受激布里渊放大脉冲波形控制的研究

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光学相位共轭(Optical Phase Conjugation―PCM)是指利用某种光学非线性现象来达到光波的传播方向及各处的相位因子的准确反转,具有自然矫正传输介质干扰、在后向输出端再现输入波前品质的特性;而受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering―SBS)技术是迄今为止产生后向相位共轭波(Phase Conjugate Waves―PCWs)最简单有效的方法,已得到广泛关注。本文对受激布里渊放大技术对脉冲波形的控制进行了较为系统的理论与实验研究,详细分析了布里渊放大的物理过程,提出了利用主放大池与修整放大池相结合的新方案来控制脉冲波形、特别是脉冲前沿,得到了脉冲波形随各首先从受激布里渊散射过程抽运场、Stokes场和声子场相互作用的耦合波方程组出发,建立了受激布里渊放大的系统模型,其中包括单放大池放大与双放大池放大两种结构;数值计算中,时间上采用隐式有限差分法、空间上采用后向差分法,对耦合波方程组进行离散化,该计算方法收敛速度快,时间步长取值不受空间步长的限制,计算速度快。编制了用于模拟布里渊放利用以上数值计算程序首先对单布里渊放大池结构的放大光脉冲波形随各种参数的变化规律进行了数值模拟,特别研究了利用单布里渊放大池放大获得与抽运光脉冲波形保真的放大光。研究中着重于各种物理参数对放大光脉冲的前沿时长、前后沿时长比、脉冲宽度等的影响,并对能量提取效率进行了分析,研究表明:相遇时间是控制放大光脉冲波形最重要的参数,抽运光与种子光的延迟时间、放大池池长以及抽运光脉冲宽度都影响着相遇时间;单布里渊放大池结构可以方便的控制脉冲波形,尤其是得到高脉冲波形保真度的放大光。根据数值模拟结果,对单布里渊放大池放大脉冲波形随系统各参数的变化规律进行了实验研究,并与理论计算进行了比较与分析。实验研究结果同样证明:调节相遇时间可以方便地控制脉冲波形,脉冲前沿随着相遇时间的增加而增长,对于陡前沿的Stokes种子光,相遇时间应较大,使得放大池中Stokes种子光脉冲后沿得到放大,脉冲峰后移,放大光脉冲前沿变缓。理论模拟的规律与实验结果的变化趋势相符。  在单布里渊放大池放大研究的基础上,对提出的双布里渊放大池放大结构进行了数值模拟与实验研究,并进行了比较。研究表明,与单放大池结构相比,主放大池与修整放大池相结合的双布里渊放大池结构可以更精确地控制脉冲波形,其中主放大池中完成脉冲波形的整体控制,而修整放大池中完成对脉冲波形、特别是脉冲前沿的微调。相遇时间是控制放大光脉冲整体波形的最重要的参数之一;而调节主放大池与修整放大池之间的距离(池间距)是微调脉冲波形的最简单有效的方法,池间距很短时,修整放大池的作用只是相当于增加了主放大池池长,池间距较大时,修整放大池真正起到微调脉冲前沿的作用;相遇时间越长、抽运光能量越高、修整放大池池长越长,放大光脉冲前沿的可控范围越大。理论模拟的规律与实验结果的变化趋势相符。最后,根据对单布里渊放大池结构与双放大池结构的研究结果,提出布里渊放大脉冲波形控制的设计方法。对于陡前沿Stokes种子光,针对不同的需要,提出了抽运光与种子光延迟时间、相遇时间、放大池(主放大池)池长、修整放大池池长与抽运光能量等参数的设计方法,并作了实例进行验证,得到很好的效果。  
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