CN109883652A - 基于qpm和bkc技术的光纤折射率与内应力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于QPM和BKC技术的光纤折射率分布与内应力综合测量装置，属于光学检测领域。该装置包括：激光光源、激光准直器、反射镜、衰减器、起偏器、透镜组、载物台、匹配液池、高精度短线程线性移动平台、步进电机、物镜、补偿器、检偏器、分束器、目镜、CCD、计算机以及待测光纤。通过光路与器件的配合，所述测量装置采用QPM与BKC技术实现了在同一个平台上对光纤折射率及内应力分布的联合测量，测量简单、易操作。同时，所述测量装置的光纤无损测量，排除了截断光纤测量方法中由于切面不平均带来的测量误差。此外，该装置能够实现对所有光纤折射率和内应力分布的精确测量，为空分复用光纤及其他特种光纤的生产和使用提供了切实保障。

Description

基于QPM和BKC技术的光纤折射率与内应力测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于QPM和BKC技术的光纤折射率分布与内应力综合测量装置，属于光学检测领域。

背景技术

随着高速信息时代的快速发展，普通单模光纤已逐渐无法满足光纤系统传输容量的需求。近年来，以多芯光纤、少模光纤等为主导的新型空分复用光纤及其他特种光纤由于其独特的纤芯排列方式和模场特性，成为解决光纤系统中传输容量受限以及非线性效应损伤等问题的良好光学元件。光纤性能的优劣取决于光纤本身的结构参数、折射率分布以及内应力分布。光纤参数的改变，将会导致光纤性能发生变化，严重的可能直接导致器件的损毁。因此，在光纤的生产和使用过程中，对于其折射率分布与内应力的测量就显得尤为重要。然而，空分复用光纤及其他特种光纤由于光纤内部结构特性与普通单模光纤不同，这就对光纤参数的测量系统提出了更高的要求。

对于光纤折射率分布的测量，主要分为轴向和横向测量。轴向测量需将光纤进行切割，测量其端面的折射率分布。光纤折射率的轴向测量技术开始于1975年Ikeda等人提出的端面反射法，将一束光打向光纤端面，通过测量反射光束强度来重建横截面折射率分布【Ikeda Masahiro,Tateda Mitsuhiro,Yoshikiyo Haruo.Refractive Index Profile ofa Graded Index Fiber:Measurement by a Reflection Method.[J].Applied Optics,1975,14(4):814-815.】。然而，此技术需要测量仪器具有很高的灵敏度去探测光纤端面微弱的反射光，否则难以得到准确的折射率测量结果。虽然，在近几年，Youk等人又对此技术进行了一定的改进，但是仍然无法克服以上弊端【Youk Youngchun,Kim DugYoung.Tightly focused epimicroscope technique for submicrometer-resolvedhighly sensitive refractive index measurement of an optical waveguide.[J].Applied Optics,2007,46(15):2949-2953.】。

1981年，Young等人提出了近场折射法，将光束以大于光纤最大接受角的角度入射到光纤端面处，通过测量折射出光纤的空间光分布来得到光纤的折射率分布【YoungM.Optical fiber index profiles by the refracted-ray method(refracted near-field scanning).[J].Applied Optics,1981,20(19):3415-3422.】。基于这种技术，1999年Fontaine等人发明了一种折射率剖面的测量仪器，然而测量时需要对光纤样本进行精确的校准，否则测量的准确性较差【Fontaine Norman H.,Young Matt.Two-dimensionalindex profiling of fibers and waveguides.[J].Applied Optics,1999,38(33):6836-6844.】。

1976年，Presby提出了轴向干涉仪法，使用一台单色光源和一台Mach-Zehnder干涉仪，将准备好的光纤样本轴向插入到干涉仪的一个干涉臂光路中，使之产生一定的相移，通过得到的干涉图样来得到光纤折射率分布。然而此方法需要特别细心地准备光纤样本，而且必须在横向分辨率和测量准确性两者之间求折中【Presby H.M.,Mammel W.,DerosierR.M.Refractive index profiling of graded index optical fibers.[J].Review ofScientific Instruments,1976,47(3):348-352.】。

1994年，Zhong等人提出了使用化学腐蚀结合原子力显微镜测量光纤折射率的方法【Qian Zhong,Inniss D.Characterization of the lightguiding structure ofoptical fibers by atomic force microscopy.[J].Journal of LightwaveTechnology,1994,12(9):1517-1523.】。这是一种非光学的测量方法，测量精度可以达到nm量级。但是，在此方法中必须从光纤的腐蚀深度和速度来得到折射率分布，而且需要精确的样本校准。

纵观以上轴向测量技术，最大的弊端就是必须切断光纤才能进行测量，这在很多情况下是不被允许的，比如在表征某些价格昂贵的特种光纤或某些重要的光纤器件的时候，破坏性的测量会增加成本，严重时会造成器件的损毁。

另外一种光纤折射率测量技术——横向测量技术，属于无损测量，并且拥有更高的测量分辨率，是目前折射率测量的主要方法。横向测量技术最早开始于1979年，Boggs和Presby等人提出使用横向干涉仪法(Transverse Interferometry)测量光纤折射率剖面。光纤被折射率匹配油包围后横向插入到干涉仪的一个干涉臂中，使光束横向穿过光纤，光束在穿过光纤和折射率匹配油后会积累不同的相位，二者会产生一定的相位差，利用两干涉臂光束干涉图像来得到光纤的折射率剖面【Presby H.M.,Marcuse D.,Astle H.W.,Boggs L.M.Rapid Automatic Index Profiling of Whole-Fiber Samples:Part II.[J].Bell System Technical Journal,1979,58(4):883-902.】。然而，此方法并未得到光纤的横截面折射率分布。

2005年，Bachim等人在横向干涉仪法中引入了断层扫描原理，通过旋转光纤多次测量的方法得到了光纤的横截面折射率分布，称之为微干涉光学相位断层扫描法【BachimBrent L.,Gaylord Thomas K.Microinterferometric optical phase tomography formeasuring small,asymmetric refractive-index differences in the profiles ofoptical fibers and fiber devices.[J].Applied Optics,2005,44(3):316-327.】。然而此方法需要分析干涉条纹的位移，也需要对横向分辨率和测量准确性求折中，横向分辨率较低。

2010年，Yablon提出了一种色散Fourier变换光谱学技术(Foutier-TransformSpectroscopy)来测量光纤的横截面折射率分布，该技术属于干涉型测量方法【YablonA.D.Multi-Wavelength Optical Fiber Refractive Index Profiling by SpatiallyResolved Fourier Transform Spectroscopy.[J].Journal of Lightwave Technology,2010,28(4):360-364.】。然而，此方法需要通过移动光楔得到很多的干涉图样，测量过程复杂。

除上述方法外，1998年Barty等人提出了一种非干涉技术来测量光束横向穿过光纤后形成的相移的方法——定量相位显微法(QPM:Quantitative-Phase Microscopy)来测量光纤折射率分布【Barty A.,Nugent K.A.,Paganin D.,Roberts A.Quantitativeoptical phase microscopy.[J].Optics Letters,1998,23(11):817-819.】。该方法利用强度传输方程来得到相移分布，具有很高的空间分辨率和折射率准确性，得到了广泛的应用。2000年，Barty又采用QPM技术结合计算机断层扫描技术，实现了对双芯光纤折射率分布的三维测量【Barty A.,Nugent K.A.,Roberts A.,Paganin D.Quantitative phasetomography.[J].Optics Communications,2000,175(4):329-336.】。然而，此方法目前测量的光纤结构较为简单，对于复杂折射率分布的光纤参数测量过程仍需优化。

对于光纤应力分布的测量原理主要基于光弹性效应。光纤中残余应力会导致双折射产生，根据光弹效应，当光束横向穿过光纤时会产生一定的光延迟。通过测量光延迟的分布，就可以计算出光纤中残余应力的分布特性。

光延迟的测量方法研究，最早开始于1982年，Chu和Whitbread首次提出了使用相位补偿法测量光延迟，入射到实验光路中的线偏振光经过光纤和1/4玻片后偏振态发生了变化，然后通过旋转一个检偏器来得到零光强度分布，再根据零光强度分布和检偏器旋转的角度来计算光延迟的分布【Chu P.L.,Whitbread T.Stress transformation due tofusion splicing in optical fibre.[J].Electronics Letters,1984,20(14):599-600.】。然而，该方法需要对相位补偿器进行精密调节与优化，复杂程度较高。

2005年，Colomb等人提出了使用偏振数字全息显微法进行光延迟的测量，需要通过实验得到两束参考光束和一横向穿过光纤的光束发生干涉后的强度分布图【ColombTristan,Durr Florian,Cuche Etienne,Marquet Pierre,Limberger Hans G.,SalatheRene-Paul,Depeursinge Christian.Polarization microscopy by use of digitalholography:Application to optical-fiber birefringence measurements.[J].Applied Optics,2005,44(21):4461-4469.】。然而，此实验方法中需要用到许多个分光棱镜、玻片和起偏器来控制三束光的偏振态，难度较大。

2006年，Bruno等人了报道了利用相位步进光弹效应进行光延迟测量的实验方法【Bruno Luigi,Pagnotta Leonardo,Poggialini Andrea.A full-field method formeasuring residual stresses in optical fiber.[J].Optics and Lasers inEngineering,2006,44(6):577-588.】。但此方法需要用到许多玻片去生成足够多的光强度分布图像，方法较为复杂。

2008年，Sevigny等人报道了利用相位调制器技术进行光延迟测量的方法【Sévigny Benoit,BusqueGodbout Nicolas,Lacroix Suzanne,FaucherMathieu.High-resolution refractive index anisotropy measurement in opticalfibers through phase retardation modulation.[J].Applied Optics,2008,47(9):1215-1222.】。但此方法中用的相位调制器在市面上并无出售，需要特殊定制，复杂且昂贵。

除上述方法外，2006年，Montarou等人提出的Brace-补偿器法(BKC：Brace-Kohler Compensator)可以对较低光延迟进行准确测量【Montarou Carole C.,GaylordThomas K.,Dachevski Alexei I.Residual stress profiles in optical fibersdetermined by the two-waveplate-compensator method.[J].Optics Communications,2006,265(1):29-32.】。此方法中实验装置与双玻片补偿器法相同，但在使用过程中需对补偿器进行旋转。与双玻片补偿器法不同的是，此方法需要获取的是最小光强度分布，而非零光强度分布，该方法结构简单，准确性高，是目前较为普遍的方法。2009年，Hutsel利用BKC法并结合计算机断层扫描技术技术，实现了光纤应力分布的测量，得到被测光纤应力的三维分布【Hutsel Michael R.,Ingle Reeve,Gaylord Thomas K.Accurate cross-sectional stress profiling of optical fibers.[J].Applied Optics,2009,48(26):4985-4995.】。然而，该方法需要对补偿器旋转装置进行精密设计，对旋转精度提出了较高要求，在后续设计中仍需改进。

由于光纤应力与折射率之间存在一定的关系，光纤折射率与应力的联合测量就显得尤为重要。2012年，Hutsel等人实现了光纤折射率和应力分布的联合测量【HutselMichael R,Gaylord Thomas K.Concurrent three-dimensional characterization ofthe refractive-index and residual-stress distributions in optical fibers.[J].Applied Optics,2012,51(22):5442-5452.】。

然而，Hutsel等人提出的折射率与应力联合测量的方法，不适用于空分复用光纤以及其他特种光纤。其中，在空分复用光纤的测量中，主要是由于多芯光纤的纤芯之间存在功率耦合，芯子之间的距离很近，出射端的光会在空间叠加，从而不能保证测量精度。因此，目前对于空分复用光纤及其他特种光纤的几何参数、折射率及应力分布的联合测量，国内外还没有成熟商用化的测量装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题主要是针对同时实现对所有光纤折射率和内应力分布精确测量的装置这一问题所提出的。

解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明涉及一种基于QPM与BKC技术的光纤折射率和内应力分布的综合测量装置，包括：

激光光源、激光准直器、反射镜、衰减器、起偏器、透镜组、载物台、匹配液池、高精度短线程线性移动平台、步进电机、物镜、补偿器、检偏器、分束器、目镜、CCD、计算机以及待测光纤；其中，

所述激光光源与激光准直器连接，激光经反射镜射入光路，依次经过衰减器、透镜组、载物台、匹配液池、待测光纤、物镜、补偿器、检偏器、分束器、目镜以及CCD；

所述衰减器将激光光源能量衰减，以保护CCD相机并延长其使用寿命；

所述透镜组将激光汇聚于匹配液池内待测光纤处；

所述匹配液池置于载物台上，匹配液池两端各开一90度角V型槽用于放置待测光纤，待测光纤中心与匹配液池中心对齐，且待测光纤完全浸于匹配液内；

所述高精度短线程线性移动平台连接载物台，控制载物台以微米量级微位移正负弱离焦，通过CCD得到不同位置下的光强分布图像，再经计算机处理后获得折射率分布图像；

所述待测光纤一端连接步进电机，由步进电机控制待测光纤进行180度旋转，通过CCD获得不同角度下的光程差，再经计算机处理后获得内应力分布图像；

所述补偿器上配置旋转装置，可使补偿器进行360度旋转，且补偿器与旋转装置可拆卸，仅用于光纤内应力测量；

所述CCD相机可以生成高精度灰度值图像及数据，并传入计算机内进行后处理。

本发明的有益效果具体如下：所述的测量装置采用QPM与BKC技术可在同一个平台上实现高测量精度、高分辨率的光纤折射率以及内应力分布联合测量，测量简单、易操作。同时，所述的测量装置在测量光纤参数时，实现了光纤无损测量，排除了截断光纤测量方法中由于切面不平均带来的测量误差。所述的测量装置能够实现对所有光纤折射率和内应力分布精确测量，为空分复用光纤及其他特种光纤的生产和使用提供了切实保障。

附图说明

图1为一种基于QPM和BKC技术的光纤折射率分布与内应力综合测量装置示意图。

图2为匹配液槽结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例一

本实例中，一种基于QPM与BKC技术的光纤折射率和内应力分布的综合测量装置，包括：

激光光源101、激光准直器102、反射镜201、衰减器202、起偏器203、透镜组205、载物台301、匹配液池302、高精度短线程线性移动平台303、步进电机304、物镜206、补偿器4、检偏器204、分束器207、目镜208、CCD5、计算机6以及待测少模光纤001；其中，

所述激光光源101与激光准直器102连接，激光光源101中心波长为1064nm，激光经反射镜201射入光路，依次经过衰减器202、透镜组203、载物台301、匹配液池302、待测光纤001、物镜206、补偿器4、检偏器204、分束器207、目镜208以及CCD5；

所述衰减器202将激光光源能量衰减，以保护CCD5相机并延长其使用寿命；

所述透镜组205将激光汇聚于匹配液池302内待测光纤001处；

所述匹配液池302置于载物台301上，匹配液池302高度为1mm，两端各开一深为0.5mm的90度角V型槽用于放置待测光纤001，待测光纤001中心与匹配液池302中心对齐，且待测光纤001完全浸于匹配液内；

所述高精度短线程线性移动平台303连接载物台301，控制载物台301以1微米量级微位移正负弱离焦，通过CCD5得到不同位置下的光强分布图像，再经计算机6处理后获得折射率分布图像；

所述待测光纤001一端连接步进电机304，由步进电机304控制待测光纤001以0.1度为精度，进行180度旋转，通过CCD5获得不同角度下的光程差，再经计算机6处理后获得内应力分布图像；

所述补偿器4上配置旋转装置，可使补偿器4以小于0.1度的角度，进行360度旋转，且补偿器4与其旋转装置可拆卸，仅用于光纤内应力测量；

所述CCD5相机可以生成高精度灰度值图像及数据，并传入计算机6内进行后处理。

实施例二

本实例中，一种基于QPM与BKC技术的光纤折射率和内应力分布的综合测量装置，包括：

激光光源101、激光准直器102、反射镜201、衰减器202、起偏器203、透镜组205、载物台301、匹配液池302、高精度短线程线性移动平台303、步进电机304、物镜206、补偿器4、检偏器204、分束器207、目镜208、CCD5、计算机6以及待测多芯光纤001；其中，

所述激光光源101与激光准直器102连接，激光光源101中心波长为1310nm，激光经反射镜201射入光路，依次经过衰减器202、透镜组203、载物台301、匹配液池302、待测光纤001、物镜206、补偿器4、检偏器204、分束器207、目镜208以及CCD5；

所述衰减器202将激光光源能量衰减，以保护CCD5相机并延长其使用寿命；

所述透镜组205将激光汇聚于匹配液池302内待测光纤001处；

所述匹配液池302置于载物台301上，匹配液池302高度为3cm，两端各开一深为1.5cm的90度角V型槽用于放置待测光纤001，待测光纤001中心与匹配液池302中心对齐，且待测光纤001完全浸于匹配液内；

所述高精度短线程线性移动平台303连接载物台301，控制载物台301以1微米量级微位移正负弱离焦，通过CCD5得到不同位置下的光强分布图像，再经计算机6处理后获得折射率分布图像；

所述待测光纤001一端连接步进电机304，由步进电机304控制待测光纤001以1度为精度，进行180度旋转，通过CCD5获得不同角度下的光程差，再经计算机6处理后获得内应力分布图像；

所述补偿器4上配置旋转装置，可使补偿器4以小于1度的角度，进行360度旋转，且补偿器4与其旋转装置可拆卸，仅用于光纤内应力测量；

所述CCD5相机可以生成高精度灰度值图像及数据，并传入计算机6内进行后处理。

实施例三

本实例中，一种基于QPM与BKC技术的光纤折射率和内应力分布的综合测量装置，包括：

激光光源101、激光准直器102、反射镜201、衰减器202、起偏器203、透镜组205、载物台301、匹配液池302、高精度短线程线性移动平台303、步进电机304、物镜206、补偿器4、检偏器204、分束器207、目镜208、CCD5、计算机6以及待测光子晶体光纤001；其中，

所述激光光源101与激光准直器102连接，激光光源101中心波长为1310nm，激光经反射镜201射入光路，依次经过衰减器202、透镜组203、载物台301、匹配液池302、待测光纤001、物镜206、补偿器4、检偏器204、分束器207、目镜208以及CCD5；

所述衰减器202将激光光源能量衰减，以保护CCD5相机并延长其使用寿命；

所述透镜组205将激光汇聚于匹配液池302内待测光纤001处；

所述匹配液池302置于载物台301上，匹配液池302高度为1m，两端各开一深为0.5m的90度角V型槽用于放置待测光纤001，待测光纤001中心与匹配液池302中心对齐，且待测光纤001完全浸于匹配液内；

所述高精度短线程线性移动平台303连接载物台301，控制载物台301以10微米量级微位移正负弱离焦，通过CCD5得到不同位置下的光强分布图像，再经计算机6处理后获得折射率分布图像；

所述待测光纤001一端连接步进电机304，由步进电机304控制待测光纤001以10度为精度，进行180度旋转，通过CCD5获得不同角度下的光程差，再经计算机6处理后获得内应力分布图像；

所述补偿器4上配置旋转装置，可使补偿器4以小于10度的角度，进行360度旋转，且补偿器4与其旋转装置可拆卸，仅用于光纤内应力测量；

所述CCD5相机可以生成高精度灰度值图像及数据，并传入计算机6内进行后处理。

Claims (9)

1.一种基于QPM与BKC技术的光纤折射率和内应力分布的综合测量装置，包括：

激光光源(101)、激光准直器(102)、反射镜(201)、衰减器(202)、起偏器(203)、透镜组(205)、载物台(301)、匹配液池(302)、高精度短线程线性移动平台(303)、步进电机(304)、物镜(206)、补偿器(4)、检偏器(204)、分束器(207)、目镜(208)、CCD(5)、计算机(6)以及待测光纤(001)。

2.根据权利要求1所述的一种基于QPM与BKC技术的光纤折射率和内应力分布的综合测量装置，其特征在于：所述激光光源(101)与激光准直器(102)连接，激光经反射镜(201)射入光路，依次经过衰减器(202)、透镜组(203)、载物台(301)、匹配液池(302)、待测光纤(001)、物镜(206)、补偿器(4)、检偏器(204)、分束器(207)、目镜(208)以及CCD(5)。

3.根据权利要求1所述的一种基于QPM与BKC技术的光纤折射率和内应力分布的综合测量装置，其特征在于：所述衰减器(202)将激光光源能量衰减，以保护CCD(5)相机并延长其使用寿命。

4.根据权利要求1所述的一种基于QPM与BKC技术的光纤折射率和内应力分布的综合测量装置，其特征在于：所述透镜组(205)将激光汇聚于匹配液池(302)内待测光纤(001)处。

5.根据权利要求1所述的一种基于QPM与BKC技术的光纤折射率和内应力分布的综合测量装置，其特征在于：所述匹配液池(302)置于载物台(301)上，两端各开一90度角V型槽用于放置待测光纤(001)，待测光纤(001)中心与匹配液池(302)中心对齐，且待测光纤(001)完全浸于匹配液内。

6.根据权利要求1所述的一种基于QPM与BKC技术的光纤折射率和内应力分布的综合测量装置，其特征在于：所述高精度短线程线性移动平台(303)连接载物台(301)，控制载物台(301)以微米量级微位移正负弱离焦，通过CCD(5)得到不同位置下的光强分布图像，再经计算机(6)处理后获得折射率分布图像。

7.根据权利要求1所述的一种基于QPM与BKC技术的光纤折射率和内应力分布的综合测量装置，其特征在于：所述待测光纤(001)一端连接步进电机(304)，由步进电机(304)控制待测光纤(001)，进行180度旋转，通过CCD(5)获得不同角度下的光程差，再经计算机(6)处理后获得内应力分布图像。

8.根据权利要求1所述的一种基于QPM与BKC技术的光纤折射率和内应力分布的综合测量装置，其特征在于：所述补偿器(4)上配置旋转装置，可使补偿器(4)进行360度旋转，且补偿器(4)与其旋转装置可拆卸，仅用于光纤内应力测量。

9.根据权利要求1所述的一种基于QPM与BKC技术的光纤折射率和内应力分布的综合测量装置，其特征在于：所述CCD(5)相机可以生成高精度灰度值图像及数据，并传入计算机(6)内进行后处理。