CN108490561B - 低振动灵敏度光纤支架 - Google Patents

Abstract

一种低振动灵敏度光纤支架，其能兼具超低的轴向振动灵敏度和径向振动灵敏度，包括两个光纤槽、T型支撑柱和安装底盘。本发明能有效隔离环境振动的影响，应用于光纤干涉仪稳频激光器、光纤陀螺等方面，有助于提高其精度。

Description

低振动灵敏度光纤支架

技术领域

本发明涉及振动隔离装置，具体是一种低振动灵敏度光纤支架。

背景技术

光纤干涉仪因其独特的优点在传感、光通信、激光稳频等领域有重要的应用。在许多领域的应用中，设计出低噪声、高稳定的光纤干涉仪是人们所追求的目标。而在影响光纤干涉仪性能的诸多噪声中，环境振动噪声是低频段的主要噪声，因此降低环境振动噪声对光纤干涉仪的影响就显得格外重要。

要降低振动噪声对光纤干涉仪的影响，就必须将光纤从自由状态变为束缚状态，但单独对光纤本身进行束缚是不容易实现的。通常将光纤以一定的张力紧紧束缚在一个圆柱体光纤支架的侧面，让振动加速度所引起的光纤长度起伏随光纤支架缠绕面面积的起伏。

振动灵敏度由下式定义：

其中，ΔL为由振动加速度引起的光纤延迟线长度的起伏，L光纤干涉仪两臂的长度差，a为振动噪声的加速度。

在合适力的盘绕下，振动加速度所引起的光纤长度起伏随光纤支架缠绕面面积的起伏，因此式(1)变为

其中，S为光纤支架的初始缠绕面面积，ΔS为由于加速度引起的光纤支架缠绕面面积的变化量，S_f为在加速度作用后的光纤支架缠绕面面积。

因此可通过计算光纤支架在振动加速度的作用下所引起光纤缠绕面面积的变化量，就可求得整个支架的振动灵敏度。

基于上述的基本原理，2000年，Huang最早提出低振动灵敏度光纤支架的概念(引自文献“Huang S,et al.A“turnkey"optoelectronic oscillator with lowacceleration sensitivity[C],Frequency Control Symposium and Exhibition,2000.Proceedings of the 2000 IEEE/EIA International.IEEE,2000:269-279.”)。其采用直径为9.5cm，高度为6cm的圆柱体作为光纤支架，轴向振动灵敏度和径向振动灵敏度能达到10^-10/g。2011年，Li提出具有零振动灵敏度点的光纤支架(参见文献“Li T,Argence B,Haboucha A,et al.Low vibration sensitivity fiber spools for laserstabilization[C],Frequency Control and the European Frequency and Time Forum(FCS),2011 Joint Conference of the IEEE International.IEEE,2011:1-3.”)，支架的轴向振动灵敏度与其中的轴向几何参数呈现线性关系，并且通过“零点”，但是不能同时达到超低的径向振动灵敏度。

本发明设计具有双光纤缠绕面的低振动灵敏度支架，能同时得到超低(10^-12/g量级)的轴向振动灵敏度和径向振动灵敏度，且体积较小，重量轻，易安装固定。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种低振动灵敏度支架，具有双光纤缠绕面，能同时得到超低的(10^-12/g量级)轴向振动灵敏度和径向振动灵敏度，且体积较小，重量轻，易安装固定。

本发明的技术方案如下：

一种低振动灵敏度光纤支架，其特点在于，包括由上至下依次连接的上光纤槽、下光纤槽、T型支撑柱和安装底盘；

所述上光纤槽、下光纤槽、T型支撑柱和安装底盘均为轴对称旋转体结构，他们的轴向中心线重合。

所述的上光纤槽和下光纤槽光纤槽均具有相互垂直的光纤缠绕面和光纤束缚面，所述的光纤缠绕面供光纤缠绕，所述的光纤束缚面用于束缚光纤，防止外散；

所述的T型支撑柱的中心具有一个支撑柱通孔，该支撑柱通孔的直径小于T型支撑柱的外径；

所述的安装底盘的中心具有一个底盘通孔，该底盘通孔的半径小于安装底盘的半径，且与支撑柱通孔的半径相等；

所述的上光纤槽和下光纤槽的内径与所述的T型支撑柱的外径相等。

所述上光纤槽、下光纤槽的轴截面均呈型，所述的光纤缠绕面为型轴截面结构中部分的竖边以轴向中心线为轴旋转形成的圆周面，所述的光纤束缚面为型轴截面结构中部分的上下横边以轴向中心线为轴旋转形成的上下圆周面。

本发明降低振动灵敏度的原理为：低振动灵敏度光纤支架的轴向振动灵敏度对轴向几何参数h1敏感；径向振动灵敏度对径向几何参数L2、L3、L4敏感。

固定其他几何参数，总是可以通过选择合适的轴向几何参数h1使光纤缠绕面总的面积形变量极小，获得超低的轴向振动灵敏度。而选择合适的径向几何参数L4获得超低的径向振动灵敏度。

轴向振动灵敏度对径向几何参数L2、L3敏感，轴向振动灵敏度与径向几何参数L2、L3呈线性关系，但斜率大小近似相等，符号相反，都具有过零点。故可通过同时优化径向几何参数L2、L3优化轴向振动灵敏度。而径向几何参数L2、L3与径向振动灵敏度直接相关，优化L2、L3也可以优化径向振动灵敏度。所以径向几何参数L2、L3是轴向振动灵敏度的两个调整自由度，可以保证在优化径向振动灵敏度时，轴向振动灵敏度基本保持不变，不会恶化，从而同时获得超低的轴向振动灵敏度和径向振动灵敏度

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

1)低振动灵敏度光纤支架的轴向振动灵敏度具有两个调整自由度，可以保证在优化径向振动灵敏度的同时，轴向振动灵敏度基本保持不变，不会恶化，从而同时获得超低的轴向振动灵敏度和径向振动灵敏度。

2)具有超低(10^-12量级)的轴向振动灵敏度和径向振动灵敏度。

3)具有两个光纤缠绕面，能缠绕更大长度的光纤，且体积小，重量轻。

附图说明

图1是本发明低振动灵敏度光纤支架结构图

图2是本发明低振动灵敏度光纤支架剖面结构图

图3是本发明低振动灵敏度光纤支架的各部分结构示意图

图4是本发明低振动灵敏度光纤支架一个实施例

图5是本发明低振动灵敏度光纤支架轴向振动灵敏度与轴向几何参数h1关系图

图6是本发明低振动灵敏度光纤支架径向振动灵敏度与径向几何参数L4关系图

图7是本发明低振动灵敏度光纤支架轴向振动灵敏度与径向几何参数L2关系图

图8是本发明低振动灵敏度光纤支架轴向振动灵敏度与径向几何参数L3关系图

图9是本发明低振动灵敏度光纤支架径向振动灵敏度和轴向振动灵敏度与径向几何参数r关系图

图中：

1-上光纤槽 2-下光纤槽 3-“T”型支撑柱 4-安装底盘

注明：低振动灵敏度光纤支架为轴对称的旋转体结构，对称轴即

为轴向中心线，因此轴向几何参数是指低振动灵敏度支架上与轴

向中心线平行的尺寸；径向几何参数是指低振动灵敏度支架上与

轴向中心线垂直的尺寸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。

请先参阅图1至图4，图1是本发明低振动灵敏度光纤支架结构图，图2是本发明低振动灵敏度光纤支架截面图，图3是本发明低振动灵敏度光纤支架的各部分结构示意图。本发明低振动灵敏度光纤支架为一体化设计，一体化加工。由上至下包括：上光纤槽1、下光纤槽2、T型支撑3和安装底盘4一体化连接而成。

如图1所示，本发明低振动灵敏度光纤支架为旋转体结构，其关于轴向中心线轴对称，旋转光纤支架轴截面即可得到本发明低振动灵敏度光纤支架。

如图4所示，本发明低振动灵敏度光纤支架的实施例。本实施例中，低振动灵敏度光纤支架所用的材料是铝合金，其密度为2.7g/cm³，杨氏模量为7.0×10⁴MPa，泊松比为0.33。

本发明低振动灵敏度光纤支架包括在上光纤槽1、下光纤槽2、T型支撑3和安装底盘4四个部分。上光纤槽1、下光纤槽2、T型支撑柱3和安装底盘4均为旋转体结构，关于轴向中心线轴对称。

所述上光纤槽1、下光纤槽2的轴截面呈型，绕轴向中心线旋转型结构即可得到整个上光纤槽1或下光纤槽2。所述上光纤槽1、下光纤槽2均具有光纤缠绕面和光纤束缚面，其中光纤缠绕面为型轴截面结构中部分的竖边以轴向中心线为轴旋转形成的圆周面，用于将一定长度的光纤均匀紧密的一层一层的缠绕在其上；其中光纤束缚面为型轴截面结构中部分的上下横边以轴向中心线为轴旋转形成的上下平行的圆周面，用于将光纤束缚在光纤缠绕面内，防止外散。所述上光纤槽1、下光纤槽2的光纤缠绕面和光纤束缚面相互垂直。

所述的T型支撑柱3的轴截面结构为“Г”型，绕轴向中心线旋转“Г”型结构即可得到T型支撑柱3。所述的T型支撑柱3的中心具有一个支撑柱通孔，该支撑柱通孔的直径小于T型支撑柱3的外径；

所述的安装底盘4的中心具有一个底盘通孔，该底盘通孔的半径小于安装底盘4的半径，且与支撑柱通孔的半径相等；

所述的上光纤槽1和下光纤槽2的内径与所述的T型支撑柱3的外径相等。

所述的T型支撑柱3位于所述安装底盘4上。

所述低振动灵敏度光纤支架的轴向振动灵敏度对轴向几何参数h1敏感，径向振动灵敏度对径向几何参数L2、L3敏感，但径向几何参数L2、L3对轴向振动灵敏度也会有较大影响。固定其他几何参数，总是可以通过选择上光纤槽1、下光纤槽2上的轴向几何参数h1使光纤缠绕面总的面积形变量极小，根据式(2)的定义，光纤支架可获得超低的轴向振动灵敏度。如图5所示，选择轴向几何参数h1为3.95mm，整个支架获得10^-12/g量级的超低的轴向振动灵敏度。

选择T型支撑柱3上的径向几何参数L4可获得超低的径向振动灵敏度，如图6所示。当L4为26mm时，整个支架获得10^-12/g量级的超低的径向振动灵敏度。

轴向振动灵敏度对径向几何参数L2、L3较为敏感。如图7所示，轴向振动灵敏度与径向几何参数L2呈线性关系，变化率约为-6.2×10^-11/g/mm，过零点L2约为9mm。如图8所示，轴向振动灵敏度与径向几何参数L3近似呈线性关系，变化率约为5.5×10^-11/g/mm，,变化率大小近似相等，但符号相反，过零点L3月为6mm。故可通过同时改变径向几何参数L2、L3获得超低的轴向振动灵敏度。而L2、L3也会影响径向振动灵敏度，改变L2、L3也会获得超低的径向振动灵敏度。所以径向几何参数L2、L3是轴向振动灵敏度的两个调整自由度，可以保证在优化径向振动灵敏度的同时，轴向振动灵敏度基本保持不变。本实施例中，同时以相同的变化量改变径向几何参数L2、L3，支架的径向振动灵敏度和轴向振动灵敏度计算结果如图9所示。取L2为9mm，L3为6mm时，支架的轴向振动灵敏度为3.2806×10^-12/g，径向振动灵敏度为-6.025×10^-12/g。

Claims (2)

1.一种低振动灵敏度光纤支架，其特征在于，包括由上至下依次连接的上光纤槽、下光纤槽、T型支撑柱和安装底盘；

所述上光纤槽、下光纤槽、T型支撑柱和安装底盘均为轴对称旋转体结构，他们的轴向中心线重合。

所述的上光纤槽和下光纤槽均具有相互垂直的光纤缠绕面和光纤束缚面，所述的光纤缠绕面供光纤缠绕，所述的光纤束缚面用于束缚光纤，防止外散；

所述的T型支撑柱的中心具有一个支撑柱通孔，该支撑柱通孔的直径小于T型支撑柱的外径；

所述的安装底盘的中心具有一个底盘通孔，该底盘通孔的半径小于安装底盘的半径，且与支撑柱通孔的半径相等；

所述的上光纤槽和下光纤槽的内径与所述的T型支撑柱的外径相等。

2.根据权利要求1所述的一种低振动灵敏度光纤支架，其特征在于所述上光纤槽、下光纤槽的轴截面均呈型，所述的光纤缠绕面为型轴截面结构中部分的竖边以轴向中心线为轴旋转形成的圆周面，所述的光纤束缚面为型轴截面结构中部分的上下横边以轴向中心线为轴旋转形成的上下圆周面。