CN100549615C - 测量光学透明体的光学和物理厚度的方法 - Google Patents

Abstract

一种决定其折射率为未知的光学透明体的绝对物理厚度的方法，该方法包括如下步骤：使第一宽带光信号在与被测参量相关联的方向上透过一光学透明体；从所述光学透明体捕获第一对反射光信号，其中所述第一对反射光信号的第一光信号是从所述光学透明体的近的表面反射而得，而所述第一对反射光信号的第二光信号是从所述光学透明体的远的表面反射而得；使第二宽带光信号在与所述第一宽带光信号相反的方向上透过光学透明体；其中第一窗口(C)处的第一宽带光信号源和第二窗口(D)处的第二宽带光信号源之间的距离c通过在所述第一窗口(C)和所述第二窗口(D)之间插入已知厚度的光纤来校准；从所述光学透明体捕获第二对反射光信号，其中所述第二对反射光信号的第一光信号是从所述光学透明体的近的表面反射而得，而所述第二对反射光信号的第二光信号是从所述光学透明体的远的表面反射而得；以及通过利用光谱干涉计技术测量空腔谐振器的谐振波长来决定所述第一窗口和所述光学透明体之间的距离a和所述第二窗口和所述光学透明体之间的距离b，从而决定所述光学透明体的绝对物理厚度(d₁)为d₁＝c-a-b。

Description

测量光学透明体的光学和物理厚度的方法

技术领域

本发明涉及一种测量诸如光纤一类光学透明体的方法。

背景技术

光纤拉制

在光纤拉制过程中，为了了解、预知和控制光纤的性质以及这些性质对于信号传输的影响，需要精确地刻画光纤的尺寸。

目前采用的技术，或者是低精度的，或者不能在生产的环境下，实施在线监视和控制。

大部分拉丝塔采用基于阴影技术的商品化装置来测量光纤的直径。这种方法用一束激光束横向扫描光纤，通过对光传输的变化进行分析来得出光纤的尺寸[1]。这种技术的精度大约在0.1微米並且要求取平均值，这就使测量很慢。FOCSL[2，3](利用散射光的光纤特性测量)是一种目前应用在某些拉丝塔中的用干涉仪测量的技术，其精度是0.05微米。

大部分用干涉仪测量的技术只能测量光学厚度。光学厚度也就是折射率和物理厚度的乘积。物理厚度是通过假设折射率的值，並用折射率除以测得的光学厚度而推导得出的。但是，存在着折射率不能很精确地知道的情况，比如在薄膜生长过程中的情况。因此，希望能独立地测量折射率和物理厚度。

光纤在单一一个涂覆杯中被涂覆以双(一次与二次)聚合物涂层。光纤的弯曲损耗取决于一次涂层的厚度。目前尚无方法监控在拉丝塔内的一次涂层的厚度。

因此，为了提高光纤的质量，希望在光纤的拉制过程中能够：

(1)以较高的精度测量光纤的直径；

(2)测量双聚合物涂层光纤的一次涂层的厚度。

利用MCVD的测量：

当利用改进的化学汽相沉淀法(MCVD)进行生产时，需要监测玻璃管的内径，从而可以精确地测量已沉淀的炭黑微粒(soot)的量。目前尚无方法能进行这样的测量。

目前采用的技术包栝：

(a)阴影技术，这种方法用一束激光束横向扫描被测目标或叫被测体，分析被测目标的阴影以推出目标的尺寸。这种技术具有大约0.1微米的较低精度。

(b)FOCSL技术在性质上是一种用干涉仪测量的技术，这种技术计算由于传输通过光纤的光线和从光纤反射离开的光线之间的干涉而产生的干涉条纹的数量。这种技术具有大约0.05微米的精度。

(c)存在有其它用干涉仪测量的技术，在这些技术中，单一频率扫描过光纤，通过测量有光纤和没有光纤情况下的相位差来推导出光纤的直径[4]。

我们的技术的精度比(a)和(b)技术中的精度要好大约十倍。

方法(a)和(b)要求校准，然而我们的新技术则为测量给出绝对值。

方法(a)不能检测出光纤拉制过程中出现的气泡。

方法(a)要求扫描並取平均，因而很慢。

方法(a)和(b)均依赖于对前向散射光的分析，因而要求探测器和收集光线的光学系统被安置在光纤拉制装置上，由于空间的限制，这将是非常麻烦的。

方法(c)要求激光横向扫描过光纤，因而是很慢的。不像方法(c)，我们的技术利用光的宽频。反射光在频谱上被分散，而在频率上的调制则被分析。相位变化作为频率的函数被分析，即，对比于方法(c)中比较有光纤和没有光纤情况下的相位差，在这里，不同频率下的相位变化被相互比较。方法(c)不适合于在光纤拉制装置上进行。

发明内容

本发明是：

1.一种非常精确地测量具有很小厚度的光学透明物体的物理厚度和光学厚度的一般方法。

2.一种利用光谱干涉测量法、精度优于0.01微米的测量光纤尺寸的新技术。这种方法有可能在光纤拉制过程中被用作在线监视和控制。

3.一种用于测量光纤的二个未知量的新技术，这二个未知量例如：二根组件光纤(a two component fiber)的各自的直径，或光纤的折射率和直径。这个技术也可用于双聚合物涂层光纤的一次涂层直径的在线测量。

这里披露的技术是唯一能在生产环境下测量诸如包层直径(claddingdiameter)和个别的包层厚度(coating thinknesses)之类的一些光纤参数。

这个技术对于光纤工业和薄膜工业将是有用的。

具体地，本发明提供一种决定其折射率为未知的光学透明体的绝对物理厚度的方法，该方法包括如下步骤：

使第一宽带光信号在与被测参量相关联的方向上透过一光学透明体；

从所述光学透明体捕获第一对反射光信号，其中所述第一对反射光信号的第一光信号是从所述光学透明体的近的表面反射而得，而所述第一对反射光信号的第二光信号是从所述光学透明体的远的表面反射而得；

使第二宽带光信号在与所述第一宽带光信号相反的方向上透过光学透明体；其中第一窗口(C)处的第一宽带光信号源和第二窗口(D)处的第二宽带光信号源之间的距离c通过在所述第一窗口(C)和所述第二窗口(D)之间插入已知厚度的光纤来校准；

从所述光学透明体捕获第二对反射光信号，其中所述第二对反射光信号的第一光信号是从所述光学透明体的近的表面反射而得，而所述第二对反射光信号的第二光信号是从所述光学透明体的远的表面反射而得；以及

通过利用光谱干涉计技术测量空腔谐振器的谐振波长来决定所述第一窗口和所述光学透明体之间的距离a和所述第二窗口和所述光学透明体之间的距离b，从而决定所述光学透明体的绝对物理厚度(d₁)为d₁＝c-a-b。

附图说明

图1是说明此测量技术原理的示意图；

图2是说明相对于光纤厚度变化的峰值位置飘移的图表；

图3(a)示出了记录到的反射光光谱图(实线)和计算出的反射光光谱图(虚线)；

图3(b)示出了对一根聚合物涂覆光纤的反射光谱图；

图4是精确决定光纤外径的示意图；

图5是一根涂覆二层聚合物的光纤的横截面图；

图6示是一根MCVD管的横截面图。

具体实施方式

我们提出一种新的技术，这种技术在光谱范畴内，分析从光纤的侧面反射的宽光谱脉冲的反射，从而推导出光纤的尺寸。这种方法易于实施，並可以提供比目前采用的技术高一个数量级的精度。

图1说明此测量技术的原理。用透镜L1将从锁模激光器发出的宽带脉冲聚焦到要被测量的光纤的侧面。从光纤反射的光被L1收集並由分光器B.S.导向另一个透镜L2，透镜L2将光束聚焦进光纤F。光纤F的输出被送进分光计，在分光计中，光谱图被记录在一个电荷耦合器件CCD上。分析这个光谱图可推导出光纤的尺寸。

检测到的光主要来自光纤与空气的二个界面A和B(由于低的折射率差异，从纤心部分的反射要小一个数量级，因而可以忽略)。从界面B反射来的光传过光纤二次，並与从界面A反射的光互相干涉。这二束反射光的相位差本身在光谱范畴显示为一种差拍，其峰值出现在相位差为2π的整数倍的波长上，即，满足4πL/λ_p+π＝2πP(P为一个整数，L为光传过光纤一次的光路的长度(折射率乘以物理长度)，λ_p是第P次峰值时的波长)。从而光纤用作为一个干涉计，其臂长因光纤的厚度而不同。由于不需要外部的参考臂，对于在焦距内的小的光纤位移，测量是可靠的。

光路长度的变化δL引起了峰值波长的漂移δλ，其关系为：

$\frac{\mathrm{\δL}}{L}=\frac{\mathrm{\δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_p}$

因此，该技术的灵敏度取决于最小可检测的干涉条纹的峰值波长漂移，它等于所用的分光计的分辨率。图2显示了作为光纤厚度变化之函数的干涉条纹峰值波长的位置。例如，假定分辨率为0.05nm，对于L＝125μm的粗的光纤，和λp约为1.55μm时，厚度的最小可检测的变化约为4nm。从而，这种技术可以将测量精度提高大约一个数量级。干涉峰值的位置可被用作一种信号在拉丝塔中控制光纤的拉制。

其它优点：

除了精度高以外，本测量技术较于目前所用的技术还有几个优点。它能给出光路长度的一个绝对值而並不需要任何校准。因为干涉图型取决于通过光纤的光路的长度，可以很容易地检测出像气泡一类的缺陷；对于在焦距内的小的光纤位移，技术是很可靠的，因而可以在光纤正在被拉制时，进行测量。正如后面将要阐述的，光谱图与其它独立的测量一起，可以用来测量光纤中不同折射率涂层的厚度。不像FOCSL技术或阴影技术，本技术中，分析的是反射光，因而，並不需要将集光的光学系统和检测器放置在靠近被测光纤的附近，在空间很有限的光纤拉丝塔上进行测量正是用的这个优点。

本技术的实验测试

我们利用一根无涂层的SMF-28单模光纤来测试我们的技术。用一个焦距约为5厘米的透镜将锁模的E_r ⁺掺杂光纤激光器聚焦在SMF-28测试光纤上。向后反射的光被送入一个光谱分析仪(OSA)。光谱分析仪的分辩为0.05nm。图3(a)示出了记录到的反射光光谱图(实线)和计算出的反射光光谱图(虚线)。图3(b)示出了对一根涂覆光纤测量到的光谱图。

分析

函数cos(4πL/λ+π)对L最佳化使得它的峰值正好与所记录的光谱图相匹配。L被折射率(我们假设为已知)除便得出光纤的物理直径。

另一种分析数据的方法是将光纤看作为薄膜的叠层，利用传输矩阵形式体系来计算它的反射率。包层直径为125.46μm时，测量到的峰值位置和模拟的峰值位置是最一致的。这个推导出来的值与用一个商品化的阴影技术装置测得的125.48±0.05μm是相当好地一致的(此装置事先用由英国国家物理实验室测量过的光纤校准过)。

应用此方法测量光纤的二个未知参数，如一根二组件光纤(atwo-component fibre)各自的厚度：

至今为止，我们假定的是，光纤的除直径外的所有参数均是已知的。在有些情况下，可能有二个参数是未知的，例如，折射率和直径，或一根二组件光纤各自的直径。原理上，这个新的方法可以与另一个独立的测量相结合，来决定这二个未知的参数。这里，我们将集中讨论一根二组件光纤的二个直径为未知的情况。考虑图1中的测试光纤，此光纤具有二个折射率不同的区域，折射率为n₁的纤芯(阴暗部分)和折射率为n₂的包层(无阴暗部分)，光纤直径d₁可由采用阴影技术装置的商品化仪器来测量。由穿过光纤的光路决定的反射光谱图给出光学厚度y₀＝n₂d₂+n₁(d₁-d₂)。因此，在理想情况下，假如我们把这二个测量结合在一起，我们就可以唯一地决定d₁和d₂。因此，假如光纤的总厚度可以很精确地知道，在原理上可用这种方法来测量一根二组件光纤的各自的厚度。

在实践中，由于阴影技术的精度很差，在直径的测量中有误差。在直径上的误差δd₁将导致公式δd₂＝δd₁n₁/(n₂-n₁)中的d₂的误差。在n₁＝1.5，n₁-n₂＝0.01，和δd₁＝0.1μm的情况下，δd₂的误差为δd₂＝15μm。因此，希望有一种能测量直径的非常精确的方法。

一种精确测量未知折射率光纤的直径的方法：

如图4所示将一根将被测量的光纤放在二个窗口之间。光纤的表面A和B与窗口的表面C和D分别形成了法步里-珀罗空腔谐振器(Fabry-Perotcavities)。通过利用上面所述的光谱干涉计技术测量这些空腔谐振器的谐振波长，光纤表面和窗口之间的距离a和b可以被决定。窗口之间的距离c保持为常数並可以通过在窗口之间插入已知厚度的光纤来校准。于是光纤的外径可以被精确地决定为d₁＝c-a-b。a和b的误差可以小于10nm，这意味着d₁的误差小于20nm是可能的。

这种技术同样也可被应用来在薄膜生产过程中测量薄膜的厚度和折射率。

在决定光纤一次涂层外径(POD)上的应用：

光纤通常被涂覆以二层聚合物涂层。图5表示了一根涂覆了二层聚合物的光纤的横截面。光纤的宏弯(macro-bend)和微弯(micro-bend)损耗特性(loss property)取决于和包层交界的涂层的厚度(通常被称为一次涂层)。因此，监测並控制一次涂层的直径来预知光纤的弯曲损耗(bend loss)是非常重要的。但是目前，一次和二次聚合物涂层是在同一个涂覆杯里被涂覆上去的，而且在涂覆杯里没有地方可单独地测量涂覆层的直径。在光纤拉制过程中确定各个涂覆层的厚度的精确方法並不存在。

二种测量技术可用来进行POD的监测。穿过未涂覆光纤的光通路可以在进行涂覆以前精确地测出，因而是一个已知量。在这种情况下，未知的量仅是一次和二次涂层的直径。如上所述，二种测量，即：(1)利用光干涉计对光路长度的测量；以及(2)通过把光纤放置在二块窗口之间对总的直径的测量，可用来唯一地确定POD。

在一个已知的保护涂覆系统中，一次和二次涂层在λ＝1.55μm下的折射率分别为n_p＝1.4862和n_s＝1.4945。在直径的测量中的误差δd₁，在POD测量中造成的误差δd₂＝[n_p/(n_p-n_s)]δd₁。在d₁测量中20nm的误差，在POD测量中，将使我们有优于4μm的精度。

在测量一根用于生产预制棒的MCVD管的内径的应用：

在利用改进的化学气相沉淀法(MCVD)生产预制棒的过程中，需要精确地知道管子的内径(I.D.)，以便估计炭黑微粒沉淀的量。图6示出了一根MCVD管的横截面。内径从约0.5mm至约3mm变化。目前，没有一种方法能测量所述的内径。我们的用光谱干涉仪测量的方法可用于这样的测量。可在光谱的范畴内分析内管壁(在图6中用A和B标出)之间的干涉来推导出内径。

Claims (1)

1.一种决定其折射率为未知的光学透明体的绝对物理厚度的方法，该方法包括如下步骤：

使第一宽带光信号在与被测参量相关联的方向上透过-光学透明体；

从所述光学透明体捕获第一对反射光信号，其中所述第一对反射光信号的第一光信号是从所述光学透明体的近的表面反射而得，而所述第一对反射光信号的第二光信号是从所述光学透明体的远的表面反射而得；

使第二宽带光信号在与所述第一宽带光信号相反的方向上透过光学透明体；其中第一窗口(C)处的第一宽带光信号源和第二窗口(D)处的第二宽带光信号源之间的距离c通过在所述第一窗口(C)和所述第二窗口(D)之间插入已知厚度的光纤来校准；

从所述光学透明体捕获第二对反射光信号，其中所述第二对反射光信号的第一光信号是从所述光学透明体的近的表面反射而得，而所述第二对反射光信号的第二光信号是从所述光学透明体的远的表面反射而得；以及

通过利用光谱干涉计技术测量空腔谐振器的谐振波长来决定所述第一窗口和所述光学透明体之间的距离a和所述第二窗口和所述光学透明体之间的距离b，从而决定所述光学透明体的绝对物理厚度(d₁)为d₁＝c-a-b。

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