CN108872154B - 无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置和方法，装置包括：由连续激光器、光束准直器、调频器、起偏器、相位延迟器、分光片、光纤耦合器、机械夹持装置、圆柱形暗箱、电动位移台、第一光电探测器、第二光电探测器、第一锁相放大器、第二锁相放大器、A/D数据采集卡和计算机。本发明可以测量沿光纤长度方向的截面内激光散射的角分辨强度分布，还可以得到沿光纤长度方向散射分布。本发明还可以通过调节激光偏振方向，获得不同偏振态激光对光纤散射的影响规律。本发明不但适用于单晶光纤，也可用于普通光纤。该装置和方法适用于所有波长的激光，可以为光纤激光散射损耗测量提供实验平台。

Description

无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置和方法
技术领域
本发明涉及光纤损耗测试领域，特别是一种测量无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置和方法。
背景技术
光纤是一种重要的光传导器件，光在光纤中的传导损耗远低于电在电缆中的传导损耗，因而成为重要的长距离光信号传输载体，常规通讯波段用的石英光纤损耗已低于0.2dB/km。然而，随着光纤应用波段和光纤材质的变化，光纤的光学损耗，尤其是散射损耗仍然是影响光纤应用的关键瓶颈问题。采用合理的损耗测量技术和方法评价光纤，寻求影响光纤光学损耗的关键因素，并加以控制是改进光纤性能，满足应用需求的核心关键技术。
目前光纤的光学损耗测量一般采用切断法和背向散射法。切断法是首先测量光纤输出端的光强(I2)，然后在输入端切下一小段光纤，测量这一小段光纤的输出光强作为整根光纤的输入光强(I1)，整根光纤的总光学损耗A＝10lg(I1/I2)。背向散射法是利用光时域反射仪测量沿光纤长度方向衰减变化，从而得出光纤损耗的长度分辨特性。这两种方法测量得到的是光纤的总光学损耗，包含吸收损耗和散射损耗。
光纤的吸收损耗由光纤材料和其中的杂质元素引起，而散射损耗则由光纤材料组份中原子密度微起伏或光纤波导结构缺陷等使光功率泄露出纤芯外所造成的损耗。前者主要由光纤材料特性决定，可以通过测量拉制光纤预制棒的光吸收系数获得；而后者则主要与光纤制造工艺相关，必须对成型的光纤进行测量表征。
董绵豫等人发明的单晶光纤损耗测量仪可以对2-40cm短光纤的总散射进行测量，A.Harrington也报道了采用积分球测量一段光纤总散射损耗的方法(CRAIG D.NIE,SUBHABRATA BERA,AND JAMES A.HARRINGTON,Growth of single-crystal YAG fiberoptics[J],Optics Express,24(14),2016:15522)。这些方法都是针对光纤中某一段的总散射进行测量，而尚无对光纤散射的空间分布角分辨进行测量的装置与方法。而散射光的空间分布特性与光纤中结构性缺陷特性密切相关，是反演结构性缺陷特征的重要手段。
发明内容
基于上述已有测量装置和方法的不足，本发明的目的是提供一种无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置和测量方法，解决光纤散射空间分布角分辨测量的问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置，特点在于其构成包括：连续激光器，沿该连续激光器输出光方向依次是光束准直器、调频器、起偏器、相位延迟器、分光片；所述的分光片将激光分成1:1两束光，分别为探测光束和参考光束；所述的探测光束经过光纤耦合器，被引导进入待测量光纤；所述的参考光束照射在第一光电探测器上；
所述的待测量光纤从圆柱形暗箱的两个平行端面的中心小孔穿过后被机械夹持装置水平固定，所述的待测量光纤的一段被圆柱形暗箱所包围；所述的圆柱形暗箱的圆柱面侧壁上装有位置固定的第二光电探测器，所述的第二光电探测器的光敏面的法线垂直于圆柱形暗箱的中轴线，且光敏面与所述的待测光纤之间的垂直距离比光敏面尺寸大一个数量级；所述的圆柱形暗箱安装在电动位移台上；
所述的调频器的电信号输出端分别与第一锁相放大器的第一输入端和第二锁相放大器的第一输入端相连；所述的第一光电探测器的输出端与所述的第一锁相放大器的第二输入端相连；所述的第二光电探测器的输出端与所述的第二锁相放大器的第二输入端相连；所述的第一锁相放大器和第二锁相放大器的输出端分别与A/D数据采集卡第一输入端和第二输入端相连；所述的A/D数据采集卡的输出端与计算机的输入端相连；所述的计算机的第一输出端与所述的相位延迟器的电信号输入端相连；所述的计算机的第二输出端与所述的电动位移台的输入端相连。
所述的连续激光器为待测量光纤应用波段内的波长的激光器。
所述的调频器为机械式斩波器、电光调频器或声光调频器。
所述的相位延迟器为可变相位延迟器。
所述的待测光纤为无包层的光纤，所有类型光纤材质均适用。
所述的圆柱形暗箱上的两个平行端面为可拆卸部件，可根据所述的待测光纤的芯径选择有对应小孔尺寸的端面装上；所述的圆柱形暗箱的圆柱面侧壁上刻有0°～360°刻度。
所述的电动位移台为XYZR轴组合位移台，带动所述的圆柱形暗箱和第二光电探测器平移或旋转时，不改变待测光纤的位置和状态。
利用上述的无包层光纤空间角分辨激光散射损耗测量装置对无包层光纤空间角分辨激光散射损耗测量的测量方法，其特点在于该测量方法的步骤如下：
1)根据待测光纤的芯径，选择带有合适小孔尺寸的两个平行端面组装成所述的圆柱形暗箱，小孔尺寸应使待测光纤恰好可以穿过，且使圆柱形暗箱漏光可忽略；将待测光纤从圆柱形暗箱两个平行端面的小孔中心穿过；使用机械夹持装置靠近光纤耦合器的前端固定所述的待测光纤；
2)开启连续激光器，调节光束准直器、光纤耦合器和机械夹持装置前端，使激光光束进入待测光纤；开启计算器电源；通过计算机驱动所述的电动位移台上下左右移动，使待测光纤位于圆柱形暗箱中轴线且与探测光束同轴，使用机械夹持装置后端将所述的待测光纤固定；
3)开启调频器，设定调制频率；开启第一光电探测器和第二光电探测器，开启第一锁相放大器和第二锁相放大器，第一锁相放大器和第二锁相放大器选择电压档位，测量电压数；开启相位延迟器电源，调节相位延迟器使光束偏振态达到设定需要；
4)设探测光束传播方向为Y轴方向，通过计算机驱动电动位移台沿Y轴移动到靠近机械夹持装置前端位置，记该位置为测量原点y＝0，将长度测量范围划为0～yN，在圆柱形暗箱圆柱面侧壁上选取一个角度，记该角度为角分辨测量原点θ＝0，令yn＝nΔy，θi＝iΔθ；
5)通过计算机读取并记录第一锁相放大器电压V14i(yn，θi)，读取并记录第二锁相放大器电压V15i(yn，θi)，
6)通过计算机驱动电动位移台的转动角度Δθ，θi＝(i+1)Δθ，当θi>360°时，进入下一步；
7)所述的计算机驱动电动位移台的移动距离Δy，yn＝(n+1)Δy，返回步骤5)，当yn>yN时，进入下一步；
8)利用下列公式计算空间角分辨散射率S：
S(yn，θi)＝V14i(yn，θi)/V15i(yn，θi)。
本发明与现有技术相比较具有以下有益技术效果：
1.本发明可以测量正交于光纤轴的散射光，从而得到角分辨的散射光分布，这是现有技术所不能实现的；通过对所有角度散射光的强度叠加，还可以获得现有技术可测量的光纤总散射。
2.本发明技术在适用条件方面，对激光波长范围和光纤材料材质没有特殊要求，具有普适性，比原有技术在波长范围和光纤材料限制方面具有优势。
3.本发明装置中的可变相位延迟器可以灵活调节测量激光的偏振特性，即可以是线偏振光、也可以是椭圆偏振光，可以测量不同偏振特性的激光在光纤中的散射特性。
附图说明
图1是本发明无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置示意图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是本发明无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置示意图，由图1可见，该装置构成包括连续激光器1，沿该连续激光器1输出光方向依次是光束准直器2、调频器3、起偏器4、相位延迟器5、分光片6；所述的分光片6将激光分成1:1两束光，分别为探测光束和参考光束；所述的探测光束经过光纤耦合器7，被引导进入待测量光纤8；所述的参考光束照射在第一光电探测器13上；所述的待测量光纤8从圆柱形暗箱9两个平行端面的中心小孔穿过后被机械夹持装置11水平固定，所述的待测量光纤8的一段被圆柱形暗箱9所包围；所述的圆柱形暗箱9的圆柱面侧壁上装有位置固定的第二光电探测器10，所述的第二光电探测器10的光敏面的法线垂直于圆柱形暗箱9的中轴线，且光敏面与所述的待测光纤8之间的垂直距离比光敏面尺寸大一个数量级；所述的圆柱形暗箱9安装在电动位移台12上；所述的调频器3的电信号输出端分别与第一锁相放大器14和第二锁相放大器15的第一输入端相连；所述的第一光电探测器13的输出端与第一锁相放大器14的第二输入端相连；所述的第二光电探测器10的输出端与第二锁相放大器15的第二输入端相连；所述的第一锁相放大器14和第二锁相放大器15的输出端分别与A/D数据采集卡16第一输入端和第二输入端相连；所述的A/D数据采集卡16的输出端与计算机17的输入端相连；所述的计算机17的第一输出端与所述的相位延迟器5的电信号输入端相连；所述的计算机17的第二输出端与电动位移台12的输入端相连
所述的连续激光器1为Thorlabs公司的HNL100R激光器，可输出波长632.8nm，功率10mW，发散角1.2mrad，光束口径0.68mm。
所述的光束准直器2为Thorlabs公司的扩束镜头BE02-05-A，将光束扩大5倍，光束发散角降低为～0.24mrad，光束接近平行光。
所述的调频器3为斯坦福公司的SR540机械斩波器，调制频率范围4Hz～3.7KHz。
所述的起偏器4为入射角为56.4°的平板偏振膜元件，元件尺寸为Φ50mm×3mm，中心波长为632.8nm，消光比>100:1。
所述的相位延迟器5为Thorlabs公司的Φ10mm多波液晶延迟器，镀有350-700nm增透膜。
所述的分光片6为大恒新纪元科技股份有限公司的GCC-411102普通宽带分光平片，波长范围450nm-650nm，元件尺寸为Φ25.4mm，分光比为1:1。
所述的光纤耦合器7为Thorlabs公司的F810SMA-635-SMA准直器，NA＝0.25，f＝35.41mm。
所述的待测量光纤8为芯径为500μm的YAG单晶光纤，长度1m。
所述的圆柱形暗箱9包围光纤长度为20cm。
所述的第一光电探测器13和第二光电探测器10均为Thorlabs公司的PDA36A-EC。
所述的第一锁相放大器14和第二锁相放大器15均为斯坦福公司的SR830锁相放大器。
所述的A/D数据采集卡16为美国国家仪器公司(NI)的NI-PCI 6251。
本发明具体实施方法如下：
1)根据YAG单晶光纤8的芯径，选择带有合适小孔尺寸的两个平行端面组装成所述的圆柱形暗箱9，小孔尺寸应使YAG单晶光纤8恰好可以穿过，且使圆柱形暗箱9漏光可忽略；将YAG单晶光纤8从圆柱形暗箱9两个平行端面的小孔中心穿过；使用机械夹持装置11靠近光纤耦合器7的前端固定所述的YAG单晶光纤8；
2)开启连续激光器1，调节光束准直器2、光纤耦合器7和机械夹持装置11前端，使激光光束进入YAG单晶光纤8；开启计算器17电源；通过计算机17驱动所述的电动位移台12上下左右移动，使YAG单晶光纤8位于圆柱形暗箱9中轴线且与探测光束同轴，使用机械夹持装置11后端将所述的YAG单晶光纤8固定；
3)开启调频器3，设定调制频率；开启第一光电探测器13和第二光电探测器10，开启第一锁相放大器14和第二锁相放大器15，第一锁相放大器14和第二锁相放大器15选择电压档位，测量电压数；开启相位延迟器5电源，调节相位延迟器5使光束偏振态达到设定需要；
4)设探测光束传播方向为Y轴方向，通过计算机17驱动电动位移台12沿Y轴移动到靠近机械夹持装置11前端位置，记该位置为测量原点y＝0，将长度测量范围划为0～yN，在圆柱形暗箱9圆柱面侧壁上选取一个角度，记该角度为角分辨测量原点θ＝0，令yn＝nΔy，θi＝iΔθ；
5)通过计算机17读取并记录第一锁相放大器14电压V14i(yn，θi)，读取并记录第二锁相放大器15电压V15i(yn，θi)，
6)通过计算机17驱动电动位移台(12)的转动角度Δθ，θi＝(i+1)Δθ，当θi>360°时，进入下一步；
7)所述的计算机17驱动电动位移台12的移动距离Δy，yn＝(n+1)Δy，返回步骤5)，当yn>yN时，进入下一步；
8)利用下列公式计算空间角分辨散射率S：
S(yn，θi)＝V14i(yn，θi)/V15i(yn，θi)。
通过对正交于光纤轴的散射光的测量，得到了角分辨的散射光分布和沿光纤长度方向散射分布。
实验表明，本发明可以测量正交于光纤轴的散射光，从而得到角分辨的散射光分布，这是现有技术所不能实现的；通过对所有角度散射光的强度叠加，还可以获得现有技术可测量的光纤总散射。
本发明装置中的可变相位延迟器可以灵活调节测量激光的偏振特性，即可以是线偏振光、也可以是椭圆偏振光，可以测量不同偏振特性的激光在光纤中的散射特性。
本发明对激光波长范围和光纤材料材质没有特殊要求，具有普适性，比原有技术在波长范围和光纤材料限制方面具有优势。

Claims (8)

1.一种无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置，特征在于其构成包括：连续激光器(1)，沿该连续激光器(1)输出光方向依次是光束准直器(2)、调频器(3)、起偏器(4)、相位延迟器(5)、分光片(6)；所述的分光片(6)将激光分成1:1两束光，分别为探测光束和参考光束；所述的探测光束经过光纤耦合器(7)，被引导进入待测光纤(8)；所述的参考光束照射在第一光电探测器(13)上；
待测光纤(8)从圆柱形暗箱(9)的两个平行端面的中心小孔穿过后被机械夹持装置(11)水平固定，所述的待测光纤(8)的一段被圆柱形暗箱(9)所包围；所述的圆柱形暗箱(9)的圆柱面侧壁上装有位置固定的第二光电探测器(10)，所述的第二光电探测器(10)的光敏面的法线垂直于圆柱形暗箱(9)的中轴线，且光敏面与所述的待测光纤(8)之间的垂直距离比光敏面尺寸大一个数量级；所述的圆柱形暗箱(9)安装在电动位移台(12)上；
所述的调频器(3)的电信号输出端分别与第一锁相放大器(14)的第一输入端和第二锁相放大器(15)的第一输入端相连；所述的第一光电探测器(13)的输出端与所述的第一锁相放大器(14)的第二输入端相连；所述的第二光电探测器(10)的输出端与所述的第二锁相放大器(15)的第二输入端相连；所述的第一锁相放大器(14)和第二锁相放大器(15)的输出端分别与A/D数据采集卡(16)第一输入端和第二输入端相连；所述的A/D数据采集卡(16)的输出端与计算机(17)的输入端相连；所述的计算机(17)的第一输出端与所述的相位延迟器(5)的电信号输入端相连；所述的计算机(17)的第二输出端与所述的电动位移台(12)的输入端相连；
所述的电动位移台(12)为XYZR轴组合位移台，带动所述的圆柱形暗箱(9)和第二光电探测器(10)平移或旋转时，不改变待测光纤(8)的位置和状态。
2.根据权利要求1所述的无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置，其特征在于所述的连续激光器(1)为待测光纤应用波段内的波长的激光器。
3.根据权利要求1所述的无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置，其特征在于所述的调频器(3)为机械式斩波器、电光调频器或声光调频器。
4.根据权利要求1所述的无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置，其特征在于所述的相位延迟器(5)为可变相位延迟器。
5.根据权利要求1所述的无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置，其特征在于所述的待测光纤(8)为无包层的光纤。
6.根据权利要求1所述的无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置，其特征在于所述的圆柱形暗箱(9)上的两个平行端面为可拆卸部件，可根据所述的待测光纤(8)的芯径选择有对应小孔尺寸的端面装上；所述的圆柱形暗箱(9)的圆柱面侧壁上刻有0°～360°刻度。
7.根据权利要求1所述的无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置，其特征在于。
8.利用权利要求1所述的无包层光纤空间角分辨激光散射损耗的测量装置对无包层光纤空间角分辨激光散射损耗测量的测量方法，其特征在于该测量方法的步骤如下：
1)根据待测光纤(8)的芯径，选择带有合适小孔尺寸的两个平行端面组装成所述的圆柱形暗箱(9)，小孔尺寸应使待测光纤(8)恰好可以穿过，且使圆柱形暗箱(9)漏光可忽略；将待测光纤(8)从圆柱形暗箱(9)两个平行端面的小孔中心穿过；使用机械夹持装置(11)靠近光纤耦合器(7)的前端固定所述的待测光纤(8)；
2)开启连续激光器(1)，调节光束准直器(2)、光纤耦合器(7)和机械夹持装置(11)前端，使激光光束进入待测光纤(8)；开启计算机(17)电源；通过计算机(17)驱动所述的电动位移台(12)上下左右移动，使待测光纤(8)位于圆柱形暗箱(9)中轴线且与探测光束同轴，使用机械夹持装置(11)后端将所述的待测光纤(8)固定；
3)开启调频器(3)，设定调制频率；开启第一光电探测器(13)和第二光电探测器(10)，开启第一锁相放大器(14)和第二锁相放大器(15)，第一锁相放大器(14)和第二锁相放大器(15)选择电压档位，测量电压数；开启相位延迟器(5)电源，调节相位延迟器(5)使光束偏振态达到设定需要；
4)设探测光束传播方向为Y轴方向，通过计算机(17)驱动电动位移台(12) 沿Y轴移动到靠近机械夹持装置(11)前端位置，记该位置为测量原点y＝0，将长度测量范围划为0～yN，在圆柱形暗箱(9)圆柱面侧壁上选取一个角度，记该角度为角分辨测量原点θ＝0，令yn＝nΔy，θi＝iΔθ；
5)通过计算机(17)读取并记录第一锁相放大器(14)电压V14i(yn，θi)，读取并记录第二锁相放大器(15)电压V15i(yn，θi)，
6)通过计算机(17)驱动电动位移台(12)的转动角度Δθ，θi＝(i+1)Δθ，当θi>360°时，进入下一步；
7)所述的计算机(17)驱动电动位移台(12)的移动距离Δy，yn＝(n+1)Δy，返回步骤5)，当yn>yN时，进入下一步；
8)利用下列公式计算空间角分辨散射率S：
S(yn，θi)＝V14i(yn，θi)/V15i(yn，θi)。
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