CN105785505A - 一种光子晶体光纤定轴装置及定轴方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子晶体光纤定轴装置，其中，光纤置于光纤支撑台上并通过夹持卡夹夹持，码盘和旋转器分别安装于光纤支撑台旁，光纤支撑台、码盘和旋转器均安装于移动平台上，光纤的待测端靠近测量光路的一端，测量光路的另一端置于相机的摄像位置，照明光源的出射光对准光纤的待测端，相机的信号输出端和码盘的信号输出端上位机的信号输入端连接。本发明公开了一种光子晶体光纤定轴装置采用的定轴方法，根据测量光路和码盘的实时信息采集，通过移动平台和旋转器对光纤进行定轴。本发明通过实时监测光纤的轴向位置和旋转角度，协助光纤选择和固定敏感轴方向，可以快速有效地找到需要的光纤轴向并将光纤固定。

Description

一种光子晶体光纤定轴装置及定轴方法

技术领域

本发明涉及一种光子晶体光纤传感单元制备中应用的光子晶体光纤定位装置，尤其涉及一种光子晶体光纤定轴装置及定轴方法。

背景技术

光子晶体光纤即PCF，又称微结构光纤或蜂窝光纤，是在光子晶体研究的基础上发展起来的新型光导纤维材料。光子晶体光纤的结构和传统光纤完全不同，其包层中分布着沿径向周期性排列、沿光纤轴向伸展的微孔。按导光机理通常分为两类：一类是折射率传导型光子晶体光纤，芯区折射率高，可用全内反射机制来解释光的传导；另一类是光子带隙光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，芯区折射率低，出现的光子带隙效应把频率位于带隙内的光约束在纤芯中。

相比普通光纤，PCF具有许多奇异的特性，当受到压力、温度、应力、应变等外界因素影响时其光学特性发生改变，因此可以做为新型传感器的传感单元。PCF的种类很多，当将其横截面上的圆对称性破坏，会产生双折射效率，使得其具有明显的双轴向性。

典型的是保偏光子晶体光纤即PM-PCF，其内部是双孔的不对称微观结构，折射率在X、Y轴两方向的折射率差异形成了快慢轴导致双轴向效应，即PM-PCF具有敏感轴。当采用保偏光子晶体光纤作为压力敏感单元时，由于内部多孔结构使得沿两个正交方向的空气孔的大小和排列不同，改变了折射率分布的对称性，当光纤受到垂直于光纤敏感轴向的压力横向时，光纤双折射率产生明显变化，使得其接入后端的光谱检测系统后，即可以获得外界实时压力值，此压力值准确性和传感器安装时是否沿敏感轴方向安装密切相关。当安装轴向出现偏差，施加的压力偏离光纤敏感轴向，必然导致测量压力值小于真实值，所以，在制备光纤压力传感单元时必须严格区分光纤敏感方向，才能将光纤沿敏感轴方向准确地安装于被测物体上，否则将获得错误的测量结果。

保偏光子晶体光纤作为压力传感单元是一种新型传感结构，其敏感轴的定向和定位直接影响测量准确性，对传感器的使用效果具有重要影响。由于光纤本身尺寸结构极小，普通的光子晶体光纤含涂覆层直径仅250μm，去掉涂敷层后包层直径125μm，有些特种保偏光子晶体光纤包层直径甚至只有80μm，这种细如头发丝的材料增加了其作为传感单元的定轴和定位难度。

目前市面上尚缺乏能够对光子晶体光纤进行精确定位的专用装置或设备，所以，在光子晶体光纤传感单元制备过程中存在定位困难，导致光子晶体光纤传感单元的精度不足，质量下降。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能够确保传感器能正确安装和精确定位的光子晶体光纤定轴装置及定轴方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种光子晶体光纤定轴装置，包括用于将光纤的待测端面高清晰度成像的相机、用于对所述光纤的待测端面视觉效果放大并传输光线的测量光路、用于为所述光纤的待测端照明的照明光源、用于支撑所述光纤的光纤支撑台、用于夹持所述光纤的夹持卡夹、用于旋转所述光纤的旋转器、用于测量所述光纤的旋转角度的码盘、用于微距移动所述光纤的移动平台和上位机，所述光纤置于所述光纤支撑台上并通过所述夹持卡夹夹持，所述码盘和所述旋转器分别安装于所述光纤支撑台旁，所述光纤支撑台、所述码盘和所述旋转器均安装于所述移动平台上，所述光纤的待测端靠近所述测量光路的一端，所述测量光路的另一端置于所述相机的摄像位置，所述照明光源的出射光对准所述光纤的待测端，所述相机的信号输出端和所述码盘的信号输出端通过两条数据线与所述上位机的信号输入端连接。

上述结构中，测量光路用于对光纤的待测端面视觉效果放大并传输光线，从而能够让相机拍摄光纤的待测端的高清图像，让用户实时了解光纤的轴向角度和精确位置；相机用于将光纤的待测端面高清晰度成像，成像信息通过上位机的界面向用户显示；照明光源用于为测量光路照明，其出射光照射到待测光纤端面后反射回测量光路，使光纤的待测端端面结构清晰度极高；光纤支撑台用于支撑光纤，其支撑面的摩擦系数极小；夹持卡夹用于夹持光纤，采用常规的夹持结构比如十字卡夹即可，只要能夹持光纤即可；旋转器用于旋转光纤，采用常规的旋转装置即可，只要能及时正反向旋转光纤并定位即可，旋转器中设置“U”形槽，以便于放置光纤；码盘用于测量光纤的旋转角度，包括圆形转盘和数据读取装置，是现有设备，其旋转角度信息传输给上位机后向用户显示；移动平台用于微距移动光纤，采用常规的较为精密的X、Y、Z三向移动平台即可，用户根据上位机显示的实时数据来控制移动平台，使光纤移动到合适位置；上位机用于人机交互和运行图像处理等常规程序。

进一步，为了在必要时提高照射亮度，所述光子晶体光纤定轴装置还包括用于为所述测量光路补光的透射光源。透射光源主要用于给测量光路补光，也能给机械部分照明。

优选地，所述光纤支撑台为上表面经过光滑处理的支撑台，所述光纤支撑台的上表面设有“V”形槽，所述光纤同时置于所述“V”形槽内、所述码盘的“U”形缺口内和所述旋转器的“U”形槽内。

为了便于稳定安装较长的光纤，所述光纤支撑台为两个且在所述光纤的轴向方向前后排列，两个所述光纤支撑台的内侧分别安装有一个安装板，两个安装板之间安装有中轴，所述码盘和所述旋转器同轴安装于所述中轴上，所述旋转器与所述码盘连接并能带动所述码盘旋转。

作为优选，所述相机为全波段数字相机；所述测量光路为同轴照明变倍同心测量光路；所述照明光源为同轴照明光源且由同轴照明驱动盒驱动。

具体地，所述上位机为计算机。

为了集中安装、整体美观，且为了当部件安装调试完成后方便部件定位，所述光子晶体光纤定轴装置中除了所述上位机外的其它所有部件均安装于底板上并置于上盖内。

一种光子晶体光纤定轴装置采用的定轴方法，包括以下步骤：

(1)打开照明光源至中等光强，将一张半透明的纸放置在靠近测量光路的光纤支撑台的前端形成光斑，调节移动平台的X、Z向位置，使大致半个光斑落于光纤支撑台的“V”形槽内，确保光纤放置于测量光路的中心位置，再Y向调节移动平台，调节到Y向位移范围的中间位置；

(2)打开上位机并使上位机内的图形处理软件和码盘角度显示程序运行，将照明光源的光源强度调弱后，调节测量光路的放大倍数至最小，确保上位机上图像处理软件的视场最大；

(3)按设计长度将光纤切割成段，将其中一段的其中一端的涂覆层剥去后，使用光纤切割刀具将光纤端面切割平整，并作为待测端

(4)将码盘的“U”形缺口向上并将码盘前端的锁紧装置打开，将旋转器的“U”形槽向上，将夹持卡夹打开，将光纤同时放置于光纤支撑台的“V”形槽内、码盘的“U”形缺口内和旋转器的“U”形槽内；

(5)光纤的待测端距离测量光路的距离为6-8mm，用手轻触光纤的待测端，观察图形处理软件中图像，当出现某一小亮点时，调节测量光路的放大倍数，观察此亮点是否是光纤的待测端面，找到光纤的待测端面后，将测量光路的放大倍数调节到最小；

(6)将夹持卡夹放下夹住光纤，将码盘前端的锁紧装置旋转一定角度以锁住光纤，确保光纤稳定，此过程中根据需要重新微调移动平台，直到光纤的待测端面反射的小亮点进入图像处理软件的视场范围中心；

(7)将测量光路的放大倍数增大，在图形处理软件中可以清楚显示出光纤的待测端面的微结构图形，如果此时中心的双孔不在水平方向，则调节旋转器使其双孔处于水平方向以确保敏感轴垂直于台面，此过程中，在调节旋转器的同时不断微调移动平台的位置，以保持光纤的待测端面位于视场中央；

(8)将光纤的角度调节好后，使用标记笔在光纤上靠近其待测端面的位置进行标记并确定该位置为光纤敏感位置；

(9)将码盘前端的锁紧装置旋转一定角度使其“U”形缺口向上，打开夹持卡夹，取出光纤，并将移动平台重新调节回X、Y、Z向位移范围的中间位置，将测量光路的放大倍数调节到最小；再将光纤的另一端涂覆层剥去后端面切割平整作为新的待测端，重复步骤(4)-(8)，确定光纤另一端的光纤敏感位置，完成全部定轴工作。

本发明的有益效果在于：

本发明通过实时监测光纤的轴向位置和旋转角度，协助光纤选择和固定敏感轴方向，可以快速有效地找到需要的光纤轴向并将光纤固定，从而极大地降低了光纤传感器的定轴难度，方便光纤传感器的制作和正确安装，以获得准确数据；利用本发明的定轴方法可以实现最优的定轴效果；本发明不但适用于保偏光子晶体光纤的定轴和标记，还可用于其他需要提取特征轴向的保偏光纤或其他类型光纤的定轴工作。

附图说明

图1是本发明所述光子晶体光纤定轴装置的立体结构示意图；

图2是本发明所述光纤的待测端端面放大结构示意图；

图3是本发明所述光子晶体光纤定轴装置的局部放大立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、图2和图3所示，本发明所述光子晶体光纤定轴装置包括用于将光纤12的待测端面高清晰度成像的相机1、用于对光纤12的待测端面视觉效果放大并传输光线的测量光路2、用于为光纤12的待测端照明的照明光源3、透射光源5、用于支撑光纤12的第一光纤支撑台6和第二光纤支撑台8、用于夹持光纤12的夹持卡夹11、用于旋转光纤12的旋转器14、用于测量光纤12的旋转角度的码盘13、用于微距移动光纤12的移动平台9和上位机17，在光纤12的轴向方向前后排列的第一光纤支撑台6和第二光纤支撑台8为上表面经过光滑处理的支撑台，第一光纤支撑台6和第二光纤支撑台8的上表面设有“V”形槽，第一光纤支撑台6的内侧安装有第一安装板22，第二光纤支撑台8的内侧安装有第二安装板25，第一安装板22和第二安装板25之间安装有中轴(图中不可视)，码盘13和旋转器14同轴安装于所述中轴上，旋转器14与码盘13连接并能带动码盘13旋转，光纤12同时置于第一光纤支撑台6和第二光纤支撑台8“V”形槽内、码盘13的“U”形缺口内和旋转器14的“U”形槽内，夹持卡夹11安装于第一光纤支撑台6上并夹持住光纤12，第一光纤支撑台6、第二光纤支撑台8、码盘13和旋转器14均安装于移动平台9上，光纤12的待测端靠近测量光路2的一端，测量光路2的另一端置于相机1的摄像位置，采用同轴照明光源且由同轴照明驱动盒4驱动的照明光源3的出射光对准光纤12的待测端，相机1的信号输出端和码盘13的信号输出端通过第一数据线15和第二数据线16与上位机17的信号输入端连接，透射光源5安装在透射光源支撑平台10上，透射光源5的出射光对准测量光路2，透射光源5主要用于给测量光路2补光，也能给机械部分照明；相机1、测量光路2、照明光源3、透射光源5、透射光源支撑平台10、第一光纤支撑台6、第二光纤支撑台8、旋转器14、码盘13和移动平台9均安装于底板20上并置于上盖19内，防止外力碰撞使部件移位，并起防尘效果。

上述结构中，光纤12为光子晶体光纤；

相机1采用FJWOpticalsystem公司的FIND-R-SCOPE型全波段数字相机，为了保证高精度定轴和实现工作状况下的定轴，相机分辨率高，能在全波段(从400nm～1600nm)工作；附加通用高速数字接口模块，采集图像能实时传输到计算机(笔记本)；附加光学接口和专用支架，保证与测量光路2共轴链接；

测量光路2采用同轴照明变倍同心测量光路：通过采用物方远心光路保证在光纤12的待测端端面放大的同时，能保证光纤12的微孔结构尺寸不失真；变倍功能保证系统能适应不同尺寸光纤和便于成像操作时的寻像和放大；照明光源3为同轴照明光源，该照明光源3附带高效驱动器单元即同轴照明驱动盒4，这种照明方式是实现光纤12的端面清晰观测的最佳照明方式，对实现光纤12的定轴非常关键；

第一光纤支撑台6和第二光纤支撑台8：用于实现光纤12两端的精确导向和水平支撑，保证光纤12能无摩擦旋转，同时实现光纤12的待测端端面照明；

码盘13采用带有码盘精密旋转角调整和测量装置的高精度码盘，具有旋转角粗调和精调功能，能保证迅速精确调角能力；

旋转器14为具有双向旋转功能的常规旋转装置；

移动平台9采用Thorlabs公司的MBT621型精密三轴移动平台，移动量程±50mm，位移精度10μm，通过移动平台的精密调节，实现光纤12的准确清晰成像；

上位机17为计算机，上位机17内的图形处理软件和码盘角度显示程序根据需要选择常规软件和程序即可。

图1中还示出了由旋转器14、码盘13、第一安装板22和第二安装板25构成的旋转机构7，移动平台9上的螺纹旋转杆18；图2中还示出了码盘13的传输线21、圆形转盘23、方形数据读取装置24，圆形转盘23上有刻度可以直接显示码盘13的旋转角度，这些均为现有结构，不作具体说明。

结合图1-图3，本发明所述光子晶体光纤定轴装置采用的定轴方法，包括以下步骤：

(1)打开照明光源3至中等光强，将一张半透明的纸放置在靠近测量光路2的第一光纤支撑台6的前端形成光斑，调节移动平台9的X、Z向位置，使大致半个光斑落于第一光纤支撑台6的“V”形槽内，确保光纤12放置于测量光路2的中心位置，再Y向调节移动平台9，调节到Y向位移范围的中间位置；

(2)打开上位机17并使上位机17内的图形处理软件和码盘角度显示程序运行，将照明光源3的光源强度调弱后，调节测量光路2的放大倍数至最小，确保上位机17上的图像处理软件的视场最大；

(3)按设计长度将光纤12切割成段，将其中一段的其中一端的涂覆层剥去后，使用光纤切割刀具将光纤12的端面切割平整，并作为待测端；

(4)将码盘13的“U”形缺口向上并将码盘13前端的锁紧装置打开，将旋转器14的“U”形槽向上，将夹持卡夹11打开，将光纤12同时放置于第一光纤支撑台6和第二光纤支撑台8的“V”形槽内、码盘13的“U”形缺口内和旋转器14的“U”形槽内；

(5)光纤12的待测端距离测量光路的距离为6-8mm，用手轻触光纤12的待测端，观察图形处理软件中图像，当出现某一小亮点时，调节测量光路2的放大倍数，观察此亮点是否是光纤12的待测端面，找到光纤12的待测端面后，将测量光路2的放大倍数调节到最小；

(6)将夹持卡夹11放下夹住光纤12，将码盘13前端的锁紧装置旋转一定角度以锁住光纤12，确保光纤12稳定，此过程中根据需要重新微调移动平台9，直到光纤12的待测端面反射的小亮点进入图像处理软件的视场范围中心；

(7)将测量光路2的放大倍数增大，在图形处理软件中可以清楚显示出光纤12的待测端面的微结构图形，如果此时中心的双孔不在水平方向，则调节旋转器14使其双孔处于水平方向以确保敏感轴垂直于台面，此过程中，在调节旋转器14的同时不断微调移动平台9的位置，以保持光纤12的待测端面位于视场中央；

(8)将光纤12的角度调节好后，使用标记笔在光纤12上靠近其待测端面的位置进行标记并确定该位置为光纤敏感位置；

(9)将码盘13前端的锁紧装置旋转一定角度使其“U”形缺口向上，打开夹持卡夹11，取出光纤12，并将移动平台9重新调节回X、Y、Z向位移范围的中间位置，将测量光路2的放大倍数调节到最小；再将光纤12的另一端涂覆层剥去后端面切割平整作为新的待测端，重复步骤(4)-(8)，确定光纤12另一端的光纤敏感位置，完成全部定轴工作。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (8)

1.一种光子晶体光纤定轴装置，其特征在于：包括用于将光纤的待测端面高清晰度成像的相机、用于对所述光纤的待测端面视觉效果放大并传输光线的测量光路、用于为所述光纤的待测端照明的照明光源、用于支撑所述光纤的光纤支撑台、用于夹持所述光纤的夹持卡夹、用于旋转所述光纤的旋转器、用于测量所述光纤的旋转角度的码盘、用于微距移动所述光纤的移动平台和上位机，所述光纤置于所述光纤支撑台上并通过所述夹持卡夹夹持，所述码盘和所述旋转器分别安装于所述光纤支撑台旁，所述光纤支撑台、所述码盘和所述旋转器均安装于所述移动平台上，所述光纤的待测端靠近所述测量光路的一端，所述测量光路的另一端置于所述相机的摄像位置，所述照明光源的出射光对准所述光纤的待测端，所述相机的信号输出端和所述码盘的信号输出端通过两条数据线与所述上位机的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤定轴装置，其特征在于：所述光子晶体光纤定轴装置还包括用于为所述测量光路补光的透射光源。

3.根据权利要求1或2所述的光子晶体光纤定轴装置，其特征在于：所述光纤支撑台为上表面经过光滑处理的支撑台，所述光纤支撑台的上表面设有“V”形槽，所述光纤同时置于所述“V”形槽内、所述码盘的“U”形缺口内和所述旋转器的“U”形槽内。

4.根据权利要求3所述的光子晶体光纤定轴装置，其特征在于：所述光纤支撑台为两个且在所述光纤的轴向方向前后排列，两个所述光纤支撑台的内侧分别安装有一个安装板，两个安装板之间安装有中轴，所述码盘和所述旋转器同轴安装于所述中轴上，所述旋转器与所述码盘连接并能带动所述码盘旋转。

5.根据权利要求1或2所述的光子晶体光纤定轴装置，其特征在于：所述相机为全波段数字相机；所述测量光路为同轴照明变倍同心测量光路；所述照明光源为同轴照明光源且由同轴照明驱动盒驱动。

6.根据权利要求1或2所述的光子晶体光纤定轴装置，其特征在于：所述上位机为计算机。

7.根据权利要求1或2所述的光子晶体光纤定轴装置，其特征在于：所述光子晶体光纤定轴装置中除了所述上位机外的其它所有部件均安装于底板上并置于上盖内。

8.一种如权利要求3所述的光子晶体光纤定轴装置采用的定轴方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)打开照明光源至中等光强，将一张半透明的纸放置在靠近测量光路的光纤支撑台的前端形成光斑，调节移动平台的X、Z向位置，使大致半个光斑落于光纤支撑台的“V”形槽内，确保光纤放置于测量光路的中心位置，再Y向调节移动平台，调节到Y向位移范围的中间位置；

(2)打开上位机并使上位机内的图形处理软件和码盘角度显示程序运行，将照明光源的光源强度调弱后，调节测量光路的放大倍数至最小，确保上位机上图像处理软件的视场最大；

(3)按设计长度将光纤切割成段，将其中一段的其中一端的涂覆层剥去后，使用光纤切割刀具将光纤端面切割平整，并作为待测端；

(4)将码盘的“U”形缺口向上并将码盘前端的锁紧装置打开，将旋转器的“U”形槽向上，将夹持卡夹打开，将光纤同时放置于光纤支撑台的“V”形槽内、码盘的“U”形缺口内和旋转器的“U”形槽内；

(5)光纤的待测端距离测量光路的距离为6-8mm，用手轻触光纤的待测端，观察图形处理软件中图像，当出现某一小亮点时，调节测量光路的放大倍数，观察此亮点是否是光纤的待测端面，找到光纤的待测端面后，将测量光路的放大倍数调节到最小；

(6)将夹持卡夹放下夹住光纤，将码盘前端的锁紧装置旋转一定角度以锁住光纤，确保光纤稳定，此过程中根据需要重新微调移动平台，直到光纤的待测端面反射的小亮点进入图像处理软件的视场范围中心；

(7)将测量光路的放大倍数增大，在图形处理软件中可以清楚显示出光纤的待测端面的微结构图形，如果此时中心的双孔不在水平方向，则调节旋转器使其双孔处于水平方向以确保敏感轴垂直于台面，此过程中，在调节旋转器的同时不断微调移动平台的位置，以保持光纤的待测端面位于视场中央；

(8)将光纤的角度调节好后，使用标记笔在光纤上靠近其待测端面的位置进行标记并确定该位置为光纤敏感位置；

(9)将码盘前端的锁紧装置旋转一定角度使其“U”形缺口向上，打开夹持卡夹，取出光纤，并将移动平台重新调节回X、Y、Z向位移范围的中间位置，将测量光路的放大倍数调节到最小；再将光纤的另一端涂覆层剥去后端面切割平整作为新的待测端，重复步骤(4)-(8)，确定光纤另一端的光纤敏感位置，完成全部定轴工作。