CN107110778A - 对圆柱形玻璃体的折射率分布进行高精度测量 - Google Patents

Abstract

根据一些实施例，一种测量具有圆柱形表面的固结玻璃体的折射率分布的方法包括以下步骤：(a)在所述玻璃体后面形成狭缝的图像；(b)可选地预扫描测试玻璃体或基准玻璃体的圆柱形表面并分析固定窗口内的数据，从而确定零级未经衍射光束的可能位置同时忽略其他衍射光束；(c)可选地调整光功率，从而提高所述固定窗口内的所述数据的强度，以便改进分析；(d)基于光撞击在所述圆柱形表面上的采样位置x_i(入射位置)以及所述零级光束撞击在器上的位置，预测所述零级光束穿过检测预制件的轨迹；(e)测量玻璃体的圆柱形表面，同时使用所述零级光束的所述估计位置和经调整光功率来设置浮动窗口的中心以及每个测量点处的光束功率；(e)在每个采样位置处确定出射零级光束在所述浮动窗口内的偏转角度；(e)通过利用变换函数来计算玻璃体的折射率分布，所述变换函数基于所述光束的测量的偏转角度函数来确定每个位置处的折射率。

Description

对圆柱形玻璃体的折射率分布进行高精度测量

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求于2014年10月31日提交的美国临时申请序列号62/073,369的优先权权益，所述美国临时申请的内容被用作依据并且通过引用以其全部内容结合在此。

背景技术

本披露总体上涉及对圆柱形玻璃体的折射率分布测量，并且更具体地涉及对包括折射率条纹(即，具有快速变化的折射率的多个玻璃薄层)的圆柱形玻璃体的折射率的精确测量。

由于折射率条纹，穿过圆柱形玻璃体的光束可以被薄玻璃层衍射成多个衍射级，这不利地影响了现有折射率测量技术的准确度和精度，或者可能甚至导致不可能对折射率分布进行测量。

本文引用的任何参考文献不承认构成现有技术。申请人明确地保留质疑任何引用文献的准确性和相关性的权利。

发明内容

根据至少一些实施例，一种测量具有圆柱形表面的固结玻璃体的折射率分布的方法包括以下步骤：

a.使用从孔径发出的光束扫描所述固结玻璃体的所述圆柱形表面，从而使得在所述固结玻璃体下游在所述固结玻璃体与至少一个光学检测器之间形成所述孔径的图像，并且在多个采样位置x_i处用所述光束对所述圆柱形表面进行采样；

b.检测与所述采样位置x_i相对应的零级光束在穿过所述固结玻璃体之后撞击在至少一个光学检测器上的位置；

c.确定与所述多个采样位置x_i相对应的(离开所述固结玻璃体的)所述零级光束的偏转角度；

d.基于与所述多个采样位置相对应的所述零级光束的所述偏转角度，计算所述固结玻璃体的折射率分布。

根据一些实施例，所述方法包括以下步骤：基于以下各项预测所述零级光束穿过所述固结玻璃体的轨迹：(i)所述光束撞击在所述固结玻璃体的所述圆柱形表面上的所述采样位置x_i(入射位置)x_i；以及(ii)相应的零级光束撞击在所述至少一个光学检测器上的位置。

根据一些实施例，通过利用变换函数执行计算所述固结玻璃体的折射率分布的步骤，所述变换函数基于与一个采样位置x_i相对应的所述零级光束的偏转角度以及与之前的采样位置相对应的零级光束的偏转角度确定在所述固结玻璃体内多个位置处的折射率。

根据一些实施例，其中，所述孔径的所述图像具有宽度w，并且其中，跨所述固结玻璃体的所述圆柱形表面的测量采样间隔Δx小于或等于w；所述方法进一步包括以下步骤：对于所述扫描的每个采样位置x_i，其中，x_i＝x_i-1+Δx，基于所述光束撞击在所述圆柱形表面上的采样位置x_i以及预期所述零级光束撞击在所述至少一个光学检测器上的位置来预测所述零级光束穿过所述固结玻璃体的轨迹；以及从最终中分析丢弃由所述检测器所检测到的较高级衍射光束的数据。

根据一些实施例，所述孔径的所述图像具有宽度w，其中，跨所述固结玻璃体的所述圆柱形表面的测量采样间隔Δx小于或等于w；所述方法进一步包括以下步骤：对于所述扫描的每个采样位置x_i，其中，x_i＝x_i-1+Δx，基于所述光束撞击在所述圆柱形表面上的采样位置x_i以及预期所述零级光束撞击在所述至少一个光学检测器上的位置预测所述零级光束穿过所述固结玻璃体的轨迹；从最终分析中丢弃由所述检测器所检测到的小角度衍射光束的数据。

根据至少一些实施例，一种测量光纤预制件的折射率分布的方法包括以下步骤：

a.通过具有被照亮狭缝的被分开距离Δx以使得x_i＝x_i-1+Δx的多个扫描(采样)位置x_i扫描所述光纤预制件的所述圆柱形表面，从而使得在所述光学预制件的后面形成所述狭缝的图像，其中，所述狭缝的所述图像具有宽度w，并且Δx<w；

b.对于每个采样位置xi＝x_i-1+Δx，基于所述光束撞击在所述光学预制件的所述圆柱形表面上的所述采样位置x_i以及预期所述零级光束撞击在至少一个光学检测器上的位置来预测所述零级光束穿过所述预制件的轨迹；

c.检测与采样位置x_i相对应的出射零级光束撞击在至少一个光学检测器上的位置，并且丢弃关于由所述至少一个光学检测器针对每个采样位置x_i所检测到的较高级衍射光束和小角度衍射光束的数据；

d.确定与所述扫描的每个采样位置x_i相对应的出射零级光束的偏转角度；

e.通过利用变换函数来计算所述预制件的折射率分布，所述变换函数基于与每个采样位置x_i相对应以及与同x_i相邻但在距离上离所述预制件的中心更远的其他所扫描采样位置x_i相对应的光束的偏转角度来确定所述每个采样位置处的折射率。

根据一个实施例，一种测量具有轴线以及圆柱形表面的光学预制件的折射率分布的方法包括以下步骤：

a.可选地将取向为到所述预制件的轴线10°与80°之间角度的被照亮狭缝的图像投影穿过所述光学预制件的圆柱形表面，从而使得在所述光学预制件的后面形成所述狭缝的图像；

b.在所述光学预制件后面已经形成所述被照亮狭缝的所述图像处检测所述被照亮狭缝的所述图像。

c.所述狭缝被配置成使得所述被照亮狭缝被投影穿过所述光学预制件的整个宽度；

d.对所述所检测到的图像进行处理，从而确定零级光束的位置；

e.确定与所述所检测到的图像中的每个采样位置x_i相对应的零级光束的偏转角度

f.通过利用变换函数来计算所述预制件的折射率分布，所述变换函数基于所述偏转确定折射率

根据一些实施例，基于偏转函数的折射率测量方法带来测量在固结光纤预制件(包括OVD预制件)中具有显著条纹结构的折射率分布的显著提升的精度和能力。

本发明的实施例的优点之一是，它提供了对圆柱形玻璃体的(例如，光纤预制件的)准确折射率分布测量，并且更具体地，这些方法使得能够对用于制作高带宽多模光纤的那些预制件的折射率分布进行精确测量。

本发明的实施例的优点之一是，它提供了对圆柱形玻璃体的(例如光纤预制件的)准确折射率分布测量，即使在扫描光束能量的大部分被条纹所衍射的情况下。

本发明的实施例的实施例的优点之一是，它提供了对圆柱形玻璃体的准确折射率分布测量，例如具有在轴向方向上均匀的(同质的)条纹结构的光纤预制件。

附加特征以及优点将在以下具体实施方式中予以阐明，并且部分地从所述描述中对本领域的技术人员而言将变得非常明显或者通过实践如所写描述中描述的实施例和其权利要求书以及所附附图很容易被认识。

应当理解的是，前述概括描述和以下具体实施方式仅是示例性的，并且旨在为理解权利要求书的本质和特征提供概要或框架。

将附图包括在内来提供进一步的理解，并且这些附图被结合在本说明书中构成本说明书的部分。附图展示了一个或多个实施例，并且与说明书一起用于解释各个实施例的原理和操作。

附图简述

图1A展示了通过OVD工艺制作的示例性光纤预制件的所计算的折射率分布；

图1B是图1A中所示的折射率分布的放大部分，其展示了光学预制件内的条纹；

图2A是光学NIR(近红外波长)折射率分布测量系统的示例性实施例的示意图；

图2B是用于示例性NIR系统的这两个检测器的预制件和物平面的位置的特写图示；

图3A和图3B是在对光纤预制件的扫描中在每个采样位置x_i处的积分强度分布的等值线图，使用了被设计成以波长3.39μm运行的光学折射率测量系统；

图3C展示了与在半径r＝1/3a附近所取的图2A的横截面相对应的数据；

图4A展示了撞击在利用NIR光束的相机上的光的强度；

图4B展示了在沿着竖直像素轴线方向(平行于狭缝图像的长轴并平行于预制件的轴线)对相机图像数据进行积分以形成积分强度分布之后来自图4A的相机图像数据；

图5A是包括了对厚轮次预制件的扫描中每个采样位置x_i处的积分强度分布的等值线图，使用了以0.940μm的NIR波长运行的测量系统实施例；

图5B展示了：对于使用0.940μm光源(实线)的示例性厚轮次预制件以及对于使用3.39μm光源(虚线)的示例性厚轮次预制件，在检测器上与图5A的横截面的位置(r/a＝1/2)相对应的积分光强；

图6A展示了在对利用薄轮次工艺(条纹间隔d<10μm)通过OVD制作的示例性预制件进行测量时使用示例性NIR测量系统实施例获得的数据；

图6B展示了与使用中IR测量系统(虚线)和NIR测量系统(实线)的薄轮次工艺相对应的预制件的积分强度、数据；并且

图7展示了针对使用中IR测量系统(顶部)和NIR测量系统(底部)薄轮次工艺所获得的零级光轴偏线转角度。

具体实施方式

带宽是对光纤的最大数据传输能力的度量。多模光纤(MMF)的带宽对光纤的折射率分布变化非常敏感。因此，在生产光纤的过程中应该精确地控制光纤的折射率分布。期望的是，在制造MMF时，在将未经掺杂的二氧化硅烟灰(例如，掺杂了GeO₂的二氧化硅烟灰)沉积至光纤预制件上时，通过对所述未经掺杂的二氧化硅烟灰进行精确沉积产生光纤的折射率分布的最平滑的可能梯度。还期望的是，在制造MMF时，精确地测量固结光纤预制件的折射率分布并仅使用具有期望的折射率分布的预制件轧制光纤。另外，关于所测量的折射率分布的信息可以被反馈给预制件烟灰沉积工艺，从而使高质量光纤预制件的生产率最大化同时使浪费最小化。这使得高质量光纤的产量最大化。

圆柱形固结玻璃体中的有条纹结构或条纹是具有折射率变化的薄玻璃层。固结光纤预制件是圆柱形固结玻璃体，从所述圆柱形固结玻璃体中轧制光纤。通过OVD(外部气相沉积)工艺制作的光纤预制件包括大量具有折射率变化(在不同径向位置处的不同折射率)的薄玻璃层。由于折射率条纹，穿过圆柱形玻璃体(比如通过OVD工艺制作的固结光学预制件)的光束可以被薄玻璃层衍射成多个衍射级。

当具有特定波长λ的光束传播通过例如由OVD工艺制作的光学预制件时，固结玻璃内的大幅度折射率变化与一个玻璃(沉积)层至下一玻璃层的这种折射率变化间隔的组合确定的衍射效应的存在和强度。要注意的是，OVD制造的预制件具有在轴向方向上基本上均匀(即，沿着预制件的长度基本上同质)的条纹结构。

例如，当热玻璃烟灰被作为薄层沉积在之前成层的烟灰层顶部上时候可以产生光学预制件，因为前体材料(例如，二氧化硅和Ge)被馈送至燃烧器并且燃烧器横贯(越过)烟灰预制件的长度并在之前放置的烟灰层上沉积玻璃烟灰。然而，Ge/Si的沉积在每一层内是非均匀的，从而在固结玻璃预制件内产生具有不同折射率的薄带(即，玻璃烟灰预制件被完全烧结之后)。因而，用于生产光学预制件的多道次烟灰沉积工艺通常在固结预制件的整个横截面中引起折射率条纹。这在例如图1A和图1B中进行了展示。

更具体地，所述条纹是圆柱形(固结)玻璃体的折射率分布具有许多局部极大值和极小值的地方，从而形成了周期性(或可变周期)结构。图1A展示了圆柱形玻璃体(在本实施例中，固结玻璃光纤预制件)中随着离预制件的中心线的径向位置而变的折射率变化。此示例性光纤预制件是通过OVD工艺制作的，并且折射率分布是通过破坏性微探针测量技术获得的，所述破坏性微探针测量技术在对预制件的横截面的组成分析时测量GeO₂的重量百分比并使其与折射率相关。图1B描绘了图1A的扩展部分，其中，在离预制件的中心2mm至3mm的径向位置处示出了折射率变化。在图1B中，折射率变化被描绘为相对于纯(即，未掺杂)二氧化硅的折射率的折射率差。

通过扫描穿过预制件的本体的固结玻璃，并测量离开预制件的经折射光束的偏转角度，可以确定固结玻璃预制件(或相似的圆柱形玻璃体)的折射率分布。然而，固结玻璃预制件(圆柱形固结玻璃体)中的折射率条纹在扫描过程中可能会影响在某些的横向光束发射位置处的偏转角度测量的准确度和精度。这是因为条纹起透射式衍射光栅的作用而发生。也就是，对于穿过光学预制件的某些光束轨迹，光的波长可以与条纹的周期性谐振地相互作用，并且这些相互作用的相位匹配会导致具有不同衍射级的多个强衍射和弱衍射光束。这些光束中的每一个光束都可能会沿着穿过预制件的轨迹经历额外衍射，并且当光束跨越预制件的横截面时，它同样以变化的角度遇到条纹。最终结果是许多经衍射的光束可以以不止一个角度离开预制件。除了纯折射未经衍射的光束(零级光束)之外，可以产生这些经衍射的光束，并且它们可以离开预制件。在一些实例中，入射光束中几乎所有的光功率被衍射成较高级光束，使得难以检测零级光束。在其他实例中，衍射光束的角度(VS未经衍射光束的角度)非常小以至于它们在检测器上非常接近于与零级光束在相同的位置撞击，并且衍射光束的有限宽度与零级光束重叠。因而，这些衍射效应可能会导致零级光束的轴线的确定的偏转角度的误差。如果零级光束变得太弱以至于检测器不能进行检测，这还可能会导致不可能确定偏转角度。我们发现，这些不准确性会使得非常难以从使用通用折射率测量系统所获得的所测量偏转函数数据来精准地构造一些预制件的整个折射率分布。

以下是光学系统(100)、以及用于测量光学系统的折射率的(多种)方法的实施例，所述方法提高了所测量的折射率分布的准确性。在此所描述的实施例利用零级光束的光束偏转函数对光学预制件以及具有折射率条纹的其他圆柱形本体进行无创性折射率测量。根据一些示例性实施例，所述方法和光学系统利用可见波长源。根据其他示例性实施例，所述方法和光学系统利用不相干或具有低相干性的近红外(例如，λ<2μm，或λ<1μm，例如0.78μm至2μm、或0.78μm至1μm)光源，这由于条纹而充分地减轻了对近IR光束的衍射效应，从而允许以更高精度测量零级光束偏转函数。

一种用于表征圆柱形玻璃体(比如光学预制件)的折射率分布的方法基于光束偏转函数测量技术。这种方法测量或确定未经衍射光束(在此还称为零级光束)在与预制件的轴线横向的方向传播穿过圆柱形本体(例如，固结光学预制件(414))之后的总偏转角度。当光束(413)或预制件(414)在同样横向于光学预制件的中心轴线的方向上平移从而跨预制件的圆柱形表面扫描光束时，在多个发射位置x_i(在此还称为光束入射位置(beamincidence position)、入射位置(incident location)、扫描位置、偏移位置、或采样位置x_i)处获取这个偏转角度。也就是，入射光束跨玻璃预制件的圆柱形表面扫描，折射穿过预制件的本体，并对应于不同采样位置x_i以不同的偏转角度离开预制件。在本文所描述的实施例中，平移沿着x轴，并且跨预制件的入射扫描光束的位置(采样位置x_i)被增加(多个)量Δx。所累积的一系列偏转角度测量结果产生离开预制件的未经衍射光束VS横向光束发射位置(即，相对采样位置x_i，其中，x_i＝x_i-1+Δx)的偏转角度函数，并且可以使用数学变换式将此变换成折射率分布，例如，阿贝耳(Abel)变换式，在此还称为阿贝耳变换式(等式1)：

其中，a是预制件的外半径，n(a)是环绕固结光学预制件的介质的折射率，r(x)是离预制件的轴线的最近途径的距离并且θ(t)是在偏移位置t处的所测量偏转角度，其中，t是范围从x到a的积分变量。由于固结光学预制件在特定内半径位置x处的折射率的测量值取决于这个点与预制件的外半径a之间的所测量偏转角度，在这个点处测量偏转角度时所发生的任何误差将同样影响这个点与预制件的轴线之间的剩余折射率测量结果的准确度。对于发生较弱折射的典型光纤预制件，近似r(x)≈x(其中，x是光束相对于预制件轴线撞击在预制件上的偏移位置)是有效的。

图2A是折射率测量系统(100)的一个示例性实施例的示意性展示，所述折射率测量系统利用扫描光束(413)来测量固结圆柱形玻璃体(例如光学预制件(414))的折射率分布。光束(413)跨固结玻璃体的圆柱形表面扫描并在被分开(多个)距离Δx的多个预定位置x_i处撞击在所述表面上。例如，在本文所描述的示例性实施例中的至少一些中，扫描光束的中心在位置x_i处入射在玻璃表面上。(要注意的是，距离Δx可以是跨扫描恒定的，或者可以取决于预制件表面上的光束位置而变化。)在传播穿过玻璃(例如，预制件414的本体)之后，光束(413)形成零级光束和衍射较高级光束部分。我们检测或确定离开圆柱形玻璃体(比如光学预制件)的零级光束(与采样位置x_i相对应)撞击在光学检测器((420)和/或(422)，例如相机)上的位置，并且然后确定这些与所述多个采样位置x_i相对应的离开零级光束的偏转角度。然后，通过确定在固结玻璃体内的多个位置处的折射率，基于其与所述多个采样位置x_i相对应的零级光束的测量的所偏转角度，计算固结玻璃体的折射率分布。

在一些实施例中，光学系统(100)是NIR(近红外)系统(即，扫描光束具有0.7μm与2μm之间的波长(例如，0.705μm、0.73μm、0.785μm、0.853μm、0.94μm、0.98μm、1.064μm、1.31μm、1.55μm、1.65μm、或其之间))。以这些波长运行的激光二极管光源是可商购的，例如从美国新泽西州纽顿市Thorlabs公司。还可以利用其它波长，例如可见光(0.4μm至0.7μm)或中IR。例如，光源可以以NIR或在可见波长运行，其中，光源波长是0.4μm≤λ≤2μm，并且具有低相干性，其中，相干长度CL为0.001mm≤CL≤10cm，例如0.1mm≤CL≤10cm、或1mm≤CL≤1cm。这种低相干性可以有利地提高折射率测量系统(100)的测量准确度。

图2B是对用于图2A中所示实施例中的每个检测器的固结光学预制件(414)和物平面的位置的特写图示。如图2A和图2B中所示，本示例性实施例的光学系统(100)包括光源(402)，所述光源与透镜(404)一起向孔径(406)提供基本上准直的光束，从而照亮所述孔径。根据本实施例，所述孔径(402)的图像形成于(多个)物平面(410)处或附近，与(由将所述孔径的此图像重新成像至一个或多个检测器(420)、(422)上的透镜(424)、(426)形成的)检测器的物平面(410a)和/或(420b)相邻。因而，光学系统(100)在一个或多个检测器(420)、(422)上形成所述孔径的图像。在本实施例中，透镜(424)、(426)彼此结合地提供重新成像的功能，从而使得在(多个)检测器上形成孔径(406)的图像。(多个)检测器上的(多个)未经衍射(零级)光束所提供的信息被用来计算出射的未经衍射光束的偏转角度θ(x_i)，从而确定预制件的(或相似的圆柱形玻璃体的)的折射率分布。如果利用一个检测器，在平面(410)附近形成孔径(406)的图像，所述平面还是将所述孔径的这张图像重新成像至检测器(420)上的(多个)透镜的物平面(410)。如果利用多个检测器，则可以在平面(410)附近或与将把所述孔径的这张图像重新成像或转送至检测器(420)、(422)的有源表面上的(多个)透镜的物平面(410a)或(410b)相邻地形成孔径(406)的图像。在图2A和图2B中所示的示例性实施例中，光源(402)是正方形LED(402′)，所述正方形LED从0.3mm×0.3mm的面积发射位于中央波长940nm的光并且具有40nm的光谱宽度——即，它提供920nm至940nm波长范围(以940nm为中心)内的照明。(图2A)。在本实施例中，来自LED(402′)的有角度发射在FWHM强度水平处为120度。在本实施例中，透镜(404)具有50mm焦距。透镜(404)对此光进行准直并将其提供给孔径(406)，所述孔径在本实施例中是100μm宽×25.4mm高(长)的铬合金玻璃狭缝(406′)。然而，所述狭缝或孔径可以具有其他尺寸，例如，所述狭缝可以短达100μm(例如，狭缝的尺寸可以是100μm×100μm)。最大可用孔径高度——即，从狭缝中发出的光的最大可用长度——由狭缝到(多个)检测器的有源表面上的投影图像的高度确定。在本实施例中，狭缝(406′)的被照亮长度被专门地设定为使得其图像的高度(近似25.4mm)极大地过度填充检测器的有源区域的高度，所述高度近似6.6mm高。这样做是为了仅使用来自狭缝长度的中央区域的最强光。

还可以利用其它可替代的孔径形状。所述缝隙可以是具有固定宽度气隙孔径的物理光阻结构，或者它可以是可通过电子控制或手动机械装置改变的可控宽度狭缝。可以利用长狭缝(比如上文所描述的这个)，或者可替代地，出于在单次扫描中测量沿着预制件轴线的多个偏转函数的目的，还可以利用之间有光束挡块的一系列多层堆叠的狭缝。

另一示例性实施例是利用锥形的狭缝，其中，所述狭缝一端窄并且另一端宽。这将在改善(多个)检测器上的零级光束的检测和/或分辨率方面提供有利效果，因为检测器上的狭缝的结果图像可以被横截并逐片分析，从而选择图像的在光功率与从狭缝的边缘衍射之间具有最佳折衷的部分。(期望的是使得狭缝宽度尽可能小，而不牺牲检测器上的光功率并且不引入来自其狭缝的边缘衍射。具有锥形宽度的孔径或狭缝的宽度的至少一部分足够宽以允许充足的光功率落在检测器上，同时使来自其边缘的衍射最小化。)如果单个狭缝(406′)具有锥形宽度，这样，则软件可以分析图像的子区段，从而允许从沿着预制件的轴线的多个点收集数据，同时仅进行一次扫描。在多个狭缝的堆叠情况下，每个狭缝可以具有不同宽度，其中，所述宽度通常将在50μm与200μm之间变化。这平衡了使来自狭缝边缘的衍射效应(这造成光束发散)最小化的需要与以窄光束进行测量从而获得预制件内可能的最小空间分辨率的期望。

例如，具有锥形宽度的孔径或狭缝可以具有100μm与25mm之间长的长度以及从窄到宽变化从而使得50μm≤w’≤200μm的宽度w’(z)。例如，狭缝宽度可以从50μm的最小宽度w’逐渐上升至200μm的最大宽度w’。同样例如，狭缝宽度可以从75μm的最小宽度w’逐渐上升至150μm的最大宽度w’。

图2A和图2B中所示的实施例中的单个狭缝(406′)以准直光束为中心，其中，狭缝的长轴平行于预制件的轴线并具有宽度w’(在本实施例中是100μm)。(多个)光源例如LED(402′)和透镜(404)已被选择为使得基本上准直的光束的发散角度小于由来自狭缝(406′)边缘的衍射引起的衍射角度。

如图2A中所示，在本实施例中，各自具有100mm的有效长度的两个透镜(408)形成4f系统，所述4f系统将被照亮狭缝(406′)的图像远心地中继像平面(410)上。更具体地，图2A展示了，在本实施例中，狭缝的图像不位于光学预制件的内部。在固结玻璃体(例如，预制件414)下游于所述固结玻璃器与至少一个光学检测器之间形成孔径406的图像。狭缝的图像具有宽度w。(多个)反射镜(412)被用来折叠光学路径，从而减小光学系统100的占用面积。光学系统与固结光学预制件(414)相对于彼此移动(例如，从左到右，如图2A中的虚线箭头所指示的)，从而使得光束(扫描光束)跨预制件(414)的表面移动。

在本实施例中，测试下的预制件(414)被安装在测量单元(416)内部，其中，所述单元与预制件之间的腔体装满折射率匹配油(418)。这种油的示例可以是浸油，所述浸油与二氧化硅单元和预制件具有接近的折射率，比如由美国新泽西州州锡达格罗夫市嘉吉实验室(Cargille Laboratories of Cedar Grove,NJ)提供。本实施例的预制件(414)被构造成具有从1至15μm范围的平均条纹周期性d(或间隔d)(例如，1至15μm的固结玻璃层厚度)。通过控制每轮次的沉积厚度来实现这种条纹周期性(间隔d)，选择所述沉积厚度以辅助测量系统在可接受的误差限制内测量零级光束的偏转角度，而不顾衍射效应。在预制件内半径位置r处或附近测量这个条纹间隔d，其中，r位于1/3≤r/a≤2/3中，优选地，r/a＝1/2处，其中，a是预制件的外半径。

在本实施例中，测量单元(416)是由熔融二氧化硅制成正方形板，所述熔融二氧化硅具有钻通过其的圆孔(416A)。所述孔具有比预制件(414)的直径仅大几毫米的直径。所述光学单元具有平行的入口表面和出口表面，并且光束通过的所有表面被光学地抛光。

狭缝的图像所形成于的平面(410)(像平面)超出预制件的位置，并且在本实施例中单元(416)中在所述孔的下游，从而使得通过预制件的所有必要光束折射在光束跨过像平面之前已经发生。更具体地，在本实施例中，像平面(410)位于所述单元的材料内部，超出所述孔的边缘近5mm。在另一实施例中，未使用测量单元，并且所述预制件位于充满了折射率匹配油的腔室内。在这个实施例中，对狭缝的像平面的位置要求简单地为：它超出了所述预制件(下游)。

在本示例性实施例中，有必要进一步将所述孔径或所述狭缝的图像中继至(多个)检测器(420和422)上，因为所述狭缝的像平面410物理地位于熔融二氧化硅单元内。在本实施例中，所述检测器(420和422)例如是相机，所述相机具有1936×1458像素(其中，个体像素尺寸为4.54μm)并且具有对近红外波长(700–1000nm)的良好响应。可以理解的是，来自任何检测方法的被测数据的像素化的物理宽度需要足够小以确保检测器处零级光束的图像被充分地采样。通常，期望使检测器的像素化比检测平面(检测器面)处的零级光束的图像的宽度小10倍。如果使用单个检测器(420或422)，则有必要精确地知道从预制件(414)或圆柱形玻璃体的中心到像平面(410)的距离，从而计算偏转角度(图2B)。

由于固结光学预制件(或其他圆柱形玻璃体)并不总是沿其长度笔直的并且可能具有一定曲率，预制件轴线与狭缝或孔径(406)的像平面之间的距离在每次预制件(或另一圆柱形玻璃体)被插入所述单元(416)时可以不同。精确定位系统可以用来将预制件的轴线(每次它被插入时)精确地定位在离检测器的优选距离处。在本实施例中，通过使用两个完全相同的检测器(比如像两个完全相同的CCD相机)来解决这个问题。

在本实施例中，每个相机的中继透镜系统包括两个透镜(图2A)，一个透镜(透镜424)具有75mm焦距，并且另一透镜(透镜426)具有150mm焦距。这些透镜被定位成使得它们产生对位于每个相机的检测平面(相机面、或检测器的有效表面)处的孔径的(狭缝的)图像的2:1放大。采用分束器(428)从而使得这两个相机(或检测器)都可以观看到狭缝的图像。单独地调整相机的位置从而将每个相机所观察到的物平面(410a、410b)的位置分开。在本实施例中，每个相机(410a)和(410b)的物平面位于所述单元内不同位置处。由于光束入射在预制件上的数值孔径非常小(因为撞击在孔径(406)上的光是准直或几乎准直的)并且光学系统的景深(100)非常大，即使狭缝的图像不精确地位于任一相机的物平面处，这两个检测器(相机)所观察到的狭缝图像也仅仅稍微(即，不显著地)失真。因此，可以准确地确定零级光束在这两个检测器(例如相机(420、422))上的轴线位置(或形心)。对相机的像平面位置D的差别的了解使得能够更准确地确定零级光束的偏转角度(见例如图2B)

在本示例性实施例中，这两个相机的物平面之间的距离是1mm，然而，它可以在1mm与5mm之间的范围。优选地，这两个检测器的物平面可以位于离孔径像平面0mm至5mm偏移并且不在同一位置，因为这有助于不含糊地测量零级光束的偏转角度，而不需要知道检测器的物平面相对于预制件之间的距离。

在本实施例中，使用低相干LED光源以避免或最小化来自漫散射的斑点干涉以及零级光束与衍射光束之间的干涉，这在至少一些实施例中有利地且选注地提高测量稳定性、以及结果的准确性。

如上文所讨论的，光束照亮窄狭缝，所述窄狭缝被成像至图像传感器(检测器420、422)上。根据在此所述的方法的实施例，光学系统(100)在例如检测器的物平面(410a、410b)处或附近形成孔径(406)(比如圆柱形固结玻璃体后面的狭缝(406’))的图像并因而将离开玻璃体的全部光束汇聚(或聚焦)成其最小尺寸(即，最小宽度或光斑直径)。这有助于将小角度衍射光束与零级光束分开(当它们撞击在(多个)检测器上时)。相反，在常规系统中，光源的图像将坐落在预制件轴线的平面处，这样，常规系统中的零级光束以及与小角度衍射相关联的衍射光束将更宽并且将比在此所披露的光学系统(100)的实施例中更多地与零级光束重叠。这进而使得常规测量系统更难以区分未经衍射光束与衍射光束，并且这将引起测量误差增大。对狭缝的成像提供了一种用于更好地区分穿过圆柱形固结玻璃体(例如，预制件)的零级光束与衍射级的方式。

当与近IR或可见波长光源一起使用时，光学系统(100)的实施例可以测量具有更薄的轮次厚度和小条纹周期性(或条纹间距)d≤12μm的光学预制件的折射率，并且尤其是具有d≤10μm(以及因而较小衍射角度)的光学预制件(以及其他圆柱形玻璃体)的折射率，比常规系统可以实现的更加准确地。

根据至少一些实施例，测量具有圆柱形表面的固结玻璃体的折射率分布的方法利用预扫描步骤(在此还称为预扫描阶段)来确定(多个)检测器上的(多个)零级光束的近似位置。在测量的预扫描阶段，根据一些实施例，使用可以是例如约80像素宽的固定开窗口方法(见图4B中的窗口508)测量具有相似尺寸和折射率分布的预制件或参考预制件。这个窗口以相机的中间为中心。由于光束落在这个窗口之外而造成的所有数据都被忽略或丢弃，因为已知零级光束将在这个窗口内撞击相机或检测器。可以通过试错法凭经验确定窗口的最佳宽度，主要强调的是平衡丢弃来自分析的小和大角度衍射以及确保零级光束不被丢弃。如果利用参考预制件，则一次完成这一点从而确定与每个采样位置x_i相对应的零级光束的位置(例如，零级光束的轴线的位置)，并且然后可以将预扫描数据用于其他类似设计的预制件。

随着预扫描进展，在这个窗口内，光源(比如像LED)的光学功率变化以将例如最大数量的积分强度计数保持在(多个)检测器上的像素饱和水平的近似80％。例如，如果检测器在255计数处饱和，这将是积分强度数据中每个水平像素近似200平均计数。这确保了孔径或狭缝的图像被最佳地分解，即使对于其中强衍射从零级光束消除了大部分光学功率的情况，并且这确保了零级光束不使相机的像素深度饱和。在本实施例中，与零级光束的所确定中央轴线一起，针对每个偏移测量位置(即，针对每个采样位置x_i)来记录光源的(例如，LED的)驱动电流。一种用于确定零级光束的中央轴线的示例性方法是使用位于窗口内且在最小阈值水平以上的唯一数据来计算形心。这个阈值水平被设定为排除位于其以下的数据，并且因而从不期望的小角度衍射(504)中排除低水平信号。标称地，此阈值为窗口内相关联的峰值计数的最大值的50％并且对于本示例将是约100计数的水平。

在测量扫描阶段(即，例如在可选预扫描阶段之后)，在(LED)控制器中读取并且在其上设定针对此位置的LED或光源的驱动电流，由此将零级光束的光学功率设定为最优水平以便分析。预扫描阶段中所发现的光束的中央轴线的位置被读入，或另外计算，并且用来设定窗口的中心位置。因而，允许用于进行测量扫描的窗口浮动，并且这确保了零级光束的中心近似地以分析数据的窗口为中心。与使用固定窗口将获得的相比，这种浮动窗口方法允许更准确地确定零级光束的中心轴线。测量扫描的浮动窗口不需要与预扫描的固定窗口一样宽。

预扫描步骤的替代方案是使用关于偏转函数的一般形状的预先存在的了解来确定零级光束的预期位置。这可以是采用通过理论手段确定预期位置阵列的形式、或通过将预测曲线拟合至之前测量的点的预测曲线以便确定有待测量的下一点的预期位置。

因而，测量具有圆柱形表面的固结玻璃体(例如，通过OVD工艺制作的光学预制件)的折射率分布的方法的示例性实施例包括以下步骤：

I.利用光源提供指定波长内的光，并用这个光在玻璃体后面形成狭缝的图像；

II.利用可选的预扫描步骤，包括：(a)利用光源所提供的光通过光束对测试玻璃体或参考玻璃体的圆柱形表面进行预先扫描；(b)在至少一个检测器上形成狭缝的图像并在所述至少一个检测器上在固定窗口内分析(在对圆柱形表面的预先扫描的过程中获得的)数据，从而确定撞击在所述至少一个检测器上的零级未经衍射光束的可能位置，同时忽略其他衍射光束；(c)可选地，(在预扫描步骤过程中)调整光源的光学功率从而提高与固定窗口内的零级光束相对应的被检测功率的强度，以便提高分析零级光束的能力和信噪比；

III.基于光撞击在圆柱形表面上的入射位置(即采样位置x_i)以及零级光束撞击在检测器上的位置，预测零级光束穿过预制件的轨迹；

IV.扫描跨越玻璃体，同时使用零级光束的预测位置来设定浮动窗口的中心并将光学功率调整至与每个测量点(每个采样位置x_i)相对应的预定最优水平；

V.在每个采样位置x_i处确定出射零级光束在所述浮动窗口内的偏转角度；以及

VI.通过利用变换函数计算玻璃体的折射率分布，所述变换函数基于所述(零级)光束的测量的偏转角度函数来确定每个位置处的折射率。

因而，根据一些实施例，在每个采样位置x_i处动态地调整光源所提供的光学功率，例如以便通过零级光束来避免达到检测器饱同时保持零级光束的强度足够强，从而使得它可以被检测器检测到。例如，可以将检测器上的光强调整至200nW与200mW之间。

根据至少一些实施例，一种测量具有圆柱形表面的固结玻璃体的折射率分布的方法包括以下步骤：

a.使用从孔径发出的光(光束，在此还称为扫描光束)来扫描所述固结玻璃体的圆柱形表面，从而使得在所述固结玻璃体的下游在所述固结玻璃体与至少一个光学检测器之间形成所述孔径的图像，并且因而在分开距离Δx的多个采样或扫描位置x_i处利用扫描光束对圆柱形表面进行采样；

b.确定与所述采样位置中的每一个相对应的零级光束在穿过所述固结玻璃体之后撞击在光学检测器上的位置；

c.基于以下各项预测所述零级光束穿过所述固结玻璃体的轨迹：所述扫描光束撞击在所述固结玻璃体的所述圆柱形表面上的入射位置x_i(在此还被称为采样位置)以及相应的零级光束撞击在所述检测器上的位置；

d.确定与所述多个采样位置x_i相对应的所述出射零级光束的偏转角度θ(x_i)；以及

e.通过利用变换函数计算所述固结玻璃体的折射率分布，所述变换函数基于与一个采样位置x_i相对应的零级光束的偏转角度以及与之前的采样位置x_i相对应的零级光束的偏转角度θ(x_i)来确定在所述固结玻璃体内多个位置处的折射率。

根据一些实施例，例如，一种测量具有圆柱形表面的固结玻璃体的折射率分布的方法包括以下步骤：

a.用入射在具有宽度w’的被照亮孔径上的光束来扫描固结玻璃体的圆柱形表面，从而使得在光学预制件的后面形成所述孔径的图像，其中，所述孔径的图像宽度为w，跨预制件测量采样间隔为Δx，其中，光束在多个入射位置(采样位置)x_i处跨圆柱形表面扫描，其中，x_i＝x_i-1+Δx且Δx≤w；

b.对于所述扫描的每个采样位置x_i，基于(光束的)光撞击在预制件的圆柱形表面上的入射位置以及预期零级光束撞击在光学检测器上的位置来预测零级光束穿过预制件的轨迹；

c.检测出射零级光束撞击在检测器上的位置，优选地，从分析中丢弃可以由检测器针对每个采样位置检测到的任何较高级衍射光束；

d.确定与所述扫描的每个采样位置x_i相对应的出射零级光束的偏转角度；以及

e.通过利用变换函数来计算所述预制件的折射率分布，所述变换函数基于与每个采样位置x_i相对应以及与同x_i相邻但在距离上离所述预制件的中心更远的所有所测量位置相对应的光束的偏转角度来确定此每个采样位置处的折射率。

根据一些实施例，例如，一种测量具有圆柱形表面的光学预制件的折射率分布的方法包括以下步骤：

a.扫描具有被照亮狭缝的光学预制件的圆柱形表面，从而使得在光学预制件的后面形成所述狭缝的图像，其中，所述狭缝的图像尺寸为w，并且跨预制件的测量采样间隔为Δx，并且Δx<w；

b.对于所述扫描的每个采样位置x_i＝x_i-1+Δx，基于(光束的)光撞击在预制件的圆柱形表面上的入射位置以及预期零级光束撞击在至少一个检测器上的位置来预测零级光束穿过预制件的轨迹；

c.检测出射零级光束撞击在所述至少一个检测器上的位置，从分析结果中丢弃可以由所述至少一个检测器针对每个采样位置检测到的任何较高级衍射光束；

d.确定与所述扫描的每个采样位置x_i相对应的出射零级光束的偏转角度；

e.通过利用变换函数来计算所述预制件的折射率分布，所述变换函数基于与每个采样位置x_i以及与x_i相邻但在离所述预制件的距离上更大的所有被测量的位置相对应的零级光束偏转角度确定每个采样位置x_i处的折射率。

根据示例性实施例，所述扫描的(多个)步长Δx(距离Δx)一般被保持在狭缝图像的最小宽度的1/2与1/8之间。这样做是为了避免跨预制件的欠采样，同时避免过多的测量时间和增加的开支。

在一些实施例中，变换函数是阿贝耳(Abel)变换式。

采样位置的数量i可以是例如500<i<2000。例如，在一些实施例中，800<i<1500。

在一些实施例中，扫描是借助具有宽度w的狭缝图像、以及采样间隔Δx进行的，从而使得，w/8≤Δx≤w/2。在一些实施例中，狭缝长度在100μm与25mm之间并且具有从50μm至200μm的宽度w、以及采样间隔Δx，从而使得w/8≤Δx≤w/2。

在一些实施例中，狭缝是100μm至25mm长并且具有沿着预制件的轴线z的方向变化的(改变的)宽度w’(z)。即，狭缝具有锥形宽度，所述锥形宽度例如从约50μm至约200μm变化的宽度并形成具有宽度w(z)的图像。为了避免对扫描的数据的欠采样，采样间隔Δx为使得：最小狭缝宽度的1/8≤Δx≤最小狭缝宽度的1/2。如上所述，例如，狭缝的图像宽度w可以是50μm<w<200μm，且Δx<w/2。

根据一些实施例，利用与图2A和图2B中所示类似的光学系统(100)，但不跨固结预制件的表面扫描光束。因而，本实施例不利用使光束和固结光学预制件相对于彼此移动的移动阶段。相反，狭缝的长度被选择为使得：它允许传播通过其长度的光束同时覆盖光学预制件的整个宽度。根据本实施例，一种测量具有圆柱形表面的光学预制件的折射率分布的方法包括以下步骤：

a.可选地将取向为到所述预制件的轴线10°与80°之间角度的被照亮狭缝的图像投影穿过所述光学预制件的圆柱形表面，从而使得在所述光学预制件的后面形成所述狭缝的图像，其中，所述狭缝足够长，从而使得传播穿过狭缝的光跨越整个预制件的宽度；

b.在所述光学预制件后面已经形成所述被照亮狭缝的所述图像处检测所述被照亮狭缝的所述图像；

c.使用合适的软件对狭缝的图像进行分段，并独立地分析每个区段；

d.对达到检测器的狭缝的图像进行处理，以便确定零级光束的位置(并且优选地从分析中丢弃以下各项：(i)(多个)检测器上的狭缝图像中可能存在的任何较高级衍射光束和/或(ii)(多个)检测器上的狭缝图像中可能存在的小角度衍射光束)；

e.确定与所述所检测到的图像中的(与图像的每个区段相对应的)每个采样位置x_i相对应的零级光束的偏转角度

f.通过利用变换函数来计算所述预制件的折射率分布，所述变换函数基于离开所述光学预制件的所述零级光束的所述偏转角度来确定折射率。(例如，通过利用变换函数来计算所述预制件的折射率分布，所述变换函数基于与图像的每个区段相对应的离开所述光学预制件的零级光束的偏转角度来确定折射率)。

例如，根据一些实施例，对狭缝(406′)进行转动以使得光束以约45°角度拦截光纤预制件，这使得能够在不同径向位置处捕捉光束偏转信息，而不需要扫描阶段。角度取向是对狭缝长度、取向角度、和图像放大的优化。这个角度取向允许在没有扫描阶段的情况下针对整个预制件捕捉偏转函数。角度取向的进一步增强可以包括例如增加强度掩膜(例如，具有可变衰减的中性密度滤波器)以平衡跨图像的强度和锐度。

如上文所讨论的，条纹导致传播通过预制件的光束的衍射。如果条纹的周期性(或条件之间的间隔)为d，并且测量波长为λ(即，传播通过预制件的光束的波长)，则通过下面的等式4来描述光束的1级衍射角度φ(预制件内部)：

例如，已经通过OVD工艺生产的预制件在径向位置r/a＝1/2处可以具有约14.1μm的标称条纹间隔d(或周期性d)。如果可见或近红外(NIR)波长光束(0.9μm<λ<2μm)穿过这种光学预制件，来自这些条纹的一级衍射角度较小(例如，3.7°<φ<8.2°)。如果在常规远场测量配置系统中用NIR光束来测量这种预制件，则扩展的衍射光束可以在检测器处于扩展的零级未经衍射光束重叠，从而使得对零级光束的衍射角度的测量不准确。

小角度衍射是在未经衍射光束附近或相邻处发生的衍射，处于比一级衍射的衍射角度更小的衍射角度，例如相对于未经衍射光束处于<3°(并且通常是低于2°、或低于1°的角度)。随着条纹周期性或间隔d减小，小角度衍射的衍射角度将同样增大，从而进一步减小零级光束与小角度衍射所产生的衍射光束的重叠。因而，减小条纹周期性或使得间隔d更小可以有利地提高测量的零级光束偏转角度函数的准确性以及因此通过测量获得的折射率分布。

解决这个问题的一种策略是增大衍射光束的角度分散，从而使能通过使用更长波长中红外(中IR)光束(例如处于3.4μm的波长)更好地检测未经衍射零级光束。如果光束的波长是3.4μm，则利用此中IR波长将一级衍射角度增大至例如14.0°，此角度足以将未经衍射零级光束与检测器处的衍射光束分开。这使得更容易通过使用分析或物理技术(如开窗口)排除其对零级光束的中央轴线的偏转角度的确定的影响。这进而使得可以贯穿整个扫描准确地仅追踪零级光束的偏转角度。

提供对这个问题的解决方案的另一种策略是利用可见或近IR光源，当圆柱形玻璃体比如固结光学预制件具有条纹间隔d<12μm(例如d<12μm)。也就是，为了准确地追踪零级光束的中央轴线的偏转角度，光学预制件可以被制作成具有较小条纹间隔(即，更多但更薄的通道)并且然后通过利用可见或近IR光源的光学系统(100)对其进行测量。沉积烟灰和测量光学预制件的折射率的两种活动是互相相关的，因为沉积方法可能会不利地影响准确测量预制件的能力，并且测量系统必须被设计成用于准确地测量正生产的预制件的类型。改变烟灰沉积工艺或测量系统设计或两者可以引起更低成本地生产具有提高性能的光纤。降低沉积至预制件上的烟灰的轮次厚度导致条纹d(或条纹间隔d)的周期性的减小。减小条纹间隔d(或条纹周期性距离d)是另一种增大一级衍射角度的方式，由此减弱条纹的衍射效应。减小轮次厚度具有的额外好处在于：这还改善了对拉伸光纤中折射率分布的平均平滑度。然而，减小轮次厚度意味着总轮次数同样将增大，以便制作同样尺寸预制件。我们发现，当条纹间隔d(以及因此固结预制件内的玻璃层厚度)满足d<12μm(例如2μm≤d≤12μm)，并且最优选地d<10μm，例如当3μm≤d≤10μm、或4μm≤d≤10μm时，当对具有波长λ<2μm(例如λ<1μm)的光束进行折射率测量时，有利地提供了最准确的结果。在预制件内半径位置r处或附近测量这个条纹间隔，其中，r位于1/3≤r/a≤2/3中，例如r/a＝1/2处，并且a是预制件的外半径。

(多个)较高衍射级内的光功率P幅度是轮次厚度的函数，所述轮次厚度直接对应于条纹周期性d、条纹折射率扰动幅度δn、和波长λ,，具体地：

因此，通过以下各项可以减小预制件测量中的衍射效应：1)减小折射率扰动(δn)，2)减小轮次厚度(因而减小条纹间隔d)，3)增大光束的光波长(λ)，或4)这三种因素的组合。在我们分析的过程中，当我们比较使用通过OVD工艺制作的具有不同轮次厚度的光学预制件的方法时，固结玻璃预制件的折射率扰动δn保持恒定(只有经过每轮次沉积的材料的净容量变化(减少))。允许轮次厚度减小(即，预制件沉积过程中与每轮次相关联的玻璃层厚度n减小)，引起更小的条纹间隔d。

例如，我们进行对两个示例性固结玻璃预制件的折射率测量，均用中IR光束(3.28μm)和近IR光束(0.94μm)。这两个示例性预制件是用OVD工艺制作的。它们是：1)固结之后具有14.1μm平均轮次厚度的预制件(厚轮次玻璃沉积工艺，层厚度＝14.1μm，或条纹间隔d＝14.1μm)，以及2)固结之后具有6.7μm平均轮次厚度的预制件(薄轮次工艺，条纹间隔d＝6.7μm)。因而，在这些示例性实施例中，这些光学预制件的平均条纹间隔d(在此还称为条纹周期性、或条纹间距)分别为14.1和6.7μm。(通常，除非另外指明，在本文所述的实施例中，在固结预制件的半径r/a＝1/2位置处取(在玻璃被固结之后)平均轮次厚度的标称值、或条纹间隔d，其中，a是预制件的外半径)。要注意的是，对应于条纹间隔的值d跨预制件的直径缓慢地变化。

我们发现，当光学预制件或圆柱状固结玻璃体正在被光束扫描时(当正在确定其折射率分布时)，条纹间隔d的减小显著地且有利地导致横跨受测量的预制件的(多个)光束的衍射角度增大，这使得更容易进行准确的折射率测量，因为一级和较高级衍射光束从零级光束良好地偏移。见例如表1，示例A和B(λ＝3.39μm)，所述表示出了当值d减小时从13.9°增大至30.5°的一级衍射角度，这意味着一级和较高级衍射光束被更好地与相机图像中的零级光束分开。表1还描绘了当测量使用厚轮次和薄轮次烟灰沉积工艺制作的预制件时针对测量系统波长λ＝0.940μm(情况示例C和D)的相对衍射光学功率和计算的一级衍射角度。表1(示例C和D)示出了当值d从14.1μm减小至6.7μm时从3.8°增大至8.1°的一级衍射角度，这意味着一级和较高级衍射光束被更好地与跨整个扫描范围的零级光束分开。在下面的表1中，条纹间距d对应于r/a＝1/2，并且折射率扰动δn对所有的情况都相同，并且它为了方便而被简单地归一化至值1。

表1

另外，零级光束对通过较薄轮次工艺制作的预制件的衍射损失的相对功率P降低，与针对通过较厚轮次工艺制作的预制件损失的功率P相反(例如，在测量波长λ＝3.39μm，达到在示例BVS示例A中23％)。因而，轮次厚度(层厚度、或条纹周期性d达到12μm或更少，并且更优选地达到10μm或更少)的降低改善了准确地测量零级光束偏转角度函数的能力以及因此通过测量获得的折射率分布，因为更多的光学功率被聚集至零级光束中。

通过比较针对示例厚轮次(预制件固结玻璃层厚度14.1μm，或d＝14.1μm，图3A)和示例薄轮次预制件(固结玻璃层厚度6.7μm，d＝6.7μm，图3B)的来自检测器的积分光强数据(如在跨预制件的扫描光束的每个偏移位置x_i处测量的)展示这种改善。这些扫描都是使用中IR预制件测量系统获得的，与图2A中所示的类似。

更具体地，使用被设计成在3.39μm的中IR光束波长处运行的折射率测量系统，图3A展示了由积分强度分布组成的等值线图，所述积分强度分布来自对被制作成具有较厚轮次(d＝14.1μm)和具有较薄轮次(d＝6.7μm)的预制件的扫描的每个偏移位置处的相机图像。如从图3A所见，零级光束302占据扫描的中央区域并且对应于具有14.1μm厚轮次层的预制件。图3B展示了零级光束303，所述零级光束同样占据扫描的中央区域，并且对应于具有d＝6.7μm的预制件。图3A展示了小角度衍射光束(304)重叠和/或位于靠近零级(未经衍射)光束。例如，小角度(304)衍射被观察到与零级光束重叠。图3A和图3B中的竖直虚线对应于以下位置之一：难以清楚地分辨未经衍射或零级光束的位置与在确定的折射率分布中可能发生误差的位置。

图3C展示了离预制件的轴线特定偏移x_i处(靠近半径r＝1/3a取的，并用跨检测器像素的积分计数表达)的、当撞击在检测器上时的扫描激光束的积分光强分布，对应于图3A和图3B的虚线。图3A和图3B中的竖直虚线指示图3C中所示积分计数(积分强度)截面的位置。

图3C的虚线对应于具有厚轮次层(d＝14.1μm)的预制件，并且实线对应于具有较薄轮次层(d＝6.7μm)的预制件。图3C还展示了当传播通过具有较薄玻璃层的预制件(即，通过被制作成具有较小轮次厚度(或层宽度)的预制件)时更容易观察或检测到零级(未经衍射)光束，所述零级光束与传播通过具有较厚玻璃层的预制件(即，通过被制作成具有较大轮次厚度、具有较大周期性d的预制件)的零级光束相比具有更小的条纹周期性(或间隔d)。然而，此图还展示了，在具有较厚轮次厚度(例如，d>14μm，并且甚至d>12μm)的预制件中，当使用中IR光和检测器时，零级光束302可以与小角度衍射光束304重叠并且会难以分辨(即，难以检测)。这是折射率测量的有问题区域的示例，其中，光由于小角度304衍射而被观察到与零级光束强烈地重叠，所述零级光束在图3A的实施例中位于预制件的接近r/a＝1/3的径向位置。(注意，a是固结玻璃预制件的最外层半径。)

更具体地，图3C展示了与图3A和图3B中的虚线位置相对应的检测器上的信号的测量幅度，这对应于厚轮次预制件的衍射问题最糟糕处半径r＝1/3a附近传播的光束。为了提高零级光束的检测准确度，我们利用了50％水平强度计算滤波器来从分析结果(点虚线)丢弃低水平衍射。也就是，在本示例性实施例中，在确定零级光束的轴线或位置之前，在50％的阈值水平(点虚线)以下的所有数据被从分析结果丢弃。图3A还展示了，在具有较厚轮次层(d＝14.1μm)的预制件的本实施例中，大角度衍射306较强，但几乎没有关系，因为它不与零级光束重叠。图3A、图3B和图3C展示了与零级光束重叠的小角度衍射对于厚轮次预制件与薄轮次预制件相比更强。厚轮次预制件中的小角度衍射会导致在对厚轮次预制件进行测量时确定每个点处的零级光束的偏转角度的更大误差。相比之下，薄轮次偏转曲线更窄，其中，小角度衍射光束与零级光束之间的衍射重叠弱得多。这进而导致确定零级光束的偏转角度时的更小误差。轮次厚度的减小(层厚度的减小)所引起的这种改进直接提高了从偏转函数计算的被测量折射率分布的准确度。

与图3A、图3B和图3C相对应的测量是使用中IR光束(3.39μm)和中IR光学检测器进行的。然而，中IR光学检测器本质上是热学检测器，因而测量IR光束的中央轴线的精确度对外界环境稳定性非常敏感。甚至温度的轻微变化都会影响测量准确度，这消极地影响被测量的折射率分布的准确度。热学检测器比NIR和可见光学检测器固有地更加电子嘈杂。这些现象可能进一步限制准确地确定检测器处的零级光束偏转角度的能力。而且，高度相干光源所提供的中IR光束中存在的斑点进一步限制了位置检测敏感性。一般地，中IR激光器比如中IR HeNe激光器具有几米的相干长度。我们发现，使用低相干光束是优选的。此类低相干光束可以例如由激光二极管、LED、或广谱灯提供；激光二极管的相干长度约为1cm，LED约为100微米，并且广谱灯为几微米。广谱灯可以结合带通滤波器使用，从而降低光束的光谱宽度。

因而，我们意识到，如果可以用低噪声硅、或InGaAs、或基于Ge的检测器替换中IR测量系统检测器并且如果可以用低相干NIR(近IR)或可见光源(比如像LED或经带通滤波的广谱灯)替换高度相干光源，会是有利的。

当我们利用具有<1μm的NIR波长的光束结合基于硅的检测器进行预制件的折射率测量时，我们发现，由于对厚轮次预制件(d>12μm)的衍射而造成的光学功率量将大于使用中IR系统时衍射造成的功率损失。例如，当我们利用具有0.94μm的NIR波长的光束结合基于硅的检测器进行对预制件的折射率测量时，我们发现，针对厚轮次预制件从零级光束衍射的光学功率量大约大于使用具有3.39μm波长λ的中IR系统时的(表1，情况A和C)13倍。另外，一级衍射角度从13.9°降低至3.8°，并且衍射角度由于小角度衍射而同样减小。

相反，对薄轮次预制件(d<10μm)的NIR测量将具有比使用具有3.39μm的光束波长的中IR系统时的归一化衍射功率大仅2.94倍的归一化衍射功率，并且一级衍射角度为8.1°(表1，情况B和D)。这表明，用近IR或用可见波长光束测量薄轮次预制件是有利的，但当使用<1μm的波长时测量厚轮次预制件(d>12μm)会非常困难，并且将中IR波长用于与图2A中所示相似的光学系统对于此类较厚轮次预制件会是优选的。

图4A展示了当折射率测量系统的近IR(NIR)光束处于使用近IR测量系统将不良地分辨零级光束的衍射的扫描位置时撞击在相机上的光强。更具体地，图4A展示了当扫描光束处于零级光束(502)的偏转被良好分辨的扫描位置，并且扫描光束的波长λ＝0.94μm且检测器运行于近IR波长时撞击在相机(竖直像素1至200)上的光强。在本实施例中，预制件的条纹间隔d是6.7μm(即，薄轮次预制件，6.7μm的条纹周期性)。零级光束(502)、小角度衍射(504)和大角度衍射(506)被检测为直线。使用狭缝具有另一优点，因为其图像跨越相机的整个高度。因此，通过沿着与狭缝图像的大长度平行的图像的轴线进行积分，可以对大量像素取平均，并且这提高了积分计数中的信噪比(图4B)。

更具体地，图4A和图4B展示了当使用NIR光的测量系统(100)处于当我们使用中IR测量系统时零级光束的偏转被不良地分辨的同一扫描位置时撞击在相机上的光强。相反，使用NIR测量系统对其进行良好地分辨(同一扫描位置)。图4A和图4B还示出了，在本实施例中，与小角度衍射504、和一级衍射506相关联的光束被与零级光束(502)良好地分开。

图4B展示了被沿着竖直像素轴线方向(平行于狭缝图像的长轴并平行于预制件的轴线)积分以形成积分强度分布之后的、来自图4A的相机图像数据。

图5A示出了当测量系统仅采用单个检测器或相机420时使用实施例的NIR测量系统测量厚轮次预制件(d＝14.1μm)的结果。更具体地，图5A是由在使用被设计成运行于0.940μm的NIR波长的示例性系统对厚轮次预制件的扫描中每个偏移或采样位置x_i(在本实施例中，1<i≤1100)处的积分强度分布(被表达为随着检测器上的位置而变的数字积分计数)组成的等值线图。

图5B比较了检测器的积分强度，如在近似r/a＝1/2的位置使用NIR系统(实线曲线)中的0.94μm光源以及中IR系统(虚线曲线)中的3.39μm光源针对厚轮次预制件(例如，d＝14.1μm)在同一径向位置测量的。当用NIR系统测量时，对零级光束(602)的追踪几乎丢失，因为向小角度(604)和大角度衍射(606)的大量光学功率损失。这一点处的积分强度数据(图5B)表明，零级光束(602)中的功率与小角度衍射(604)在同一水平上，并且这在确定偏转角度以及因此折射率分布时产生较大误差。与当用中IR系统进行测量时获得的数据对比显示较小的衍射光学功率，并且零级光束(302)的位置更容易确定。因此，中IR系统会比NIR系统更适用于测量厚轮次预制件(d>12μm)的折射率分布。

图6A展示了将NIR测量系统用于薄轮次预制件(固结玻璃层厚度d<10μm，对应于条纹间隔d<10μm，例如在本实施例中d＝6.7μm)所获得的数据。图6B展示了在位置r/a＝2/3处使用中IR测量系统(虚线)和NIR测量系统(实线)针对薄轮次预制件的、检测器上的积分强度数据。

更确切地，图6A示出了使用本发明的本实施例的NIR方法测量薄轮次预制件(在本实施例中，6.7μm厚玻璃层)的结果。图6A展示了零级光束(702)被良好地界定。小角度衍射(704)处于低水平，并且虽然大角度衍射(706)较大，通过开窗口技术轻易地将其从分析结果丢弃，并且准确地测量零级光束。衍射最糟糕的位置(r/a＝2/3)处的积分强度分布(图6B)表明，使用在此所述的(多个)实施例，零级光束(702)、小角度衍射(704)和大角度衍射(706)被与零级光束良好地分辨并良好地分开。用如使用中IR系统(虚线曲线)测量的针对薄轮次预制件(层厚度<12μm，优选地<10μm(d<12μm，优选地d<10μm))获得的数据进行比较，并且所述比较表明了与中IR系统中测量的零级光束(303)相比NIR测量系统(实线曲线)的小角度衍射与零级光束(702)的间隔增加。

由于衍射效应和以比例d/λ衍射成较高级规模的功率的衍射效应，当条纹周期性更小时，本方法将工作于更短的波长。例如，在运行于600nm波长的测量系统中，当这种系统被用来以约4至5μm的条纹周期性测量预制件时将是有利的。例如，运行于波长400nm的测量系统在用于约2至4μm(例如，2.5μm、2.9μm、3μm、或3.5μm)的条纹周期性时将是有利的。由于狭缝的边缘衍射效应随着波长缩放，在测量时可以减小狭缝宽度w’并且可以获得更高的空间分辨率。例如，固结光学预制件可以包括掺杂有氧化锗的二氧化硅，并且可以具有条纹，其中，在预制件的径向位置r处或附近，条纹间距是1μm≤d≤10μm，其中，r/a＝1/2，并且a是预制件的外半径。

图7展示了使用中IR测量系统(顶部)和NIR测量系统(底部)针对薄轮次工艺(d＝6.7μm)获得的零级光束轴线偏转角度。更具体地，此图展示了NIR测量系统提供了更准确的光束偏转角度测量(更平滑的曲线)，同时中IR测量具有更大的可变性并因而不太平滑，并且因此不太准确。更具体地，图7示出了当光束仅穿过二氧化硅单元(802)、穿过二氧化硅单元和折射率匹配油(804)、以及通过二氧化硅单元时被测量的偏转角度函数，折射率匹配油和薄轮次预制件(806)(层厚度＝6.7μm)是针对本发明的中IR系统(顶部迹线)和NIR系统(底部迹线)两者的。当穿过预制件时确定零级偏转角度的误差最明显，在于两幅图的中央区域的可变性。由此可见，具有更少可变性的NIR测量系统将引起对扫描中的零级偏转角度的更准确确定以及相应地对预制件的真实折射率分布的更准确的确定。

对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下可以进行各种修改和变化。由于本领域技术人员可能发生结合本发明的精神和实质对所披露实施例加以修改组合、产生子组合和变体，所以本发明应当解释为包括在所附权利要求及其等效物的范围之内的每一事项。

Claims (20)

1.一种测量具有圆柱形表面的固结玻璃体的折射率分布的方法，所述方法包括以下步骤：

a.使用从孔径发出的光束扫描所述固结玻璃体的所述圆柱形表面，使得在所述固结玻璃体下游在所述固结玻璃体与至少一个光学检测器之间形成所述孔径的图像，并且在多个采样位置x_i处用所述光束对所述圆柱形表面进行采样；

b.检测与所述采样位置x_i相对应的零级光束在穿过所述固结玻璃体之后撞击在至少一个光学检测器上的位置；

c.确定与所述多个采样位置x_i相对应的所述零级光束的偏转角度；

d.基于与所述多个采样位置相对应的所述零级光束的所述偏转角度，计算所述固结玻璃体的折射率分布。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

基于以下各项预测所述零级光束穿过所述固结玻璃体的轨迹：(i)所述光束撞击在所述固结玻璃体的所述圆柱形表面上的所述采样位置x_i；以及(ii)相应的零级光束撞击在所述至少一个光学检测器上的位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过利用变换函数来执行所述计算所述固结玻璃体的折射率分布的步骤，所述变换函数基于与一个采样位置x_i相对应的所述零级光束的偏转角度以及与之前的采样位置相对应的零级光束的偏转角度确定在所述固结玻璃体内多个位置处的折射率。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述孔径的所述图像具有宽度w，其中，跨固结玻璃体的所述圆柱形表面的测量采样间隔Δx小于或等于w；以及

对于所述扫描的每个采样位置x_i，其中，x_i=x_i-1+Δx，基于所述光束撞击在所述圆柱形表面上的采样位置x_i以及预期所述零级光束撞击在所述至少一个光学检测器上的位置来预测所述零级光束穿过所述固结玻璃体的轨迹；以及

从最终分析中丢弃由所述检测器所检测到的较高级衍射光束的数据。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述孔径的所述图像具有宽度w，其中，跨固结玻璃体的所述圆柱形表面的测量采样间隔Δx小于或等于w；以及

对于所述扫描的每个采样位置x_i，其中，x_i=x_i-1+Δx，基于所述光束撞击在所述圆柱形表面上的所述采样位置x_i以及预期所述零级光束撞击在所述至少一个光学检测器上的位置来预测所述零级光束穿过所述固结玻璃体的轨迹；以及

从最终分析中丢弃由所述检测器所检测到的小角度衍射光束的数据。

6.一种测量具有圆柱形表面的光纤预制件的折射率分布的方法，所述方法包括以下步骤：

a.通过具有被照亮狭缝的被分开距离Δx以使得x_i=x_i-1+Δx的多个采样位置x_i来扫描所述光纤预制件的所述圆柱形表面，从而使得在所述光学预制件的后面形成所述狭缝的图像，其中，所述狭缝的所述图像具有宽度w，并且Δx<w；

b.对于每个采样位置x_i=x_i-1+Δx，基于所述光束撞击在所述光学预制件的所述圆柱形表面上的所述采样位置x_i以及预期所述零级光束撞击在至少一个光学检测器上的位置来预测所述零级光束穿过所述预制件的轨迹；

c.检测与采样位置x_i相对应的出射零级光束撞击在至少一个光学检测器上的位置，并且丢弃关于由所述至少一个光学检测器针对每个采样位置x_i所检测到的较高级衍射光束和小角度衍射光束的数据；

d.确定与所述扫描的每个采样位置x_i相对应的出射零级光束的偏转角度；

e.通过利用变换函数来计算所述预制件的折射率分布，所述变换函数基于与每个采样位置x_i相对应以及与同x_i相邻但在距离上离所述预制件的中心更远的其他所扫描采样位置相对应的光束的偏转角度来确定所述每个采样位置处的折射率。

7.一种测量具有中心轴线以及圆柱形表面的光学预制件的折射率分布的方法，所述方法包括以下步骤：

a.任选地将取向为到所述预制件的轴线10°与80°之间角度的被照亮狭缝的图像投影穿过所述光学预制件的圆柱形表面，从而使得在所述光学预制件的后面形成所述狭缝的图像；

b.在所述光学预制件后面已经形成所述被照亮狭缝的所述图像处检测所述被照亮狭缝的所述图像。

c.所述狭缝被配置成使得所述被照亮狭缝被投影穿过所述光学预制件的整个宽度；

d.对所检测到的图像进行处理，从而跨所述光学预制件的整个宽度确定零级光束的位置；

e.确定与所检测到的图像中的每个采样位置x_i相对应的所述零级光束的偏转角度

f.通过利用变换函数来计算所述预制件的折射率分布，所述变换函数基于离开所述光学预制件的所述零级光束的所述偏转角度来确定折射率。

8.如权利要求3、5、6或7所述的方法，其中，所述变换函数是阿贝耳变换式。

9.如权利要求1至6所述的方法，其中，所述扫描是借助具有宽度w的狭缝图像、以及采样间隔Δx进行的，其中，w/8≤Δx≤w/2。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述扫描是借助100μm至25mm长且具有50μm与200μm之间宽度w’的狭缝进行的。

11.如权利要求1至5所述的方法，其中：(a)所述孔径长度在100μm与25mm之间并且沿着所述预制件的轴线z的方向具有锥形宽度w’(z)，并且50μm≤w’≤200μm，并且所述孔径的所述图像具有宽度w(z)，并且(b)所述多个采样位置x_i之间的采样间距Δx为使得：

(1/8最小孔径宽度)≤Δx≤(1/2最小孔径宽度)。

12.如权利要求1至5所述的方法，其中，所述孔径的所述图像具有50μm<w<200μm的宽度w，并且连续采样位置x_i被分开距离Δx，其中，Δx<w/2。

13.如权利要求1至5、或12所述的方法，其中，在每个采样位置x_i处动态地调整光源所提供的光功率。

14.如权利要求11所述的方法，其中，在每个采样位置x_i处动态地调整光源所提供的光功率。

15.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个光学检测器是基于硅的检测器或NIR检测器。

16.如权利要求1所述的方法，其中，光源在具有波长λ的近红外（NIR）或可见光中运行，所述波长为0.4μm≤λ≤2μm，具有低相干性，其中，相干长度0.001mm≤l≤10cm。

17.如权利要求1所述的方法，包括：利用两个光学检测器来检测所述零级光束的位置，所述两个光学检测器被定位成使得它们的物平面与形成所述孔径的所述图像的平面相邻。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述两个光学检测器的所述物平面被定位成与孔径图像表面偏移0mm至5mm，并且不在同一位置。

19.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述预制件是固结玻璃预制件，所述固结玻璃预制件具有从1μm至15μm的条纹间距，在所述预制件内的径向位置r处或与其相邻，其中，1/3≤r/a≤2/3且a是所述预制件的外半径。

20.如权利要求1、4、5、6、7或19所述的方法，其中，所述预制件包括掺杂有Ge的二氧化硅。