水下受激布里渊散射增益系数及声子寿命对水体温度依赖性的研究

The research of temperature dependence of SBS gain coefficient and phonon lifetime has great significance in Brillouin lidar for remote sensing of the ocean, it is helpful for improving the detecting depth and accuracy of Brillouin lidar. Although, the gain property and phonon lifetime in fiber and organic liquid had been studied widely, the gain coefficient of SBS and phonon lifetime in water have not yet been studied in detail, especially the temperature dependence of them are not clear now. The changes of water temperature influence the thermal motion of water molecule, refractive index and coefficient of viscosity of water, all these various factors decide directly the variations of gain coefficient of SBS and phonon lifetime. This project will begin from the coupled nonlinear wave equation of SBS, search the intrinsic relationships among gain coefficient, phonon lifetime and medium properties, laser coherence length, pulse duration and linewidth theoretically. Further, survey experimentally the gain coefficient of SBS and phonon lifetime by measuring the threshold, frequency shift and linewidth of SBS under the condition of different water temperatures, and seek their dependence law with the changes of water temperature. With the purpose of providing an evaluative approach for ameliorating the detection performance of Brillouin lidar in the actual applications of remote sensing of the ocean.

研究受激布里渊散射（SBS）增益系数及声子寿命的水体温度依赖性规律对提高水下受激布里渊散射激光雷达的探测深度及精度有很强的指导意义。尽管SBS增益系数、声子寿命在光纤、有机液体等高增益材料中的研究比较多，但对于水中的SBS增益系数及声子寿命，尤其是二者对水体温度的依赖性，还缺乏相应的理论及实验研究。水体温度的变化影响水分子的热运动、水的折射率及粘滞系数，这些都直接决定了水中SBS增益系数的高低及声子寿命的长短。本项目拟从SBS耦合波方程出发，从理论上寻找出增益系数及声子寿命与介质属性、激光相干长度、脉宽、线宽等的内在联系，并通过实验测量水在变温条件下的SBS阈值、频移及线宽等参数来测量SBS增益系数及声子寿命，寻找二者的温度依赖性规律，进而为改善受激布里渊激光雷达的实际探测性能提供理论及实验上的评估依据。

受激布里渊散射作为非线性光学中的一个重要研究方向，有很长的研究历史，已被广泛应用于相位共轭、脉宽压缩、慢光以及布里渊激光雷达海洋遥感探测中。然而，有关受激布里渊散射的一些基本特性仍然缺少相应的实验研究，比如温度依赖性。本项目主要围绕介质温度对受激布里渊散射特性的影响做了相关的研究，包括脉宽、线宽、阈值、增益系数及声子寿命等；并利用受激布里渊散射脉宽及线宽的温度依赖特性，实验测量水的体粘滞系数及水中的声速、温跃层。. 脉宽、线宽、阈值、增益系数及声子寿命是布里渊散射的几个重要参数，目前的研究主要集中在室温条件下，而对于变温条件下的温度依赖特性，则缺少相应的实验研究。本项目主要从理论分析及实验结果两方面来介绍介质温度变化对受激布里渊散射的脉宽、线宽、阈值、增益系数及声子寿命等基本特性的影响。实验结果表明，受激布里渊散射脉宽随着温度的降低而变窄，温度越低脉宽压缩效应越明显，而受激布里渊散射线宽则随着温度的降低而变宽。受激布里渊散射阈值及增益系数也同样受介质温度变化的影响，随着温度的升高，阈值呈现指数下降趋势，而增益系数则呈现指数上升趋势。. 本项目在理论分析的基础上，介绍了基于受激布里渊散射的水中特征参数测量，包括声速、粘滞系数以及温跃层等。在对声速的测量研究中，给出了纯水及不同盐度海水中声速的理论计算值，在理论计算的基础上，实验测量了纯水及35‰盐度海水中的声速，实验测量值与理论计算值比较吻合。针对受激布里渊散射脉宽及线宽的温度特性，并根据线宽与脉宽成傅里叶变换的关系，提出了通过测量脉宽来计算线宽及测量水体粘滞系数的新方法。同时，详细介绍了利用受激布里渊散射测量水中温跃层的基本方法，并分析了温跃层的基本分布规律及特点，在实验测量的基础上，通过对热传导方程在特殊条件下的模拟分析，总结得出了温跃层分布的时间特性。