一种智能调节光纤SBS阈值系统及方法与流程

一种智能调节光纤sbs阈值系统及方法
技术领域
1.本发明属于高功率光纤激光器技术领域，更具体地，涉及一种智能调节光纤sbs阈值系统及方法。


背景技术：

2.光纤的特殊波导结构将激光能量约束在微米级的光纤纤芯内，随着光纤激光功率的不断提升，纤芯内将形成极高的能量密度，同时光纤长度较长，窄线宽激光放大过程中出现较强的光谱能量密度，容易引起受激布里渊散射（sbs）等非线性效应。而增益光纤中一旦达到sbs阈值，sbs效应将一部分光功率转换为后向斯托克斯波，进而影响放大级前级的光学器件安全，对激光系统造成危害，进而限制了窄线宽光纤激光器输出功率的提升。
3.为解决上述问题，专利文献cn 102331651 b公开了一种两稀土超磁致伸缩体的光纤受激布里渊散射阈值提高装置，包括第一稀土超磁致伸缩体 、第二稀土超磁致伸缩体、交变电流源、螺旋线圈、固定底座；第一稀土超磁致伸缩体、第二稀土超磁致伸缩体放置在固定底座的凹槽内；螺旋线圈套在第一稀土超磁致伸缩体、第二稀土超磁致伸缩体外部，放置在固定底座上；交变电流源与螺旋线圈的两端连接。该装置调节范围宽，受交变电流源控制。解决了现有的工艺要求高、调节光纤的长度短及不可控等缺点，但仍然存在如下不足：（1）交变电流控制了磁场改变了光纤的sbs阈值，但难以对其进行实时调整反馈，无法根据不同的需求调整强磁场直至sbs信号激光的输出功率下的光纤sbs阈值满足要求；（2）不能满足同时调节不同螺旋线圈的磁场强度，掺杂光纤上的应力分布难以精确控制。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种智能调节光纤sbs阈值系统及方法，监测磁致伸缩材料包裹的光纤不加磁场时出现sbs信号激光的输出功率，将第一螺线管通电，通过调节电源施加在螺线圈上的电流，从而调节螺线圈中心产生强磁场，再监测此时出现sbs信号激光的输出功率，若该sbs信号激光的输出功率下的光纤sbs阈值不满足要求，则反馈调节施加在螺线圈上的电流调整螺线圈中心产生强磁场直至sbs信号激光的输出功率下的光纤sbs阈值满足要求为止，实现光纤sbs阈值系统的智能调节。
5.为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种智能调节光纤sbs阈值系统，包括依次成光路连接的第一种子光、第一隔离器、第一泵浦耦合器、第一磁致伸缩材料包裹掺杂光纤装置、第一泵浦滤除器以及第一功率计；所述第一隔离器和第一泵浦耦合器之间设有至少一个泵浦源和第一光谱仪；所述第一磁致伸缩材料包裹掺杂光纤装置将磁致伸缩复合材料通过涂覆、粘连方法与光纤结合在一起制备掺杂光纤，并通过弱磁场将磁致伸缩材料取向，将包裹于磁致伸缩材料内的掺杂光纤放在强磁场中，利用磁致伸缩材料在强磁场的作用下产生形变，带动所述掺杂光纤一起产生伸缩形变；第一种子光和泵浦源产生的泵浦光经过第一泵浦耦合器进入第一磁致伸缩材料
包裹掺杂光纤的一端，第一磁致伸缩材料包裹掺杂光纤的另一端连接有第一泵浦滤除器，第一泵浦滤除器末端激光输出打到第一功率计上用于监测此时出现sbs信号激光的输出功率，同时将前端第一泵浦耦合器的一跟光纤经第一泵浦耦合器耦合输出连接到第一光谱仪上，从而检测反向输出的激光光谱。
6.进一步地，所述第一磁致伸缩材料包裹掺杂光纤装置包括底盘、设于所述底盘内的底盘轨道；所述底盘根据掺杂光纤所需设计为任意形状；所述底盘轨道根据需求设计成与所述底盘相匹配的任意形状。
7.进一步地，所述底盘和底盘轨道为环形与直线型。
8.进一步地，所述第一磁致伸缩材料包裹掺杂光纤装置包括设于所述底盘内部的第一磁致伸缩复合材料。
9.进一步地，所述第一磁致伸缩材料包裹掺杂光纤装置包括设于所述底盘轨道内的第一掺杂光纤。
10.进一步地，所述第一磁致伸缩材料包裹掺杂光纤装置包括套设于所述底盘外圆周上的第一螺线管。
11.进一步地，还包括第二螺线管；所述第二螺线管结构为多段，对每段施加不同的电流产生强度和均匀度分布可调的磁场。
12.进一步地，所述第一螺线管和第二螺线管直流电源为0.1a～600a，所产生的磁场强度为1t～12.5t。
13.进一步地，所述磁致伸缩材料为：铁氧体磁致伸缩材料、金属或合金磁致伸缩材料或稀土超磁致伸缩材料其中一种与环氧树脂、聚酰胺固化剂按照一定比例混合制备而成。
14.按照本发明的第二方面，提供一种智能调节光纤sbs阈值方法，包括：s100：将磁致伸缩复合材料通过涂覆、粘连方法与光纤结合在一起制备掺杂光纤，并通过弱磁场将磁致伸缩材料取向，等待一段时间使磁致伸缩材料固化；s200：将包裹于磁致伸缩材料内的掺杂光纤放在强磁场中，利用磁致伸缩材料在强磁场的作用下产生形变，带动所述掺杂光纤一起产生伸缩形变；s300：监测不加磁场时出现sbs信号激光的输出功率；s400：将螺线管通电，通过调节电源施加在螺线圈上的电流，从而调节螺线圈中心产生强磁场；s500：测此时出现sbs信号激光的输出功率，若该sbs信号激光的输出功率下的光纤sbs阈值不满足要求，则反馈调节施加在螺线圈上的电流调整螺线圈中心产生强磁场直至sbs信号激光的输出功率下的光纤sbs阈值满足要求为止，实现光纤sbs阈值系统的智能调节。
15.进一步地，步骤s100中，所述掺杂光纤的制备包括：s101：将所述磁致伸缩复合材料按配比均匀混合搅拌，排出混合物中的气泡；s102：将光纤放在底盘上刻的底盘轨道内并固定；s103：将配好的磁致伸缩复合材料混合物倒入底盘轨道中淹没光纤；s104：沿着底盘轨道外侧放置螺线管，且底盘轨道置于螺线管中心；
s105：将螺线管外绕的螺线圈与电源相连接，通过电源上的开关来施加电流，从而在螺线圈中心产生弱磁场，使磁致伸缩材料取向，待2～16小时后复合材料固化并断开螺线管上的电流。
16.进一步地，步骤s200中，所述强磁场为：通电后控制电流产生的稳恒磁场、交变磁场或脉冲磁场中的一种。
17.进一步地，所述磁场为强度和均匀度分布可调的磁场，精确控制磁场在空间和时间上的变化，进而精确控制磁致伸缩材料形变导致的掺杂光纤上的应力分布。
18.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1.本发明的系统，监测不加磁场时出现sbs信号激光的输出功率，将第一螺线管通电，通过调节电源施加在螺线圈上的电流，从而调节螺线圈中心产生强磁场，再监测此时出现sbs信号激光的输出功率，若该sbs信号激光的输出功率下的光纤sbs阈值不满足要求，则反馈调节施加在螺线圈上的电流调整螺线圈中心产生强磁场直至sbs信号激光的输出功率下的光纤sbs阈值满足要求为止，实现光纤sbs阈值系统的智能调节。
19.2.本发明的系统，在光纤上涂覆含有磁致伸缩颗粒的复合材料，施加弱磁场使所述磁致伸缩材料取向，直至包裹有增益光纤的磁致伸缩材料固化，固化后的磁致伸缩材料在外磁场中发生磁致伸缩效应产生应力，进而使增益光纤产生形变，提高激光sbs阈值。
20.3.本发明的方法，磁场发生器为螺线管结构，螺线管围绕底盘轨道绕制而成，所述螺线管结构可以一整段，也可以为多段，所述螺线管由电流源供电。此外，所述磁场发生器产生强磁场，可以增强掺杂光纤的磁光特性，提高发射峰发光强度。
21.4.本发明的方法，通过给不同段螺线管通入不同的电流，沿着磁致伸缩材料产生不同的磁场分布，在增益光纤不同区段产生不同的应力分布，可通过编程控制螺线管不同线圈l1、l2
……
ln上的电流值，精确控制磁场在空间和时间上的变化，进而精确控制磁致伸缩材料形变导致的掺杂光纤上的应力分布，可显著提升sbs阈值。
附图说明
22.图1为本发明实施例中磁致伸缩材料的受力模型示意图；图2为本发明实施例用于将磁致伸缩材料包裹掺杂光纤的装置示意图；图3为本发明实施例利用磁场中磁致伸缩材料提升光纤sbs阈值的装置示意图；图4为本发明实施例利用磁场中磁致伸缩材料提升光纤sbs阈值的装置示意图；图5为本发明实施例二中利用磁场中磁致伸缩材料提升光纤sbs阈值的装置示意图。
23.在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：101-磁致伸缩颗粒，102-基体，103-磁场，104-产生的应力，201-底盘，202-底盘轨道，203-螺线管，301-第一种子光，302-第一隔离器，303-第一泵浦源，304-第一泵浦耦合器，305-第一泵浦滤除器，306-第一功率计，307-第一光谱仪，308-第一螺线管，309-第一磁致伸缩复合材料，310-第一掺杂光纤，401-第二种子光，402-第二隔离器，403-第二泵浦源，404-第二泵浦耦合器，405-第二泵浦滤除器，406-第二功率计，407-第二光谱仪，408-第二螺线管，409-第二磁致伸缩复合材料，410-第二掺杂光纤。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
25.如图1所示，本发明实施例提供一种智能调节光纤sbs阈值系统。其基本原理为：在基体102上涂覆磁致伸缩颗粒101，然后在磁致伸缩颗粒101上施加弱磁场103，使所述磁致伸缩材料取向，直至包裹有增益光纤的磁致伸缩材料固化，固化后的磁致伸缩材料在外强磁场中产生应力，进而使增益光纤产生形变，提高激光sbs阈值。
26.实施例1如图2所示，在本发明实施例中，提供一种利用磁致伸缩材料包裹掺杂光纤的装置，包括底盘201、设于底盘201内的底盘轨道202、敷设于所述底盘轨道202内的光纤204，以及套设于所述底盘201上的螺线管203。其中，底盘201根据掺杂光纤所需设计为任意形状，图中所示为环型或者直线型底盘，底盘轨道202可以根据需求设计成与所述底盘201相匹配的任意形状，图中所示为环形与直线型，底盘轨道为单轨道或多轨道。螺线管203可根据需求沿着所述底盘201绕制成不同的形状。优选地，根据掺杂光纤的需求不同，螺线管203设计为沿着所述底盘201绕制成多段，每一段螺线管203的形状、间距等参数根据需求设置不同，实现不同的电流激励，获得不同的磁场分布，从而实现不同部位掺杂光纤的应力分布，达到提高其sbs阈值的目的。
27.优选地，磁场发生器为螺线管结构，螺线管围绕底盘轨道绕制而成，所述螺线管结构可以一整段，也可以为多段，所述螺线管由电流源供电。此外，所述磁场发生器产生强磁场，可以增强掺杂光纤的磁光特性，提高发射峰发光强度。
28.实施例2在本发明实施例中，提供一种智能调节光纤sbs阈值方法，包括如下步骤：s100：将磁致伸缩复合材料通过涂覆、粘连方法与光纤结合在一起制备掺杂光纤，并通过弱磁场将磁致伸缩材料取向，等待一段时间使磁致伸缩材料固化。所述磁致伸缩复合材料为：铁氧体磁致伸缩材料、金属或合金磁致伸缩材料或稀土超磁致伸缩材料其中一种与环氧树脂、聚酰胺固化剂按照一定比例混合制备而成。具体而言，所述磁致伸缩材料可以为铁氧体磁致伸缩材料（ni-co 等铁氧体材料）、金属或合金磁致伸缩材料（ni-co-cr 合金、fe-al 合金、fe-ni 合金、ni 金属等）、稀土超磁致伸缩材料（如铽镝铁磁致伸缩合金（terfenol-d））、磁致伸缩复合材料等。在本发明优选实施例中，磁致伸缩材料为稀土超磁致伸缩材料粉末与环氧树脂作为磁致伸缩复合材料的原料。在本发明优选实施例中，一种磁致伸缩复合材料为将环氧树脂、聚酰胺固化剂与terfenol-d 粉末按照一定体积混合的材料。
29.s200：将包裹于磁致伸缩材料内的掺杂光纤放在强磁场中，利用磁致伸缩材料在强磁场的作用下产生形变，带动所述掺杂光纤一起产生伸缩形变。产生磁场的方法，可以将铜线以底盘轨道为中心沿着底盘轨道并缠绕多圈制成螺线圈，通电后控制电流产生稳恒磁场、交变磁场或脉冲磁场中的一种。优选地，一种磁场线圈产生强度和均匀度分布可调的磁场，可以通过将螺线管线圈分为多段，通过对每段施加不同的电流产生不同的磁场。通过加
入强磁场，还可以提高掺杂材料的电子跃迁几率，在掺杂离子的特征发射峰发射强度被提高30％-600％。
30.s300：精确控制磁场在空间和时间上的变化，进而精确控制磁致伸缩材料形变导致的掺杂光纤上的应力分布，使单一频率的sbs光无法累积增益，提升sbs阈值功率；s300：监测不加磁场时出现sbs信号激光的输出功率；s400：将螺线管通电，通过调节电源施加在螺线圈上的电流，从而调节螺线圈中心产生强磁场；s500：测此时出现sbs信号激光的输出功率，若该sbs信号激光的输出功率下的光纤sbs阈值不满足要求，则反馈调节施加在螺线圈上的电流调整螺线圈中心产生强磁场直至sbs信号激光的输出功率下的光纤sbs阈值满足要求为止，实现光纤sbs阈值系统的智能调节。
31.其中，掺杂光纤的制备方法，包括如下步骤：（1）将上述磁致伸缩复合材料按配比均匀混合搅拌，排出混合物中的气泡；（2）将掺杂光纤放在底盘上刻的底盘轨道内，并将光纤固定；（3）将配好的复合材料的混合物倒入底盘轨道中淹没光纤；（4）沿着底盘轨道外侧放置螺线管，且底盘轨道置于螺线管中心；（5）将螺线管外绕的螺线圈与电源相连接，通过电源上的开关来施加电流，从而在螺线圈中心产生弱磁场，使磁致伸缩材料取向。
32.（6）待2-16小时后复合材料固化并断开螺线管上的电流。
33.实施例3如图3所示，在本发明实施例中，提供一种利用磁致伸缩材料包裹掺杂光纤方法，包括如下步骤：（1）将环氧树脂、聚酰胺固化剂、terfenol-d 粉末按体积比为10:10:1混合倒入烧杯中，同时加入适量丙酮溶液，用搅拌棒反复搅拌脱气，并烘干让丙酮挥发；（2）将混合液体倒入底盘201上刻的轨道202并浸没轨道高度一半，然后将掺杂光纤沿着轨道202放入并固定两端，再继续倒入混合液体与轨道等高，在轨道表面用保鲜膜覆盖；（3）给轨道外绕制的螺线管203通电产生100-200gs 的弱磁场使磁致伸缩材料取向，待8小时后混合材料完全凝固，便制得被磁致伸缩复合材料包裹的增益光纤。
34.所述磁致伸缩复合材料为：铁氧体磁致伸缩材料、金属或合金磁致伸缩材料或稀土超磁致伸缩材料其中一种与环氧树脂、聚酰胺固化剂按照一定比例混合制备而成。具体而言，所述磁致伸缩材料可以为铁氧体磁致伸缩材料（ni-co 等铁氧体材料）、金属或合金磁致伸缩材料（ni-co-cr 合金、fe-al 合金、fe-ni 合金、ni 金属等）、稀土超磁致伸缩材料（如铽镝铁磁致伸缩合金（terfenol-d））、磁致伸缩复合材料等。在本发明优选实施例中，磁致伸缩材料为稀土超磁致伸缩材料粉末与环氧树脂作为磁致伸缩复合材料的原料。在本发明优选实施例中，一种磁致伸缩复合材料为将环氧树脂、聚酰胺固化剂与terfenol-d 粉末按照一定体积混合的材料。
35.实施例4如图4所示，本发明实施例提供一种智能调节光纤sbs阈值系统，其包括依次成光
路连接的第一种子光301、第一隔离器302、第一泵浦耦合器304、第一磁致伸缩材料包裹掺杂光纤装置、第一泵浦滤除器305以及第一功率计306。其中，在第一隔离器302和第一泵浦耦合器304之间设有至少一个泵浦源303，泵浦源的数量可根据实际需求调整，图中示意为2个，构成双泵浦源。第一磁致伸缩材料包裹掺杂光纤装置包括设于底盘内部的第一磁致伸缩复合材料309，设于底盘轨道内的第一掺杂光纤310，以及套设于底盘外圆周上的第一螺线管308。此外，在第一隔离器302和第一泵浦耦合器304之间还设有第一光谱仪307。第一种子光301和泵浦源303产生的泵浦光经过第一泵浦耦合器304进入磁致伸缩材料包裹掺杂光纤的一端，磁致伸缩材料包裹掺杂光纤的另一端连接有第一泵浦滤除器305，第一泵浦滤除器305末端激光输出打到功率计上，监测此时出现sbs信号激光的输出功率，同时将前端第一泵浦耦合器304的一跟光纤经第一泵浦耦合器304耦合输出连接到第一光谱仪307上，从而检测反向输出的激光光谱。监测时，首先监测不加磁场时出现sbs信号激光的输出功率，然后将第一螺线管308通电，通过调节电源施加在螺线圈上的电流，从而调节螺线圈中心产生强磁场，再监测此时出现sbs信号激光的输出功率，若该sbs信号激光的输出功率下的光纤sbs阈值不满足要求，则反馈调节施加在螺线圈上的电流调整螺线圈中心产生强磁场直至sbs信号激光的输出功率下的光纤sbs阈值满足要求为止，实现光纤sbs阈值系统的智能调节。
36.第一掺杂光纤310为稀土掺杂增益光纤，实施案例中为掺镱光纤，纤芯的直径为5um，包层的直径为120um。
37.第一泵浦源303的波长为965nm，功率为100w，信号光中心波长为1064nm，功率为5mw。
38.第一螺线管308有效长度为34cm。
39.磁场发生器的直流电源为0.1a，所产生的磁场强度为1t，通电后磁场发生器产生的磁场沿着磁致伸缩材料上的分布相同。
40.优选地，所述的磁场发生器可通过控制电流产生稳恒磁场、交变磁场或脉冲磁场中的一种，使磁致伸缩材料产生随时间变化的应力。
41.进一步地，增加加载在所述的磁场发生器电流，使磁场变大，测量sbs阈值的变化，当第一螺线管308产生的磁场强度达到5t时可以看到明显的sbs阈值提升。
42.实施例5如图5所示，本发明实施例提供一种智能调节光纤sbs阈值系统，其包括依次成光路连接的第二种子光401、第二隔离器402、第二泵浦耦合器404、磁致伸缩材料包裹掺杂光纤装置、第二泵浦滤除器405以及第二功率计406。其中，在第二隔离器402和第二泵浦耦合器404之间设有至少一个泵浦源403，泵浦源的数量可根据实际需求调整，图中示意为2个，构成双泵浦源。第二磁致伸缩材料包裹掺杂光纤装置包括设于底盘内部的第二磁致伸缩复合材料409，设于底盘轨道内的第二掺杂光纤410，以及套设于底盘外圆周上的第二螺线管308。此外，在第二隔离器402和第二泵浦耦合器404之间还设有第二光谱仪407。第二种子光401和第二泵浦源403产生的泵浦光经过第二泵浦耦合器404进入磁致伸缩材料包裹掺杂光纤的一端，磁致伸缩材料包裹掺杂光纤的另一端连接有第二泵浦滤除器405，第二泵浦滤除器405末端激光输出打到功率计上，监测此时出现sbs信号激光的输出功率，同时将前端第二泵浦耦合器404的一跟光纤经第二泵浦耦合器404耦合输出连接到第二光谱仪407上，从
而检测反向输出的激光光谱。监测时，首先监测不加磁场时出现sbs信号激光的输出功率，然后将第二螺线管408通电，通过调节电源施加在螺线圈上的电流，从而调节螺线圈中心产生强磁场，再监测此时出现sbs信号激光的输出功率，若该sbs信号激光的输出功率下的光纤sbs阈值不满足要求，则反馈调节施加在螺线圈上的电流调整螺线圈中心产生强磁场直至sbs信号激光的输出功率下的光纤sbs阈值满足要求为止，实现光纤sbs阈值系统的智能调节。
43.优选地，如图5所示，第二磁致伸缩材料包裹掺杂光纤装置可根据磁场调节需求，将第二螺线管308设计为多段，图中示意为线圈l1、l2
……
ln，通过给不同段螺线管通入不同的电流，沿着磁致伸缩材料产生不同的磁场分布，在增益光纤不同区段产生不同的应力分布。优选地，可通过编程控制螺线管不同线圈l1、l2
……
ln上的电流值，精确控制磁场在空间和时间上的变化，进而精确控制磁致伸缩材料形变导致的掺杂光纤上的应力分布，可显著提升sbs阈值。
44.第二掺杂光纤410为稀土掺杂增益光纤，实施案例中为掺镱光纤，纤芯的直径为100um，包层的直径为800um。
45.第二泵浦源403的波长为1930nm，功率为200w，信号光中心波长为2128nm，功率为10mw。
46.第二螺线管有效长度为64cm。
47.磁场发生器的直流电源为600a，所产生的磁场强度为12.5t，通电后磁场发生器产生的磁场沿着磁致伸缩材料上的分布相同。
48.优选地，所述的磁场发生器可通过控制电流产生稳恒磁场、交变磁场或脉冲磁场中的一种，使磁致伸缩材料产生随时间变化的应力。
49.进一步地，增加加载在所述的磁场发生器电流，使磁场变大，测量sbs阈值的变化，当第一螺线管308产生的磁场强度达到10t时可以看到明显的sbs阈值提升。
50.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。