为了克服高气压CO₂激光脉冲放大器增益谱线调制效应、平滑增益谱线包络以及减少次级脉冲输出，笔者以多种CO₂同位素混合物为工作介质，建立了超短CO₂脉冲放大模型，模拟了不同中心波长的长波皮秒激光脉冲注入不同气压、不同比例CO₂同位素的高气压CO₂激光放大器后的增益谱线特性和脉冲输出特性。模拟结果表明：在气压为5 bar、¹³C和¹⁸O原子占比均为50%的条件下，10.591 μm附近的增益谱调制度为19.65%，R支较P支增益谱调制度降低了约40%，较好地抑制了次级脉冲输出。在气压为10 bar的条件下，对脉宽为0.3 ps、能量为0.01 J的种子光进行模拟放大，结果显示：在9 μm波段，采用¹²C和¹³C的6种CO₂同位素放大的激光脉宽相比采用¹²C的3种CO₂同位素放大的激光脉宽压缩了28.14%，拖尾能量占比下降了46.37%；在10 μm波段，采用¹²C和¹³C的6种CO₂同位素放大的激光脉宽相比采用¹³C的3种CO₂同位素放大的激光脉宽压缩了23.26%，拖尾能量占比下降了40.06%。

为了提高布里渊光时域分析系统(BOTDA)在长距离监测应用中的实时性, 提出了一种基于压缩感知的布里渊光时域系统实时性增强方法。该方法包含稀疏表示、随机采样和信号重构三个部分。首先采用K-均值奇异值分解算法获得布里渊增益谱的稀疏表示, 然后通过高斯随机采样和正交匹配追踪算法进行布里渊增益谱重构。为了验证所提方法的性能, 仿真生成了不同信噪比水平的布里渊增益谱, 搭建了45km的布里渊光时域系统进行温度传感实验。仿真和实验结果表明: 在累加平均次数为100时, 所提算法将信噪比提升了6.37dB, 优于累加平均次数3000时的10.13dB, 对应测量时间减少了1/30; 采用8MHz步长数据重构布里渊增益谱, 该方法的重构结果与4MHz步长数据的相关系数为0.9992, 对应扫频时间减少了一半。所提算法在保证测量精度的同时提升了测量实时性。

面对人们日益增长的光纤传感需求，多模光纤的容量优势为解决单模光纤的容量壁垒、实现高精度的多参量光纤传感测量提供了新思路。理论分析了多模光纤的模式特性，综述了多模光纤模式耦合及偏振的研究进展，重点介绍了多模光纤中布里渊散射的阈值、增益谱和布里渊频移的国内外发展动态，分析了未来光纤传感的发展方向。

光纤受激布里渊效应是一种非常重要的光纤非线性效应, 受激布里渊增益谱的线型特性, 对于光谱分析、 微波光子学、 光纤传感等领域的应用, 至关重要。 针对增益谱线型特性研究, 现有方法难以获取高信噪比的增益谱数据, 介绍了一种采用两个窄线宽激光器的增益谱测量方法, 其中一个激光器作为探针信号, 另一个可调谐激光器作为泵浦信号在宽波段范围内进行推扫。 得益于激光器的高信噪比单谱线特性, 并利用偏振跟随特性, 实现了高信噪比的受激布里渊增益谱测量。 测量并分析了不同泵浦功率, 对于谱型和线宽等受激布里渊增益特性的影响, 特别是, 直接实验测量了增益谱型从洛伦兹线型到高斯线型的演化, 揭示了泵浦功率等影响受激布里渊增益水平的因素, 对于增益谱线型的影响。 实验发现, 当泵浦功率超过15 dBm时, 增益谱出现饱和效应, 导致测量增益谱线宽开始随泵浦功率提高而展宽, 难以直接测量得到高泵浦功率时的高斯线型的增益谱。 提出通过归一化等校正处理, 以获取受激布里渊增益谱与待测信号光谱的有效卷积信息, 从而得到了近似为高斯线型的增益谱型； 针对中间增益区域增益谱型较为复杂, 缺少合适增益谱线型演化数学模型的难题, 给出了一种基于k次洛伦兹函数拟合的谱型模型, 描述从洛伦兹线型到高斯线型的完整演进过程。 实验表明拟合效果良好, 是一种行之有效的受激布里渊增益谱线型数学模型, 可完整描述增益谱在不同增益时的线型。 最后, 探索了受激布里渊效应在光谱分析方面的应用, 通过合理选择泵浦功率等手段, 增益谱型为高斯线型时的光谱分光效果最佳, 获取了0.2 pm分辨率的6314CA稳定光源的光谱, 显示了光纤受激布里渊效应在超高分辨率光谱分析领域的巨大技术优势, 而这对于新一代光网络的验证评估至关重要。

基于波动光学理论和单模光纤受激布里渊散射(SBS)的数学模型,推导了少模阶跃折射率光纤中SBS时空演化耦合振幅方程。依据光波模式和声波模式模场空间分布,计算出不同模式对的声光耦合系数,进一步得到不同光波模式对组合的布里渊幅度增益谱和相移谱。结果表明:参与SBS过程的声波主要为低阶声波模式;对于LP₀₁模和LP₁₁模,两者更倾向于模内的SBS过程,且模内耦合产生的幅度增益以及相移更大;布里渊频移随着光波模式阶数的增加而减小。

研究内全反射型光子晶体光纤(TIR-PCF)的结构参数对光纤布里渊增益、布里渊峰的个数以及相对峰值强度等布里渊增益谱(BGS)特性的影响。分析全反射型光子晶体光纤中的声光耦合效应,利用有限元分析方法,求解光纤中的光场和声场分布及其对应的BGS,探究空气孔层数、孔间距和孔直径等PCF参数对BGS的影响,获得布里渊增益和声学模式个数随孔间距和孔直径变化的规律。提出一种空气孔直径由内到外逐渐变大的、具有类似渐变折射率分布的新型光子晶体光纤结构。设计峰值强度差为8 dB的双峰BGS的光子晶体光纤,可将其用于基于布里渊拍频谱(BBS)的光纤传感系统中,使传感系统的信噪比提升2.5倍。

基于实测布里渊(Brillouin)增益谱确定了合适目标函数。数值产生了大量的布里渊增益谱, 利用这些谱信号系统研究了信噪比、扫频间隔、扫频点数、扫频范围和谱特征参数g0、vB、ΔvB的取值对布里渊增益谱特征参数提取准确性的影响规律。结果表明: 特征参数提取误差随信噪比增加成指数规律下降, 随扫频点数增加(或扫频间隔减少)而下降; vB的提取误差随ΔvB的增加而线性增大, ΔvB的值对其他参数的提取准确性几乎无影响; 扫频点数固定时扫频范围选择太大或太小时的误差均较大, 实际应该选择2ΔvB左右。研究结果对基于布里渊散射的传感时相关参数选择具有参考价值。