CN102315584B - 掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置 - Google Patents

Abstract

掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置，涉及高功率窄线宽光纤激光器与光纤放大器领域，解决了现有装置工艺复杂、光纤不能再使用、光纤伸缩小等缺点。该装置的空心椭圆台(2)上底面完整焊接在凹形悬臂梁(1)的悬臂梁下表面上；第一钢丝绳(41)两端分别固定在空心椭圆台下底面椭圆环长轴的两端上，第一钢丝绳的中心活动连接在质量大球(31)上；第一钢丝绳与水平面的夹角为α，0＜α＜π/4；第二钢丝绳(42)一端固定在第一质量小球(32)上，第二钢丝绳另一端固定在空心椭圆台的下底面椭圆环短轴的一端上；第三钢丝绳(43)一端固定在第二质量小球(33)上，第三钢丝绳另一端固定在空心椭圆台的下底面椭圆环短轴的另一端上。

Description

掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置

技术领域

本发明涉及一种掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置，属于高功率窄线宽光纤激光器、窄线宽光纤放大器领域。

背景技术

受激布里渊散射是一种在光纤内发生的非线性过程，其所需要的入射功率远低于受激拉曼散射所需要的入射功率。一旦达到布里渊散射阈值，受激布里渊散射将把绝大部分输入功率转换为反向斯托克斯波[GovindP.Agrawal，Nonlinear Fiber Optics，Third Edition，San Diego，CA：Academic]。显然，受激布里渊散射限制了光纤所能传输的最大功率。另外，受激布里渊散射如果不能得到完全抑制，将导致泵浦功率的随机变化，从而引起相应的信号噪声，降低了信号的质量。

目前，提高光纤中的受激布里渊散射阈值主要有以下几种：

1)制作光纤，使光纤中残留应力以抑制光纤中的受激布里渊散射。JaneBilecky Clayton等人在美国专利US005851259A中在制作掺镉光纤时，通过调制光纤中拉制时所受的应力来抑制传输光纤中的受激布里渊散射。AlanFrank Evans等人在美国专利US006542683B1在制作光纤时，通过交替变更含磷和氟掺杂物的玻璃层实现纤芯具有非均匀粘度和CTE分布，从而使得光纤中剩余、永久、非均匀应力；在拉制光纤时，受到光纤拉丝张力以及光纤离开熔炉后经历大温度梯度和快速冷却，从而增强了非均匀应力提供的受激布里渊抑制效应。这种方法主要适合非掺稀土的单模传输光纤。

2)改变光纤中的声波频率随着光纤长度的变化而变化，实现展宽布里渊增益带宽。

改变光纤中的声波频率可通过改变芯层半径随光纤长度变化[K.Shiraki，M.Ohashi，and M.Tateda，”Suppression of stimulated Brillouinscattering in a fibre by changing the core radius，”Electron.Lett.vol.31，no.8，pp.668-669，April.1995]或改变芯层掺杂浓度随光纤长度变化[K.Tsujikawa，K.Nakajima，Y.Miyajima，and M.Ohashi，”New SBSsuppression fiber with uniform chromatic dispersion to enhance four-wavemixing，”IEEE photon.Technol.Lett.，vol.10，no.8，pp.1139-1141，Aug.1998]实现。显然，这两种方法都涉及对光纤结构的重新设计，因此，无法灵活调节光纤中的声波频率，以提高光纤中的受激布里渊散射阈值。

改变光纤中的声波频率还可通过改变温度随光纤长度变化实现。Y.Imai等人在文献[”Dependence of stimulated Brillouin scattering on temperaturedistribution in polarization-maintaining fibers，”IEEEPhoton.Technol.Lett.，vol.5，no.11，pp.1335-1337，Nov.1993]中通过增大光纤盘中不同点光纤温度差，实现提高光纤受激布里渊散射阈值的目的。这种方法，无法对光纤施加力的作用，而且主要适合非掺稀土的单模传输光纤。

改变光纤中的声波频率还可通过改变压力分布随光纤长度变化实现。Joshua E.Rothenberg等人在文献[”Suppression of Stimulated BrillouinScattering in Single-Frequency Multi-Kilowatt Fiber Amplifiers”，Proc.of SPIEVol.6873，68730O，(2008)]及美国专利US 2007/0019918与国际专利WO2007/055754中将光纤嵌入到圆形或椭圆形的转盘里，使光纤与弹性转盘的惯性轴存在偏移，对弹性转盘施加压力，使光纤受到与惯性轴偏移位置成正比的拉伸力或压缩力。Joshua E.Rothenberg等人还指出可以将光纤嵌入到椭圆梁中，利用扭转，来对椭圆梁施加压缩力，实现同样的效果。这种方法需要将光纤嵌入到弹性转盘或椭圆梁中，而且光纤表面不能受到与横截面平行方向的任何压力，实现工艺要求高，而且一旦光纤嵌入后，将不能再次使用，增加了使用成本。

中国专利申请号：201010104948.3对光纤长度为50米的单模光纤同时施加负的温度梯度和纵向压力或者同时施加正的温度梯度和纵向张力，实现抑制窄带光纤拉曼放大器中的受激布里渊散射的目的；然而此专利申请中没有给出具体的合理技术手段。Peter Krummrich等人在美国专利US2001/0019642 A1与德国专利19961514 A1中提出将传输光纤分成几个部分，对每一部分进行机械连接以使相邻部分声波不耦合；或者对光纤纵向施加非均匀性机械拉力，形成不同的光纤格栅，以扰动光波与声波或者反向光波与声波的相位关系。这种方法主要适合传输光纤，专利中也没有给出具体的在光纤上作用的机械拉力技术手段。

中国专利申请号200910237785.3通过设计内环盘、左外环盘与右外环盘的方法，解决了美国专利US 2007/0019918中容易出现的光纤表面容易受到与横截面平行方向的压力情形，以及光纤很难再次使用的问题。由于内环盘外表面为椭圆形，在椭圆形表面上刻上精度与表面粗糙度要求很高的螺旋槽，工艺要求很高。中国专利申请号200910238723.4给出了一种用于光纤光栅或光纤受激布里渊散射的多维调节装置，这种装置中的弹簧钢螺纹管的内侧螺纹加工，工艺要求与专利200910237785.3一样要求很高，而且光纤如何放置在螺旋槽中也是实现的技术难点。中国专利申请号200920350821.2将内环盘外表面设计成圆形，解决了工艺上的实现的难题，其缺点是在调节开口外环的开口两端距离，调节范围小，而且，内环的外表面为圆形，容易将开口外环作用在内环外侧上的压力分散均匀，不利于实现光纤在与横截面垂直方向上大的拉伸或压缩变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有制工艺复杂、光纤不能再使用、光纤伸缩小等缺点，提出一种掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置。

本发明的目的是通过以下两个技术方案实现的：

方案一

掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置，它包括凹形悬臂梁、锥形椭圆管、质量大球、第一质量小球、第二质量小球、第一钢丝绳、第二钢丝绳、第三钢丝绳。

各部分之间的连接：

锥形椭圆管的上底面完整的焊接在凹形悬臂梁悬臂的下表面上；第一钢丝绳的两端分别固定连接在锥形椭圆管的下底面椭圆环长轴的两端上，第一钢丝绳的中心活动连接在质量大球上；

第一钢丝绳与水平面的夹角为α，0.01≤α≤π/4-0.01；

第二钢丝绳的一端固定连接在第一质量小球上，第二钢丝绳的另一端固定连接在锥形椭圆管的下底面椭圆环短轴的一端上；

第三钢丝绳的一端固定连接在第二质量小球上，第三钢丝绳的另一端固定连接在锥形椭圆管的下底面椭圆环短轴的另一端上；

所述的第二钢丝绳和所述的第三钢丝绳与水平面垂直。

方案二

掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置，它包括凹形悬臂梁、锥形椭圆管、质量大球、第一质量小球、第二质量小球、第一钢丝绳、第二钢丝绳、第三钢丝绳。

各部分之间的连接：

锥形椭圆管的上底面完整的焊接在凹形悬臂梁悬臂的下表面上；第一钢丝绳的两端分别固定连接在锥形椭圆管的下底面椭圆环短轴的两端上，第一钢丝绳的中心活动连接在质量大球上；

第一钢丝绳与水平面的夹角为α，0.01≤α≤π/4-0.01；

第二钢丝绳的一端固定连接在第一质量小球上，第二钢丝绳的另一端固定连接在锥形椭圆管的下底面椭圆环长轴的一端上；

第三钢丝绳的一端固定连接在第二质量小球上，第三钢丝绳的另一端固定连接在锥形椭圆管的下底面椭圆环长轴的另一端上；

所述的第二钢丝绳和所述的第三钢丝绳与水平面垂直。

本发明的有益效果具体如下：将用于高功率窄线宽放大器或激光器的掺稀土光纤，螺旋粘贴在锥形椭圆管外侧面上；在质量大球作用下，锥形椭圆管外侧面上受到压缩力；同时在三个质量球的重力作用下，锥形椭圆管外侧面受到拉伸力。在第一钢丝绳与锥形椭圆管的两连接点附近的锥形椭圆管外侧面区域，起主要作用的是压缩力，使得粘贴在这片区域上的光纤受到压缩力而变短；而在第二钢丝绳、第三钢丝绳与锥形椭圆管的两连接点附近的锥形椭圆管外侧面区域，起主要作用的是拉伸力，使得粘贴在这片区域上的光纤受到拉伸力而变长；改变三个质量球的质量或改变第一钢丝绳与水平面的夹角α，均能很容易地改变光纤受到的形变，从而实现提高掺稀土光纤受激布里渊散射阈值的目的。

附图说明

图1为掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置方案一的主视图；

图2为掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置方案一的右视图；

图3为图1的A-A图；

图4为掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置方案二的主视图；

图5为掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置方案二的右视图；

图6为图4的B-B图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

方案一

如图1～图3所示，掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置，它包括凹形悬臂梁1、锥形椭圆管2、质量大球31、第一质量小球32、第二质量小球33、第一钢丝绳41、第二钢丝绳42、第三钢丝绳43。

各部分之间的连接：

锥形椭圆管2的上底面完整的焊接在凹形悬臂梁1悬臂的下表面上；第一钢丝绳41的两端分别固定连接在锥形椭圆管2的下底面椭圆环长轴的两端上，第一钢丝绳41的中心活动连接在质量大球31上；

第一钢丝绳41与水平面的夹角为α，0.01≤α≤π/4-0.01；夹角α取大于等于0.01且小于等于π/4-0.01的任意值均可。

第二钢丝绳42的一端固定连接在第一质量小球32上，第二钢丝绳42的另一端固定连接在锥形椭圆管2的下底面椭圆环短轴的一端上；

第三钢丝绳43的一端固定连接在第二质量小球33上，第三钢丝绳43的另一端固定连接在锥形椭圆管2的下底面椭圆环短轴的另一端上；

所述的第二钢丝绳42和所述的第三钢丝绳43与水平面垂直。

所述的第一质量小球32、第二质量小球33质量相等，质量大球31的质量是第一质量小球32质量的两倍。

所述的锥形椭圆管2由弹簧钢制成，所述的凹形悬臂梁1由铁或铝制成。

所述的锥形椭圆管2厚度大于等于0.1mm且小于等于3mm的任意值均可，所述的凹形悬臂梁1厚度大于等于10mm且小于等于30mm的任意值均可。

方案一的实施例一：夹角α取0.01弧度，所述的锥形椭圆管2厚度取0.1mm，所述的凹形悬臂梁1厚度取10mm；

方案一的实施例二：夹角α取π/8，所述的锥形椭圆管2厚度1mm，所述的凹形悬臂梁1厚度取20mm；

方案一的实施例三：夹角α取π/4-0.01弧度，所述的锥形椭圆管2厚度3mm，所述的凹形悬臂梁1厚度取30mm。

将用于高功率窄线宽放大器或激光器的掺稀土光纤5，螺旋粘贴在锥形椭圆管2的外侧面上；在质量大球31的作用下，锥形椭圆管2外侧面上受到压缩力；在质量大球31、第一质量小球32、第二质量小球33的重力作用下，锥形椭圆管2外侧面受到拉伸力。在第一钢丝绳41与锥形椭圆管2的两连接点附近的锥形椭圆管2外侧面区域，起主要作用的是压缩力，使得粘贴在这片区域上的光纤5受到压缩力而变短；而在第二钢丝绳42、第三钢丝绳43与锥形椭圆管2的两连接点附近的锥形椭圆管2外侧面区域，起主要作用的是拉伸力，使得粘贴在这片区域上的光纤5受到拉伸力而变长；改变这三个质量球质量或改变第一钢丝绳41与水平面的夹角α，均能很容易地改变光纤受到的形变，从而实现提高掺稀土光纤受激布里渊散射阈值的目的。

方案二

如图4～图6所示，掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置，它包括凹形悬臂梁1、锥形椭圆管2、质量大球31、第一质量小球32、第二质量小球33、第一钢丝绳41、第二钢丝绳42、第三钢丝绳43。

各部分之间的连接：

锥形椭圆管2的上底面完整的焊接在凹形悬臂梁1悬臂的下表面上；第一钢丝绳41的两端分别固定连接在锥形椭圆管2的下底面椭圆环短轴的两端上，第一钢丝绳41的中心活动连接在质量大球31上；

第一钢丝绳41与水平面的夹角为α，0.01≤α≤π/4-0.01；

第二钢丝绳42的一端固定连接在第一质量小球32上，第二钢丝绳42的另一端固定连接在锥形椭圆管2的下底面椭圆环长轴的一端上；

第三钢丝绳43的一端固定连接在第二质量小球33上，第三钢丝绳43的另一端固定连接在锥形椭圆管2的下底面椭圆环长轴的另一端上；

所述的第二钢丝绳42和所述的第三钢丝绳43与水平面垂直。

所述的第一质量小球32、第二质量小球33质量相等，质量大球31的质量是第一质量小球32质量的两倍。

所述的锥形椭圆管2由弹簧钢制成，所述的凹形悬臂梁1由铁或铝制成。

本方案中夹角α取大于等于0.01且小于等于π/4-0.01的任意值均可，所述的锥形椭圆管2厚度大于等于0.1mm且小于等于3mm的任意值均可，所述的凹形悬臂梁1厚度大于等于10mm且小于等于30mm的任意值均可。

方案二的实施例一：夹角α取0.01弧度，所述的锥形椭圆管2厚度取0.1mm，所述的凹形悬臂梁1厚度取10mm；

方案二的实施例二：夹角α取π/8，所述的锥形椭圆管2厚度1mm，所述的凹形悬臂梁1厚度取20mm；

方案二的实施例三：夹角α取π/4-0.01弧度，所述的锥形椭圆管2厚度3mm，所述的凹形悬臂梁1厚度取30mm。

将用于高功率窄线宽放大器或激光器的掺稀土光纤5，螺旋粘贴在锥形椭圆管2的外侧面上；在质量大球31的作用下，锥形椭圆管2外侧面上受到压缩力；在质量大球31、第一质量小球32、第二质量小球33的重力作用下，锥形椭圆管2外侧面受到拉伸力。在第一钢丝绳41与锥形椭圆管2的两连接点附近的锥形椭圆管2外侧面区域，起主要作用的是压缩力，使得粘贴在这片区域上的光纤5受到压缩力而变短；而在第二钢丝绳42、第三钢丝绳43与锥形椭圆管2的两连接点附近的锥形椭圆管2外侧面区域，起主要作用的是拉伸力，使得粘贴在这片区域上的光纤5受到拉伸力而变长；改变这三个质量球质量或改变第一钢丝绳41与水平面的夹角α，均能很容易地改变光纤受到的形变，从而实现提高掺稀土光纤受激布里渊散射阈值的目的。

Claims (6)

1.掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置，其特征在于：

它包括凹形悬臂梁（1）、锥形椭圆管（2）、质量大球（31）、第一质量小球（32）、第二质量小球（33）、第一钢丝绳（41）、第二钢丝绳（42）、第三钢丝绳（43）；

各部分之间的连接：

锥形椭圆管（2）的上底面完整的焊接在凹形悬臂梁（1）悬臂的下表面上；第一钢丝绳（41）的两端分别固定连接在锥形椭圆管（2）的下底面椭圆环长轴的两端上，第一钢丝绳（41）的中心活动连接在质量大球（31）上；

第一钢丝绳（41）与水平面的夹角为α，0.01≤α≤π/4-0.01；

第二钢丝绳（42）的一端固定连接在第一质量小球（32）上，第二钢丝绳（42）的另一端固定连接在锥形椭圆管（2）的下底面椭圆环短轴的一端上；

第三钢丝绳（43）的一端固定连接在第二质量小球（33）上，第三钢丝绳（43）的另一端固定连接在锥形椭圆管（2）的下底面椭圆环短轴的另一端上；

所述的第二钢丝绳（42）和所述的第三钢丝绳（43）与水平面垂直；

将用于高功率窄线宽放大器或激光器的掺稀土光纤（5），螺旋粘贴在锥形椭圆管（2）的外侧面上。

2.根据权利要求1所述的掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置，其特征在于：

所述的第一质量小球（32）、第二质量小球（33）质量相等，质量大球（31）的质量是第一质量小球（32）质量的两倍。

3.根据权利要求1所述的掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置，其特征在于：

所述的锥形椭圆管（2）由弹簧钢制成，所述的凹形悬臂梁（1）由铁或铝制成。

4.掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置，其特征在于：

它包括凹形悬臂梁（1）、锥形椭圆管（2）、质量大球（31）、第一质量小球（32）、第二质量小球（33）、第一钢丝绳（41）、第二钢丝绳（42）、第三钢丝绳（43）；

各部分之间的连接：

锥形椭圆管（2）的上底面完整的焊接在凹形悬臂梁（1）悬臂的下表面上；第一钢丝绳（41）的两端分别固定连接在锥形椭圆管（2）的下底面椭圆环短轴的两端上，第一钢丝绳（41）的中心活动连接在质量大球（31）上；

第一钢丝绳（41）与水平面的夹角为α，0.01≤α≤π/4-0.01；

第二钢丝绳（42）的一端固定连接在第一质量小球（32）上，第二钢丝绳（42）的另一端固定连接在锥形椭圆管（2）的下底面椭圆环长轴的一端上；

第三钢丝绳（43）的一端固定连接在第二质量小球（33）上，第三钢丝绳（43）的另一端固定连接在锥形椭圆管（2）的下底面椭圆环长轴的另一端上；

用于高功率窄线宽放大器或激光器的掺稀土光纤（5），螺旋粘贴在锥形椭圆管（2）的外侧面上；

所述的第二钢丝绳（42）和所述的第三钢丝绳（43）与水平面垂直。

5.根据权利要求4所述的掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置，其特征在于：

所述的第一质量小球（32）、第二质量小球（33）质量相等，质量大球（31）的质量是第一质量小球（32）质量的两倍。

6.根据权利要求4所述的掺稀土光纤受激布里渊散射阈值提高的悬臂梁装置，其特征在于：

所述的锥形椭圆管（2）由弹簧钢制成，所述的凹形悬臂梁（1）由铁或铝制成。

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