一种抑制光纤sbs效应的方法及装置
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，涉及一种抑制光纤sbs效应的方法及装置。
背景技术：
2.近年来，随着双包层光纤和高功率半导体泵浦源等技术突破，窄线宽光纤放大器的输出功率从毫瓦量级提升至千瓦量级。然而，光纤中的受激布里渊散射(sbs)效应限制了高功率窄线宽光纤放大器功率的进一步提升。因此，抑制光纤sbs效应已成为提升窄线宽光纤激光功率的关键。
3.目前，已提出的窄线宽光纤放大器中sbs效应的抑制方法主要有：
ꢀ①
增大光纤的有效模场面积，以降低信号激光的功率密度；
②
采用高掺杂光纤或者同带泵浦技术，以减小光纤有效长度；
③
使用相位调制等技术展宽种子光线宽；
④
沿光纤轴向施加温度或应力梯度，以降低sbs增益系数；
⑤
使用特殊掺杂结构的光纤来抑制sbs效应。其中，在光纤轴向施加应力的方法具有很大的应用潜力。通过分析稳态速率方程，可以得到sbs增益系数与光纤轴向应力的关系式为其中为峰值sbs增益系数，为sbs增益谱线宽，为未施加应力时的布里渊频移，为光纤轴向的应变（即光纤长度变化量与光纤长度之比），c为常数。根据上式，通过施加合适的应力，可以降低sbs增益系数，从而抑制光纤sbs效应。
4.因此，本领域亟待提出一种通过改变环形光纤轴向应力分布来对sbs效应进行抑制的装置。
技术实现要素：
5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种抑制光纤sbs效应的装置及方法，将镀有导电涂层的增益光纤环形盘绕，放置在垂直于光纤环面的磁场中，通过改变磁场强度或施加轴向电流两种方式可产生沿光纤径向的安培力，安培力导致光纤环的收缩或者扩张，使得光纤环的长度发生改变，从而产生光纤轴向应力。光纤轴向应力会影响轴向折射率分布，通过磁场或者电流变化所产生的应力分布可以破坏光纤轴向折射率光栅，改变布里渊频移，从而降低sbs增益系数，实现抑制光纤sbs效应。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种抑制光纤sbs效应的方法，包括以下步骤：s100：在双包层光纤表面涂敷导电材料以形成导电涂层；s200：将步骤s100获取的光纤环绕指定匝数，每匝光纤的直径一定，对光纤尾端进行定位约束，且使得光纤处于紧绷状态；
s300：将步骤s200获取的环形光纤垂直放置于磁场中，让导电涂层产生电流，从而使得环形光纤在磁场产生沿所述环形光纤径向方向的安培力；s400：精确控制磁场或者电流的变化，进而精确控制作用在所述环形光纤径向方向的安培力，从而改变光纤轴向应力，使得光纤产生伸缩形变，以破坏光纤轴向折射率光栅，改变布里渊频移，降低光纤sbs增益系数。
7.作为进一步优选的，步骤s300中，所述让导电涂层产生电流包括：将光纤尾端的导电涂层焊接在一起，使整个环形光纤的导电涂层形成导电环路，改变磁场强度和磁场的调制频率，使得导电涂层产生电流，从而产生沿所述环形光纤径向方向的安培力。
8.作为进一步优选的，步骤s300中，所述让导电涂层产生电流包括：将环形光纤的尾纤两端通过导线接入交流电源，以形成交流电源、导线导电涂层的导电回路，通过控制交流电源来对导电涂层输入指定电流。
9.作为进一步优选的，所述导电涂层为金，银，铝或者铜，通过溅射或者电镀的方法附着在双包层光纤外：作为进一步优选的，步骤s100中，在所述导电涂层上涂敷绝缘材料以形成绝缘层。
10.作为进一步优选的，所述绝缘层高分子聚合物材料，通过热熔融的方法附着在导电层外。
11.作为进一步优选的，所述磁场的磁场线与环形光纤的轴线平行。
12.按照本发明的另一个方面，还提供了一种抑制光纤sbs效应的装置，包括：磁场；双包层光纤，呈环形盘绕，位于所述磁场内，且所述环形双包层光纤的中心轴线与磁场的磁场线平行；导电涂层，涂敷在所述双包层光纤表面；控制器，用于控制所述导电涂层的通电电流，同时调节所述磁场的磁场强度和调制频率，进而精确控制作用在所述环形光纤径向方向的安培力，从而改变光纤轴向应力，使得光纤产生伸缩形变，以破坏光纤轴向折射率光栅，改变布里渊频移，降低光纤sbs增益系数。
13.作为进一步优选的，还包括绝缘层，该绝缘层涂敷在所述导电涂层上。
14.作为进一步优选的，所述双包层光纤两端尾纤的导电涂层焊接连接，以形成导电环路。
15.作为进一步优选的，所述双包层光纤两端尾纤分别通过导线与交流电源连接，以形成导电回路。
16.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，主要具备以下的技术优点：1．本发明控制精度高、响应速度快、调制带宽大。本发明通过改变磁场或者电流的方式，对光纤受到的安培力进行调控，从而改变光纤轴向应力。相比于机械拉伸光纤的方式，磁场或者电流的调控更加精准，作用力变化的响应更加快速，且可以实现机械拉伸无法实现的高频调制。
17.2．本发明无需机械装置，可重复性高。机械装置存在固有的系统误差，每次使用机
械装置拉伸光纤时带来的光纤长度变化量并不一致，且误差较大。利用安培力来替代机械拉伸力，可以做到无需机械装置、无接触工作，系统误差小，每次操作的可重复性高。
18.3．本发明既可以只改变外部磁场大小，无需引入电流源；又可以固定磁场大小，而在光纤环上连接电源产生电流，工作方式灵活多样，适应性强。
19.4．本发明仅要求光纤表面镀有导电涂层，对具体的光纤种类和结构没有要求，既适用于不同芯包比的双包层增益光纤，也适用于光子晶体光纤等新型增益光纤。具有兼容性高的特点。
附图说明
20.图1是本发明实施例涉及的一种抑制光纤sbs效应方法的流程图；图2是本发明实施例一涉及的一种抑制光纤sbs效应的装置的结构示意图；图3是本发明实施例二涉及的一种抑制光纤sbs效应的装置的结构示意图；图4是本发明实施例涉及的一种抑制光纤sbs效应的装置的受力示意图；图5是本发明实施例涉及的光纤轴向应力示意图。
21.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：1-1-双包层光纤，1-2-导电涂层，1-3-绝缘涂层，1-4-磁场，1-5-第一尾纤，1-6-第二尾纤，2-5-电源，2-6-导线。
具体实施方式
22.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。
23.如图2和图3所示，本发明实施例提供的一种抑制光纤sbs效应的装置，主要部分包含：增益光纤、导电涂层和外部磁场。增益光纤呈环形盘绕，光纤环面垂直于磁场方向放置，磁场强度可调且能随时间变化，增益光纤外的导电涂层可以独立使用亦可以外接电源。更具体的，包括：磁场1-4；双包层光纤1-1，呈环形盘绕，位于所述磁场1-4内，且所述环形双包层光纤1-1的中心轴线与磁场1-4的磁场线平行；导电涂层1-2，涂敷在所述双包层光纤1-1表面；控制器，用于控制所述导电涂层1-2的通电电流，同时调节所述磁场1-4的磁场强度和调制频率，进而精确控制作用在所述环形光纤径向方向的安培力，从而改变光纤轴向应力，使得光纤产生伸缩形变，以破坏光纤轴向折射率光栅，改变布里渊频移，降低光纤sbs增益系数。
24.在一个实施例中，上述装置还包括绝缘层1-3，该绝缘层1-3涂敷在所述导电涂层1-2上。所述双包层光纤1-1两端尾纤的导电涂层1-2焊接连接，以形成导电环路。
25.在一个实施例中，所述双包层光纤1-1两端尾纤分别通过导线2-6与交流电源2-5连接，以形成导电回路。
26.如图4和图5所示，本实施抑制光纤sbs效应的方法具体实现途径有两种：
①
调控外部磁场强度大小。磁场大小的变化会导致穿过光纤环内的磁通量发生改变，根据楞次定律，光纤导电涂层中将产生感应电流，即：
其中为磁场变化率，n为光纤环绕匝数，s为光纤环面积，r为光纤环内的有效电阻。感应电流在磁场中受到垂直于电流和磁场方向的安培力，长度为的光纤受到的安培力为：假设磁场垂直于光纤环面向内：当磁场强度增加时，即为正值，此时光纤环上每一点受到的安培力沿径向向内，即光纤环收缩；当磁场强度减小时，即为负值，此时光纤环上每一点受到的安培力沿径向向外，即光纤环膨胀。通过调控磁场大小和变化率，即能控制光纤环的收缩或者膨胀程度，改变光纤环的轴向长度，从而精确控制其轴向应力。通过施加合适的应力，可以降低sbs增益系数，从而抑制光纤sbs效应。
27.②
调控光纤导电涂层中的电流。保持外部磁场大小和方向不变，将光纤环的导电涂层两端与可编程电源相连接，通过改变光纤环中电流的方向和大小，实现安培力的变化。此时，长度为的光纤受到的安培力为：假设磁场垂直于光纤环面向内：当磁场强度不变，电流沿逆时针方向时，光纤环上每一点受到的安培力沿径向向内，即光纤环收缩；当磁场强度不变，电流沿顺时针方向时，光纤环上每一点受到的安培力沿径向向外，即光纤环膨胀。通过调控电流大小和方向，即能控制光纤环的收缩或者膨胀程度，改变光纤环的轴向长度，从而精确控制其轴向应力。通过施加合适的应力，可以降低sbs增益系数，从而抑制光纤sbs效应。
28.此外，如图1所示，本发还提供了一种抑制光纤sbs效应的方法，包括以下步骤：s100：在双包层光纤表面涂敷导电材料以形成导电涂层；s200：将步骤s100获取的光纤环绕指定匝数，每匝光纤的直径一定，对光纤尾端进行定位约束，且使得光纤处于紧绷状态；s300：将步骤s200获取的环形光纤垂直放置于磁场中，让导电涂层产生电流，从而使得环形光纤在磁场产生沿所述环形光纤径向方向的安培力；s400：精确控制磁场或者电流的变化，进而精确控制作用在所述环形光纤径向方向的安培力，从而改变光纤轴向应力，使得光纤产生伸缩形变，以破坏光纤轴向折射率光栅，改变布里渊频移，降低光纤sbs增益系数。
29.进一步的，步骤s300中，所述让导电涂层产生电流包括：将光纤尾端的导电涂层焊接在一起，使整个环形光纤的导电涂层形成导电环路，改变磁场强度和磁场的调制频率，使得导电涂层产生电流，从而产生沿所述环形光纤径向方向的安培力。
30.进一步的，步骤s300中，所述让导电涂层产生电流包括：将环形光纤的尾纤两端通过导线接入交流电源，以形成交流电源、导线导电涂层的导电回路，通过控制交流电源来对导电涂层输入指定电流。
31.进一步的，步骤s100中，在所述导电涂层上涂敷绝缘材料以形成绝缘层。
32.进一步的，所述磁场的磁场线与环形光纤的轴线平行。
33.实施例1本实施例中，双包层光纤1-1采用掺镱双包层石英光纤，导电涂层 1-2采用铜作为导电材料，使用金属电镀法在双包层光纤1-1的外表面上涂敷导电材料，待其固化后得到具有10 μm厚度导电涂层的特殊光纤，在导电涂层外喷涂高分子聚合物，并通过光固化得到厚度为2 μm的绝缘涂层1-3。将包含导电涂层 1-2和绝缘涂层1-3的双包层光纤1-1环形盘绕十匝，光纤环直径为30 cm，处于紧绷状态并垂直放置于匀强磁场1-3中。在光纤环的第一尾纤1-5和第二尾纤1-6处刮掉绝缘涂层，并将第一尾纤1-5和第二尾纤1-6的导电涂层焊接在一起，使整个光纤环形成导电环路，其电阻约为5ω。对匀强磁场1-3进行调制，形式为为初始磁场强度1 t，调制频率为0.16。当磁场强度变大时，光纤环中感应电流沿逆时针方向，所产生的安培力向内；当磁场强度变小时，光纤环中感应电流沿顺时针方向，所产生的安培力向外。计算可得光纤环上单位长度光纤受到的安培力峰值大小约为0.01 n，改变和的大小即能控制光纤环上应力的大小。
34.上述实施例中，提供均匀磁场的装置与控制器连接，控制器对匀强磁场进行调制，通过控制作用在环形光纤上的安培力来控制环形光纤上应力的大小，同时，根据光纤材料性质，计算光纤的形变，以降低sbs增益系数，从而抑制光纤sbs效应。
35.实施例2本发明提出了一种抑制光纤sbs效应的装置与方法，一个具体实施例如图2所示，包括了：双包层光纤1-1、导电涂层 1-2、绝缘涂层1-3、匀强磁场1-4、可编程交流电源2-5、连接导线2-6。
36.本实施例的双包层光纤1-1、导电涂层 1-2和绝缘涂层1-3的结构和制备方法与实施例一相同，唯一的区别在于光纤环的尾纤两端保持绝缘，并分别与可编程交流电源2-5的正负极通过连接导线2-6相连。保持匀强磁场2-4强度为1 t不变，通过可编程交流电源2-5对光纤环中的电流进行调制，形式为，其中为初始电流强度1 a，调制频率为0.16。当环形电流为逆时针方向时，产生的安培力向内；当环形电流为顺时针方向时，产生的安培力向外。计算可得光纤环上单位长度光纤受到的安培力峰值大小约为10 n，改变和的大小即能控制光纤环上应力的大小。
37.上述实施例中，提供均匀磁场的装置、电源均与控制器连接，控制器对匀强磁场和电源电流大小进行调制，通过控制作用在环形光纤上的安培力来控制环形光纤上应力的大小，同时，根据光纤材料性质，计算光纤的形变，以降低sbs增益系数，从而抑制光纤sbs效应。
38.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，并不用以限制本发明，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。