[论文解读] Turbulent laser puffs

Svetlana Slepneva, Ben O’Shaughnessy+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2018

Optical Coherence Tomography Applications参考文献 13被引用 3

一句话总结

本文研究了长腔长波长扫频激光器中的层流-湍流转变，表明湍流通过有限振幅扰动驱动的对流不稳定、局域化的“涡旋”（puffs）出现，类似于流体动力学中的湍流。该研究结合了延迟微分方程的数值模拟与实验观测，表明这些湍流涡旋会传播并破坏相干性，从而限制激光在医学成像中的性能。

ABSTRACT

The destabilisation of laminar flows and the development of turbulence has remained a central problem in fluid dynamics since Reynolds' studies in the 19th century. Turbulence is usually associated with complex fluid motions and most of the studies have so far been carried out using liquids or gases. Nevertheless, on a theoretical viewpoint, turbulence may also arise in a wide range of fields such as biology and optics. Here we report the results of experimental and theoretical investigation of the characteristic features of laminar-turbulent transition in a long laser commonly used as a light source in medical imaging and sensing applications. This laminar to turbulence transition in the laser light is characterized by the appearance of turbulent puffs similar to those commonly observed in pipe flows and is accompanied by a loss of coherence and limits the range of applications. We present both experimental results and numerical simulations demonstrating that this transition is mediated by the appearance of a convective instability where localised structures develop into drifting bursts of turbulence, in complete analogy with spots, swirls and other structures in hydrodynamic turbulence

研究动机与目标

• 理解长腔长波长扫频激光器中从层流到湍流的转变机制，该转变限制了其在医学成像和传感中的应用。
• 研究此类激光器中的湍流是否通过类似于流体动力学中观察到的对流不稳定性产生。
• 表征局域化湍流结构——“激光涡旋”——的时空动力学及其在相干性损失中的作用。
• 将实验结果与基于延迟微分方程（DDEs）建模激光增益和电场演化过程的数值模拟进行比较。
• 确定亚临界或超临界分岔在何种条件下导致激光系统进入湍流状态。

提出的方法

• 采用17米腔长的长波长扫频激光器实验装置，包含半导体光放大器和快速法布里-珀罗可调滤波器。
• 基于描述激光增益 $ G(t) $ 和电场包络 $ A(t) $ 时间演化的延迟微分方程（DDEs）系统进行数值模拟。
• 采用随时间线性变化的滤波器扫频轮廓 $ Δ(t) $，模拟准静态调谐以观测分岔行为。
• 转换至“滤波器参考系”，使系统被视为滤波器静止，从而可与单模解进行比较。
• 仅对每个滤波器扫频的关联部分进行模拟，使用前一周期的初始条件和历史数据，其中 $ T = T_F + \tau $ 以模拟漂移效应。
• 在 $ nT_F < t < nT_F + T_W $ 范围内对DDEs进行直接数值积分，而 $ t=0 $ 之前采用解析解处理层流区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 长腔激光器中的湍流涡旋是否通过类似于管道流中观察到的对流不稳定性产生？
• RQ2 滤波器调谐方向（波长增加与减小）如何影响分岔类型及湍流的起始？
• RQ3 有限振幅扰动在触发此类激光器中层流-湍流转变中起什么作用？
• RQ4 如诺扎基-贝基孔（Nozaki-Bekki holes）等局域化结构如何演化并促进向湍流的转变？
• RQ5 单模工作状态的动力学在多大程度上与啁啾型FDML激光器的不稳定性机制相一致？

主要发现

• 长腔激光器中的层流-湍流转变由对流不稳定的局域化湍流涡旋出现所介导，这些涡旋沿下游方向漂移。
• 实验与数值模拟结果表明，当滤波器通过临界点时，系统出现从层流到湍流的急剧转变，且根据调谐方向不同，系统表现出亚临界或超临界霍普夫分岔。
• 在对流区，噪声诱导的信号中断（被识别为诺扎基-贝基孔）出现在连续波状态下，并演化为湍流脉冲。
• 模拟结果证实，相对于滤波器轮廓，湍流结构存在漂移，每往返一次，电场 $ A_n(t) $ 在时间上向前移动 $ \tau $。
• 该模型准确再现了实验观测结果，包括湍流涡旋的出现与相干性的损失，验证了基于DDE的方法的有效性。
• 补充视频证实了实验与理论中湍流涡旋的出现，以及对流区中信号中断形成的动力学过程。