器的Stokes信号光输出端与F-P干涉扫描仪的Stokes信号光输入端连接，F-P干涉扫描仪的Stokes光频谱信号输出端与光电倍增管的Stokes光频谱信号输入端连接；
光电倍增管的Stokes电信号输出与取样积分器的Stokes电信号输入端连接；取样积分器的Stokes积分信号输出端与计算机的Stokes积分信号输入端连接。基于测量介质布里渊增益线型和线宽的装置测量介质布里渊增益线型和线宽的方法，激光源发射脉冲激光入射至1/2波片，经该1/2波片透射的脉冲激光入射至第一偏振片，经该第一偏振片的脉冲激光被分为S态的线偏振光S11和P态的线偏振光P21,所述的S态的线偏振光S11经第一偏振片反射的线偏振光S11入射至第一 1/4波片，经该第一 1/4波片透射的圆偏振光O11入射至Stokes光产生系统的聚焦透镜，经聚焦透镜透射的圆偏振光O11会聚到SBS产生池，所述的圆偏振光O11与SBS产生池的介质发生作用，产生具有布里渊频移的后向散射的圆偏振光O12，向后散射的圆偏振光O12原路返回入射至第一 1/4波片，经该第一 1/4波片的向后散射的圆偏振光O12变成射的P态的线偏振光P11,所述的P态的线偏振光P11入射至第一偏振片；经该第一偏振片透射至第一全反射镜，经该第一全反射镜反射至第三偏振片，经该第三偏振片透射至第三1/4波片，经第三1/4波片的P态的线偏振光P11变为圆偏振光013，所述的圆偏振光O13作为种子光入射至放大池的一端;所述的P态的线偏振光P21入射至斩波器，经该斩波器调制后的P态的线偏振光P21入射至第二全反射镜，经该第二全反射镜反射至第三全反射镜，经第三全反射镜反射至第二偏振片，经第二偏振片透射至第二 1/4波片，经第二 1/4波片的P态的线偏振光P21变为圆偏振光O21，所述的圆偏振光O21作为泵浦光入射至放大池的另一端；所述的泵浦光和种子光在放大池的相互作用后，泵浦光实现了向种子光的能量转移将种子光放大，放大后的种子光由泵浦光的入射端从放大池输出入射至第二 1/4波片，经该第二1/4波片的放大后的种子光变为S态的线偏振光S12，经第二偏振片反射入射至测量系统的Stokes信号光经衰减器，衰减器将接收到的Stokes信号光进行衰减,并将衰减后的Stokes信号光发送至F-P干涉扫描仪，F-P干涉扫描仪对接收到的Stokes信号光进行频谱扫描，并将Stokes光频谱信号发送至光电倍增管，
光电倍增管将接收到的Stokes光频谱信号转换为Stokes电信号，并将该Stokes电信号发送至取样积分器；取样积分器根据接收到的Stokes电信号进行取样积分，并将积分后的Stokes积分信号发送至计算机；泵浦光由种子光入射端从放大池输出入射至第三1/4波片，经该第三1/4波片的泵浦光变为S态的线偏振光S21，经第三偏振片反射后入射至能量计，该能量计用于监测泵浦光能量I，通过能量计的泵浦光能量信号输出端与计算机的泵浦光能量信号输入端连接，计算机根据接收到放大前的Stokes电信号的频谱数据拟合得到Istl(V),根据接收到放大后的Stokes电信号的频谱数据拟合得到Isa(V);由公式(I)曲线拟合得到介质 布里渊增益线型g(v)，根据介质布里渊增益线型g(v)得到增益线宽，所述Isa(V)的表达式为Isa( V )=Is0( V ) Xexp[g( V ) IL](I)。放大前的Stokes光能量为Istl ( v )，放大后的Stokes光能量为Isa( V)，泵浦光能量为I，布里渊放大池池长为L，Stokes光频率为V。本发明通过F-P干涉扫描仪直接测量经待测介质布里渊放大后的Stokes信号光频谱，对测量得到的放大前后Stokes信号频谱进行拟合处理分析，获得SBS介质增益谱线g ( V )进而得到增益线宽，达到了对布里渊线型和线宽的测量结果可信度高和Stokes信号自身线宽对布里渊线型和线宽的测量结果无影响的效果，实现了对介质布里渊增益线型和线宽测量简单有效的目的。
图I为测量介质布里渊增益线型和线宽的装置结构示意图；图2为Stokes光产生系统内部的结构示意图；图3为测量系统的内部结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图I至3具体说明本实施方式，本实施方式所述的测量介质布里渊增益线型和线宽的装置，它包括激光源I、1/2波片2、Stokes光产生系统3、第一 1/4波片4、第一偏振片5、斩波器6、第二全反射镜7、第一全反射镜8、第三偏振片9、第三1/4波片10、放大池11、第二 1/4波片12、第二偏振片13、第三全反射镜14、测量系统15和能量计16，所述的Stokes光产生系统3包括聚焦透镜3-1和SBS产生池3_2，测量系统15包括衰减器15-1、F-P干涉扫描仪15-2、光电倍增管15-3、取样积分器15_4和计算机15_5，激光源I发射脉冲激光入射至1/2波片2，经该1/2波片2透射的脉冲激光入射至第一偏振片5，经该第一偏振片5的脉冲激光被分为反射的S11和透射光P21，所述的反射的S11经过第一 1/4波片4入射至Stokes光产生系统3，再由Stokes光产生系统3产生的Stokes信号光沿入射光路返回至第一 1/4波片4，经过第一 1/4波片4透射的透射光P11入射至第一偏振片5，经该第一偏振片5透射的透射光P11顺次经过第一全反射镜8、第三偏振片9和第三1/4波片10后入射至放大池11的一端，经第二 1/4波片12透射的反射光的S12再经第二偏振片13反射后入射至测量系统15 ;所述的透射光P21顺次经过斩波器6、第二全反射镜7、第三全反射镜14、第二偏振片13和第二 1/4波片12后入射至放大池11的另一端，经第三1/4波片10透射的反射光S21经过第三偏振片9反射后入射至能量计16，能量计16的能量信号输出端与计算机15-5的能量信号输入端连接；SBS产生池3-2设置在聚焦透镜3_1的焦平面上，衰减器15-1的Stokes信号光输出端与F-P干涉扫描仪15_2的Stokes信号光输入端连接，F-P干涉扫描仪15-2的Stokes光频谱信号输出端与光电倍增管15_3的Stokes光频谱信号输入端连接；光电倍增管15-3的Stokes电信号输出与取样积分器15_4的Stokes电信号输入端连接；取样积分器15-4的Stokes积分信号输出端与计算机15_5的Stokes积分信号输 入端连接。
具体实施方式
二、结合图I至3具体说明本实施方式，基于具体实施方式
一所述的测量介质布里渊增益线型和线宽的装置测量介质布里渊增益线型和线宽的方法，激光源I发射脉冲激光入射至1/2波片2，经该1/2波片2透射的脉冲激光入射至第一偏振片5，经该第一偏振片5的脉冲激光被分为S态的线偏振光S11和P态的线偏振光P21,所述的S态的线偏振光S11经第一偏振片5反射的线偏振光S11入射至第一 1/4波片4，经该第一 1/4波片4透射的圆偏振光O11入射至Stokes光产生系统3的聚焦透镜3_1，经聚焦透镜3-1透射的圆偏振光O11会聚到SBS产生池3-2，所述的圆偏振光O11与SBS产生池3-2的介质发生作用，产生具有布里渊频移的后向散射的圆偏振光012，向后散射的圆偏振光O12原路返回入射至第一 1/4波片4，经该第一 1/4波片4的向后散射的圆偏振光O12变成射的P态的线偏振光P11,所述的P态的线偏振光P11入射至第一偏振片5 ;经该第一偏振片5透射至第一全反射镜8，经该第一全反射镜8反射至第三偏振片9，经该第三偏振片9透射至第三1/4波片10，经第三1/4波片10的P态的线偏振光P11变为圆偏振光O13，所述的圆偏振光O13作为种子光入射至放大池11的一端；所述的P态的线偏振光P21入射至斩波器6，经该斩波器6调制后的P态的线偏振光P21入射至第二全反射镜7，经该第二全反射镜7反射至第三全反射镜14，经第三全反射镜14反射至第二偏振片13，经第二偏振片13透射至第二 1/4波片12，经第二 1/4波片12的P态的线偏振光P21变为圆偏振光O21，所述的圆偏振光O21作为泵浦光入射至放大池11的另一端；斩波器6在光路中控制泵浦光的通过与不通过，进而控制入射至F-P干涉扫描仪15-2的为放大后的Stokes光或放大前的Stokes光；所述的泵浦光和种子光在放大池11的相互作用后，泵浦光实现了向种子光的能量转移将种子光放大，放大后的种子光由泵浦光的入射端从放大池11输出入射至第二 1/4波片12，经该第二 1/4波片12的放大后的种子光变为S态的线偏振光S12，经第二偏振片13反射入射至测量系统15的Stokes信号光经衰减器15-1，衰减器15-1将接收到的Stokes信号光进行衰减，并将衰减后的Stokes信号光发送至F-P干涉扫描仪15-2，F-P干涉扫描仪15-2对接收到的Stokes信号光进行频谱扫描，并将Stokes光频谱信号发送至光电倍增管15-3，光电倍增管15-3将接收到的Stokes光频谱信号转换为Stokes电信号，并将该Stokes电信号发送至取样积分器15-4 ；取样积分器15-4根据接收到的Stokes电信号进行取样积分，并将积分后的Stokes积分信号发送至计算机15-5 ；泵浦光由种子光入射端从放大池11输出入射至第三1/4波片10，经该第三1/4波片10的泵浦光变为S态的线偏振光S21，经第三偏振片9反射后入射至能量计16，该能量计16用于监测泵浦光能量I，通过能量计16的泵浦光能量信号输出端与计算机15-5的泵浦光能量信号输入端连接，计算机15-5根据接收到放大前的Stokes电信号的频谱数据拟合得到IS(1( v )，根据接收到放大后的Stokes电信号的频谱数据拟合得到Isa(V);由公式(I)曲线拟合得到 介质布里渊增益线型g( V)，根据介质布里渊增益线型g( V)得到增益线宽，所述Isa( V)的表达式为Isa( V )=Is0( V ) Xexp[g( V ) IL](I)。放大前的Stokes光能量为Istl ( v )，放大后的Stokes光能量为Isa( V)，泵浦光能量为I，布里渊放大池池长为L，Stokes光频率为V。本实施方式具有以下优点I、采用F-P干涉扫描仪、光电倍增管、取样积分器直接对Stokes信号光进行频谱测量，可以消除用F-P标准具测量时因干涉条纹锐度而带来的误差；2、本测量方法自身就是利用Stokes信号光频谱放大前后的信息来测量介质的布里渊线型和线宽，因此不需要考虑它自身线宽带来的不利影响；3、对泵浦光进行合理调制，包含Stokes信号光放大前后频谱信息的包络线能在一个坐标系下拟合出来，可以降低Stokes信号频率抖动带来的影响。4、本方法可以推广至测量SBS介质用于非共线放大结构下的增益线宽和增益中心频率的变化值。
权利要求
1.测量介质布里渊增益线型和线宽的装置，其特征在于它包括激光源(1)、1/2波片(2)、Stokes光产生系统(3)、第一1/4波片(4)、第一偏振片(5)、斩波器(6)、第二全反射镜(7)、第一全反射镜(8)、第三偏振片(9)、第三1/4波片(10)、放大池(11)、第二 1/4波片(12)、第二偏振片(13)、第三全反射镜(14)、测量系统(15)和能量计(16)，所述的Stokes光产生系统(3)包括聚焦透镜(3-1)和SBS产生池(3-2)，测量系统(15)包括衰减器(15-1 )、F-P干涉扫描仪(15-2)、光电倍增管(15-3)、取样积分器(15_4)和计算机(15_5)， 激光源(I)发射脉冲激光入射至1/2波片(2)，经该1/2波片(2)透射的脉冲激光入射至第一偏振片(5)，经该第一偏振片(5)的脉冲激光被分为反射的S11和透射光P21，所述的反射的S11经过第一 1/4波片(4)入射至Stokes光产生系统(3),再由Stokes光产生系统(3)产生的Stokes信号光沿入射光路返回至第一1/4波片(4)，经过第一 1/4波片(4)透射的透射光P11入射至第一偏振片(5)，经该第一偏振片(5)透射的透射光P11顺次经过第一全反射镜(8)、第三偏振片(9)和第三1/4波片(10)后入射至放大池(11)的一端，经第二1/4波片(12)透射的反射光的S12再经第二偏振片(13)反射后入射至测量系统(15);所述的透射光P21顺次经过斩波器(6)、第二全反射镜(7)、第三全反射镜(14)、第二偏振片(13)和第二 1/4波片(12)后入射至放大池(11)的另一端，经第三1/4波片(10)透射的反射光S21经过第三偏振片(9)反射后入射至能量计(16)，能量计(16)的能量信号输出端与计算机(15-5)的能量信号输入端连接； SBS产生池(3-2)设置在聚焦透镜(3-1)的焦平面上， 衰减器(15-1)的Stokes信号光输出端与F-P干涉扫描仪(15_2)的Stokes信号光输入端连接， F-P干涉扫描仪(15-2)的Stokes光频谱信号输出端与光电倍增管(15-3)的Stokes光频谱信号输入端连接； 光电倍增管(15-3)的Stokes电信号输出与取样积分器(15_4)的Stokes电信号输入端连接； 取样积分器(15-4)的Stokes积分信号输出端与计算机(15_5)的Stokes积分信号输入端连接。
2.基于权利要求I所述的测量介质布里渊增益线型和线宽的装置测量介质布里渊增益线型和线宽的方法，其特征在于激光源(I)发射脉冲激光入射至1/2波片(2)，经该1/2波片(2)透射的脉冲激光入射至第一偏振片(5)，经该第一偏振片(5)的脉冲激光被分为S态的线偏振光S11和P态的线偏振光P21, 所述的S态的线偏振光S11经第一偏振片(5)反射的线偏振光S11入射至第一 1/4波片(4)，经该第一1/4波片(4)透射的圆偏振光O11入射至Stokes光产生系统(3)的聚焦透镜(3-1),经聚焦透镜(3-1)透射的圆偏振光O1!会聚到SBS产生池(3-2)，所述的圆偏振光O11与SBS产生池(3-2)的介质发生作用，产生具有布里渊频移的后向散射的圆偏振光O12，向后散射的圆偏振光O12原路返回入射至第一 1/4波片(4)，经该第一 1/4波片(4)的向后散射的圆偏振光O12变成射的P态的线偏振光P11,所述的P态的线偏振光P11入射至第一偏振片(5);经该第一偏振片(5)透射至第一全反射镜(8)，经该第一全反射镜(8)反射至第三偏振片(9)，经该第三偏振片(9)透射至第三1/4波片(10)，经第三1/4波片(10)的P态的线偏振光P11变为圆偏振光O13,所述的圆偏振光O13作为种子光入射至放大池(11)的一端；所述的P态的线偏振光P21入射至斩波器(6)，经该斩波器(6)调制后的P态的线偏振光P21入射至第二全反射镜(7)，经该第二全反射镜(7)反射至第三全反射镜(14)，经第三全反射镜(14)反射至第二偏振片(13)，经第二偏振片(13)透射至第二 1/4波片(12)，经第二1/4波片(12)的P态的线偏振光P21变为圆偏振光O21，所述的圆偏振光O21作为泵浦光入射至放大池(11)的另一端； 所述的泵浦光和种子光在放大池(11)的相互作用后，泵浦光实现了向种子光的能量转移将种子光放大， 放大后的种子光由泵浦光的入射端从放大池(11)输出入射至第二 1/4波片(12)，经该第二 1/4波片(12)的放大后的种子光变为S态的线偏振光S12，经第二偏振片(13)反射入射至测量系统(15)的Stokes信号光经衰减器(15-1)， 衰减器(15-1)将接收到的Stokes信号光进行衰减，并将衰减后的Stokes信号光发送至F-P干涉扫描仪(15-2)， F-P干涉扫描仪(15-2)对接收到的Stokes信号光进行频谱扫描，并将Stokes光频谱信号发送至光电倍增管(15-3)， 光电倍增管(15-3)将接收到的Stokes光频谱信号转换为Stokes电信号，并将该Stokes电信号发送至取样积分器(15-4)； 取样积分器(15-4)根据接收到的Stokes电信号进行取样积分，并将积分后的Stokes积分信号发送至计算机(15-5)； 泵浦光由种子光入射端从放大池(11)输出入射至第三1/4波片(10)，经该第三1/4波片(10)的泵浦光变为S态的线偏振光S21，经第三偏振片(9)反射后入射至能量计(16)，该能量计(16)用于监测泵浦光能量I，通过能量计(16)的泵浦光能量信号输出端与计算机(15-5)的泵浦光能量信号输入端连接， 计算机(15-5)根据接收到放大前的Stokes电信号的频谱数据拟合得到Istl(V),根据接收到放大后的Stokes电信号的频谱数据拟合得到Isa( V );由公式(I)曲线拟合得到介质布里渊增益线型g(v)，根据介质布里渊增益线型g(v)得到增益线宽，所述Isa(V)的表达式为Isa( V ) =Is0( V ) Xexp[g( V ) IL](I) 放大前的Stokes光能量为Istl ( V )，放大后的Stokes光能量为Isa( v )，泵浦光能量为I，布里渊放大池池长为L，Stokes光频率为V。
全文摘要
测量介质布里渊增益线型和线宽的装置及基于该装置测量介质布里渊增益线型和线宽的方法，涉及测量介质布里渊增益线型和线宽的装置及基于该装置测量介质布里渊增益线型和线宽的方法。它为了解决目前对布里渊线型和线宽的测量存在测量结果可信度低和Stokes信号自身线宽对布里渊线型和线宽的测量结果有影响的问题。本发明通过激光源发射激光脉冲经Stokes光产生系统产生Stokes信号光，由测量系统对Stokes光进行频谱测量，利用斩波器在光路中控制泵浦光通过与不通过，进而控制入射放大后Stokes光或放大前的Stokes光，根据Stokes光频谱放大前后信息来测量介质布里渊线型和线宽，本发明适用于激光非线性领域。
文档编号G01J11/00GK102809437SQ20121031648
公开日2012年12月5日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者吕志伟, 陈义, 王雨雷, 张昀 申请人:哈尔滨工业大学