CN115498486B - 利用磁致伸缩效应提升高功率激光器sbs阈值的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于高功率光纤激光器技术领域，并公开了一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法及系统，方法包括：将磁致伸缩复合材料通过涂覆、粘连方法与掺杂光纤结合在一起，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；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；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。本发明解决了窄线宽光纤激光器输出功率受限的问题，具有压力分布可控、结构简单、易操作、提升效果明显等特点。

Description

利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法及系统

技术领域

本发明属于高功率光纤激光器技术领域，更具体地，涉及一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法及系统。

背景技术

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。

通常采用的抑制方法为采用大模场光纤，但这也会引起模式不稳定效应（modeinstability，MI）阈值的降低。通过引入合适的应力分布是一种很有潜力的抑制SBS方法，SBS光频移量与应力大小有关，应力增大，SBS频移量增加，不同的应力分布导致产生不同频移量的SBS光，使单一频率的SBS光无法累积增益，达到了抑制SBS效应的效果。

N．Yoshizawa等人通过扭曲光纤，使光纤产生正弦应变分布，将SBS光频移量变化范围拓展到400MHz，阈值功率从5mW增加到30mW以上。但是这种通过外界机械引入应力的方式处理起来非常麻烦，而且容易损伤光纤，降低光纤性能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法及系统，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，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，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。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，包括：

S100：将磁致伸缩复合材料通过涂覆、粘连方法与掺杂光纤结合在一起，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：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。

进一步地，步骤S100中，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。

进一步地，所述金属或合金磁致伸缩材料包括Ni-Co-Cr合金、Fe-Al合金、Fe-Ni合金或Ni金属其中一种。

进一步地，所述稀土超磁致伸缩材料包括铽镝铁磁致伸缩合金。

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。

进一步地，所述底盘为金属、玻璃或陶瓷材料制备而成。

进一步地，所述底盘的截面为长方形、正方形或者圆形。

进一步地，所述底盘轨道形状为单槽的直线型，或刻有多圈轨道的环形。

进一步地，所述底盘轨道为单轨道或多轨道。

进一步地，所述螺线管的制备包括：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。

进一步地，所述螺线管结构为一整段，或者多段。

进一步地，所述螺线管线圈为多段，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。

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。

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。

按照本发明的第二个方面，提供给一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的系统，包括：

掺杂光纤制备装置，用于将磁致伸缩复合材料通过涂覆、粘连方法与掺杂光纤结合在一起，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；

磁致伸缩作用装置，用于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；

应力分布控制模块，用于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。

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.本发明的方法，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，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，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。

2.本发明的方法，利用外磁场中磁致伸缩材料发生形变的特性，将磁致伸缩材料包裹在增益光纤外部，磁致伸缩材料的形变带动光纤产生不同应力分布，改变SBS光相对于信号光的频移，使单一频率的SBS光无法累积增益，提升高功率光纤激光器SBS阈值。

3.本发明的方法，通过加入强磁场，还可以提高掺杂材料的电子跃迁几率，掺杂离子的特征发射峰发射强度被提高30％-600％。

4.本发明的方法，磁场发生器产生弱磁场，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产生应力，进而使增益光纤产生形变，提高激光SBS阈值。

5.本发明的方法，撤掉磁场后，光纤又恢复原来的尺寸和形状，具有压力分布可控、结构简单、易操作、提升效果明显的优点。

附图说明

图1为本发明实施例涉及的一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法流程图；

图2为本发明实施例涉及的掺杂光纤的制备流程图；

图3为本发明实施例方法涉及的磁致伸缩材料在磁场中产生的应力的结构示意图；

图4为本发明实施例涉及的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为本发明另一实施例涉及的利用磁场中磁致伸缩材料提升光纤SBS阈值的装置示意图。

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，204-光纤，408-螺线管，409-磁致伸缩复合材料，410-掺杂光纤，L1-线圈1，L2-线圈2，L3-线圈3，Ln-线圈n。

具体实施方式

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。

实施例1

如图1所示，本发明一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，用外磁场中磁致伸缩材料发生形变的特性，将磁致伸缩材料包裹在增益光纤外部，磁致伸缩材料的形变带动光纤产生不同应力分布，改变SBS光相对于信号光的频移，使单一频率的SBS光无法累积增益，提升高功率光纤激光器SBS阈值，具体包括如下步骤：

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。

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，掺杂离子的特征发射峰发射强度被提高30％-600％。

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。

实施例2

如图2所示，在本发明的实施例中，提供一种包裹于磁致伸缩材料内的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；

（6）待2-16小时后复合材料固化并断开螺线管上的电流。

其中，所述底盘可以为金属或者玻璃或者陶瓷等材质的板材。所述板材截面可以为长方形或者正方形或者圆形，所述板材上的底盘轨道可以为单轨道也可以为多轨道。

实施例3

如图4所示，在本发明一个实施例中，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，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。

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。

实施例4

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2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，所述增益光纤可以是任意掺杂的光纤。优选地，所述掺杂光纤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5-100um，包层的直径为120-800um。

在本发明实施例中，磁场发生器为单根导线绕制的螺线管，螺线管有效长度为34cm。

所述磁场发生器的直流电源为0.1-600A，所产生的磁场强度为1-12.5T，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。

优选地，所述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。

进一步地，如图3所示，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磁场中沿着磁场方向产生应力，进而使增益光纤产生形变，提高激光SBS阈值。增加加载在所述的磁场发生器上的电流，使磁场变大，测量SBS阈值的变化，当螺线管产生的磁场强度达到5T时可以看到明显的SBS阈值提升。

实施例5

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、Ni-Co-Cr合金粉末按体积比为10:10:3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120-240GS 的弱磁场使磁致伸缩材料取向，待16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，所述增益光纤可以是任意掺杂的光纤。

实施例6

本发明实施例中，提供一种利用磁致伸缩提升高功率激光器SBS阈值的方法，为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中的任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。请参见图5，其包括设于底盘内的掺杂光纤410，涂敷于掺杂光纤410表面的磁致伸缩复合材料409，以及套设于底盘上的多段螺线管408，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。

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。

Claims (14)

1.一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，其特征在于，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；

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；

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：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。

2.根据权利要求1所述的一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，其特征在于，步骤S100中，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。

3.根据权利要求2所述的一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，其特征在于，所述金属或合金磁致伸缩材料包括Ni-Co-Cr合金、Fe-Al合金、Fe-Ni合金或Ni金属其中一种。

4.根据权利要求2所述的一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，其特征在于，所述稀土超磁致伸缩材料包括铽镝铁磁致伸缩合金。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，其特征在于，所述底盘为金属、玻璃或陶瓷材料制备而成。

6.根据权利要求5所述的一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，其特征在于，所述底盘的截面为长方形、正方形或者圆形。

7.根据权利要求6所述的一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，其特征在于，所述底盘轨道形状为单槽的直线型，或刻有多圈轨道的环形。

8.根据权利要求7所述的一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，其特征在于，所述底盘轨道为单轨道或多轨道。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，其特征在于，所述螺线管的制备包括：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。

10.根据权利要求9所述的一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，其特征在于，所述螺线管结构为一整段，或者多段。

11.根据权利要求9所述的一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，其特征在于，所述螺线管线圈为多段，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.根据权利要求1-4中任一项所述的一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，其特征在于，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。

13.根据权利要求12所述的一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的方法，其特征在于，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。

14.一种利用磁致伸缩效应提升高功率激光器SBS阈值的系统，其特征在于，包括：

掺杂光纤与磁致伸缩材料结合制备装置，用于将磁致伸缩复合材料通过涂覆、粘连方法与掺杂光纤结合在一起，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；将光纤放在底盘上刻的底盘轨道内并固定；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；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；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；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；磁致伸缩作用装置，用于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；

应力分布控制模块，用于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。

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