CN110160677B - 非接触式光纤表面张力加载测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种非接触式光纤表面张力加载测量装置和测量方法，该装置包括左光纤夹具、右光纤夹具、左光纤压块、右光纤压块、张力传递机构、刚性连接杆、张力传感器、张力测控单元、左侧底板和直线位移台。本发明可以快速感应到光纤表面张力的实时变化，并且能够精确地测量出光纤表面的张力的大小，同时通过计算出的数值能够反应出光纤是否弯曲或者被拉伸，通过这些参数可以采用移动直线位移台进行拉伸或者压缩光纤表面张力，控制光纤表面张力并保持平衡，能够对光纤、光纤合束器、分路器等器件的制备具有重要的应用价值。为高功率光纤器件的制备加载指定张力具有重要的应用价值。

Description

非接触式光纤表面张力加载测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及到光纤，特别是一种非接触式光纤表面张力加载测量装置和测量方法，涉及光纤切割所需要加载合适的张力、光纤拉锥时表面张力实时监控以及高功率光纤无源器件的去应力封装技术。

背景技术

随着激光应用技术的发展，空间通信、激光武器、材料加工、遥感和激光雷达等领域对高功率、高光束质量的激光提出了迫切需求。光纤激光器具有结构紧凑、热管理方便、光束质量好和转换效率高等特点，在高功率激光领域得到了广泛应用。

光纤无源器件是光纤振荡器和光纤激光放大器中核心元器件之一。光纤无源器件的制备通常会涉及到光纤切割、光纤拉锥以及高功率无源器件的去应力封装技术。由于要保证光纤表面涂覆层的完整，所以此类张力测量装置最好为非接触式。现有的张力测量装置为接触式的测量，接触测量很容易被接触物与灰尘污染。因此，如何实现非接触式的光纤表面张力测量是一个有待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式光纤表面张力加载测量装置和测量方法。该装置能解决光纤器件制备过程中光纤束需要均匀拉制的无污染的关键问题，以提升光纤器件的制备效率与成功率。因此本发明对光纤合束器、分路器等光纤器件的制备具有重要意义。

本发明的技术解决方案如下

一种非接触式光纤表面张力加载测量装置，其特点在于：包括左光纤夹具、右光纤夹具、左光纤压块、右光纤压块、张力传递机构、刚性连接杆、张力传感器、张力测控单元、左侧底板和直线位移台，各组成部件之间的关系如下：

所述的左光纤夹具的底部固定在左侧底板上；所述的张力传感器的底部与所述的直线位移平台的上表面刚性连接，所述的张力传递机构由滑座与滑轨及其之间的滚珠组成，所述滑座的上表面与所述的右光纤夹具固定并通过刚性连接杆与所述的张力传感器刚性连接，所述的滑轨固定在所述的直线移动平台上，所述的右光纤夹具底部通过张力传递机构与直线位移台构成滑动连接关系；所述的张力传感器的输出端与所述的张力测控单元的输入端相连，所述的张力测控单元的输出端与所述的直线移动平台的驱动控制端相连，所述的左光纤夹具的V型槽和右光纤夹具的V型槽位于同一中心线上，测试时，待测光纤分别放置于左光纤夹具和右光纤夹具的V型槽内，并分别通过左光纤压块和右光纤压块固定。

所述的V型槽的大小具有调节机构。

所述的刚性连接杆的轴线与待测光纤的轴线平行。

所述的张力传递机构中的滑座与滑轨之间摩擦系数在0.0006到0.0012范围内。

利用上述非接触式光纤表面张力加载测量装置进行光纤张力测量方法，其特点在于：该方法包括下列步骤：

1)将待测光纤的两端分别放置于左光纤夹具和右光纤夹具的V型槽内，并通过左光纤压块和右光纤压块固定，调整所述的左光纤夹具、右光纤夹具的V型槽与待测光纤同中心线；

2)所述的张力测控单元给所述的直线移动平台输出驱动信号，驱动所述的直线移动平台移动，所述的张力传感器将所测得相应的张力F_t输入所述的张力测控单元，在所述的张力测控单元事先存储有右光纤夹具与右光纤压块构成的滚动单元的的摩擦力为F_s＝μ*mg；其中，μ为滚动单元的摩擦系数，m为右光纤夹具与右光纤压块构成的滚动单元的质量之和，g为重力加速度；

3)所述的张力测控单元按下列公式计算光纤表面的真实张力F：

F＝F_t-F_s，

4)当F未达到目标值时，所述的张力测控单元给所述的直线移动平台调整驱动信号，直到F达到目标值，停止驱动，并告知可进行下一步；

5)按工作需要进行操作。

本发明的技术效果：

本发明非接触式光纤表面张力加载测量装置可以快速感应到光纤表面张力的实时变化，并且能够精确地测量出光纤表面的张力的大小，同时通过计算出的数值能够反应出光纤是否弯曲或者被拉伸，通过这些参数可以通过移动直线位移台拉伸或者压缩光纤表面张力，控制光纤表面张力并保持平衡。当进行光纤锥体制备时，可以有效防止光纤表面平滑的拉伸与压缩，避免光纤被极速拉伸时产生裂纹等；而光纤切割时需要实时监测和施加目标光纤张力，实现获得无损伤小角度光纤切割，以减小熔接损耗。因此本发明的装置能够对光纤、光纤合束器、分路器等器件的制备具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明非接触式光纤表面张力加载和测试装置示意图。

图2为待测三维光纤及其夹持结构示意图。

图3为滚动单元结构原理图。

图4为基于张力测控装置实施光纤拉锥应用示意图。

图5为基于张力测控装置实施光纤切割应用示意图。

图6为张力测量曲线。

具体实施方式

下面参照附图结合实施例对本发明进行进一步什说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明非接触式光纤表面张力加载和测试装置示意图如图1所示。由图可见，本发明非接触式光纤表面张力加载测量装置，包括左光纤夹具1、右光纤夹具2、左光纤压块3、右光纤压块4、张力传递机构5、刚性连接杆6、张力传感器7、张力测控单元8、左侧底板9和直线移动平台10组成，各组成部件之间的关系如下：

所述的左光纤夹具1的底部固定在左侧底板9上；所述的张力传感器7的底部与所述的直线移动平台10的上表面刚性连接，所述的张力传递机构5由滑座5-1与滑轨5-3及其之间的滚珠5-2组成，所述的滑座5-1的上表面与所述的右光纤夹具2的底面固定，所述的右光纤夹具2通过刚性连接杆6与所述的张力传感器7刚性连接，所述的滑轨5-3固定在所述的直线移动平台10上，所述的右光纤夹具2底部通过张力传递机构5与直线移动平台10构成滑动连接关系；所述的张力传感器7的输出端与所述的张力测控单元8的输入端相连，所述的张力测控单元8的控制输出端与所述的直线移动平台10的驱动端相连，所述的左光纤夹具1的V型槽和右光纤夹具2的V型槽位于同一中心线上，测试时，待测光纤11分别置于左光纤夹具1和右光纤夹具2的V型槽内，并分别通过左光纤压块3和右光纤压块4固定。

待测光纤11分别放置于左光纤夹具1和右光纤夹具2内，并分别通过其上部的软质材料左光纤压块3和右光纤压块4固定，保证光纤表面涂覆层不受到划伤。在所述的张力测控单元8的控制下通过所述的移动直线移动平台10对光纤表面加载张力。所述的张力传感器7的前部通过刚性连接杆6连接到所述的右光纤夹具2的右端，并通过张力传递机构5间接测量光纤11的张力。张力测控单元8实时读取所述的张力传感器7的测量值，并根据光纤张力测算方法计算和显示待测光纤11的实时张力值，所述的张力测控单元8可驱动所述的直线位移台5来对光纤14施加目标张力值。

所述的左光纤夹具1和右光纤夹具2采用的是V型槽压持结构，左右夹具内的V型槽安装于同一中心线上，以避免产生其他分量上的力导致系统测量误差增加。

所述的V型槽具有V型槽的大小的调节机构，通过改变V型槽的大小对常用不同光纤直径(比如60、125、250、400、600微米)进行固定。也可以改变V型槽尺寸对N×1光纤束进行测量，其中包括N＝2,3,4,5,6,7,……，19等常用光纤合束器排列。

所述的刚性连接杆6的轴线与待测光纤11的轴线平行，从而保证所属的张力传感器7测量张力的准确性。

所述的张力传递机构5的滑座5-1与滑轨5-2之间摩擦系数极小，所述的滑座5-1与滑轨5-2通过钢珠5-3沿着不锈钢滚道上滚动运动，其摩擦系数在0.0006到0.0012范围内。

利用上述非接触式光纤表面张力加载测量装置进行光纤张力测量方法，该方法包括下列步骤：

1)将待测光纤11的两端分别放置于左光纤夹具1和右光纤夹具2的V型槽内，并通过左光纤压块3和右光纤压块4固定，调整所述的左光纤夹具1、右光纤夹具2的V型槽与待测光纤11同中心线；

2)所述的张力测控单元8给所述的直线移动平台10输出驱动信号，驱动所述的直线移动平台10移动，所述的张力传感器7将所测得相应的张力F_t输入所述的张力测控单元8，在所述的张力测控单元8事先存储有右光纤夹具2与右光纤压块4构成的滚动单元的的摩擦力为F_s＝μ*mg；其中，μ为滚动单元的摩擦系数，m为右光纤夹具2与右光纤压块4构成的滚动单元的质量之和，g为重力加速度；

3)所述的张力测控单元8按下列公式计算光纤11表面的真实张力F：

F＝F_t-F_s，

4)当F未达到目标值时，所述的张力测控单元8给所述的直线移动平台10调整驱动信号，直到F达到目标值，停止驱动，并告知可进行下一步；

5)按工作需要进行操作。

待测光纤可以是单根光纤，如图1所示。可以是三维空间结构的光纤束，如图3所示。

如图4所示，在制作光纤模场适配器或者光纤耦合器等器件中，需要对光纤或者光纤束进行拉锥，本应用案例中需将所述的光纤(11)平放在所述的左光纤夹具1和右光纤夹具2上，并分别用所述的左光纤压块3和右光纤压块4固定。用氢氧焰、电极放电、石墨环或者二氧化碳激光加热目标位置的光纤或光纤束至熔融状态，根据目标拉锥锥度在加热的过程中移动所述的直线移动平台10对所述的光纤11施加张力进行拉伸，并通过张力传感器7对施加的张力进行测量，并通过张力测控单元8进行显示和监测，张力曲线如图6所示。通过对光纤拉锥过程中，通过张力测控单元8反馈控制直线移动平台10对光纤11施加合适的动态张力，从而有效控制锥区的长度和锥度，最终有效保证光纤器件的耦合效率。

如图5所示，光纤熔接前需要对光纤进行切割，而光纤的切割角度严重影响熔点质量，切割角度过大将会导致熔点强度不足，熔接损耗较高。本发明可应用于光纤或者光纤束的小角度切割应用，通常光纤的熔接需要光纤端面的角度较小，需将所述的光纤11平放在所述的左光纤夹具1和右光纤夹具2上，并分别用所述的左光纤压块3和右光纤压块4固定。根据待切割的所述的光纤11的包层直径移动所述的直线移动平台10对所述的光纤11施加张力进行拉伸，并通过张力传感器7对施加的张力进行测量，并通过张力测控单元8进行显示和监测。当所述的光纤11的张力到目标值时，通过切割刀14对所述的光纤11进行切割，可有效的控制光纤切割角度，从而有效保证光纤熔接的质量。也可在光纤切割前，对待切割光纤进行转动并拉伸切割，可实现目标光纤端帽角度的切割。

在光纤器件的封装过程，特别是光纤传感应用中，需要严格控制光纤器件的应力，利用本装置有效监测和控制光纤和光纤器件的封装应力。

Claims (5)

1.一种非接触式光纤表面张力加载测量装置，其特征在于：该装置包括左光纤夹具(1)、右光纤夹具(2)、左光纤压块(3)、右光纤压块(4)、张力传递机构(5)、刚性连接杆(6)、张力传感器(7)、张力测控单元(8)、左侧底板(9)和直线移动平台(10)；

所述的左光纤夹具(1)的底部固定在左侧底板(9)上；所述的张力传感器(7)的底部与所述的直线移动平台(10)的上表面刚性连接，所述的张力传递机构(5)由滑座(5-1)与滑轨(5-3)及其之间的滚珠(5-2)组成，所述的滑座(5-1)的上表面与所述的右光纤夹具(2)的底面固定，所述的右光纤夹具(2)通过刚性连接杆(6)与所述的张力传感器(7)刚性连接，所述的滑轨(5-3)固定在所述的直线移动平台(10)上，所述的右光纤夹具(2)底部通过张力传递机构(5)与直线移动平台(10)构成滑动连接关系；所述的张力传感器(7)的输出端与所述的张力测控单元(8)的输入端相连，所述的张力测控单元(8)的输出端与所述的直线移动平台(10)的驱动控制端相连，所述的左光纤夹具(1)的V型槽和右光纤夹具(2)的V型槽位于同一中心线上，测试时，待测光纤(11)分别放置于左光纤夹具(1)和右光纤夹具(2)的V型槽内，并分别通过左光纤压块(3)和右光纤压块(4)固定。

2.根据权利要求1所述的非接触式光纤表面张力加载测量装置，其特征在于所述的V型槽的大小具有调节机构。

3.根据权利要求1所述的非接触式光纤表面张力加载测量装置，其特征在于，所述的刚性连接杆(6)的轴线与待测光纤(11)的轴线平行。

4.根据权利要求1所述的非接触式光纤表面张力加载测量装置，其特征在于，所述的张力传递机构(5)的滑座(5-1)与滑轨(5-3 )之间摩擦系数在0.0006到0.0012范围内。

5.利用权利要求1所述的非接触式光纤表面张力加载测量装置进行光纤张力测量方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：

1)将待测光纤(11)的两端分别放置于左光纤夹具(1)和右光纤夹具(2)的V型槽内，并通过左光纤压块(3)和右光纤压块(4)固定，调整所述的左光纤夹具(1)、右光纤夹具(2)的V型槽与待测光纤(11)同中心线；

2)所述的张力测控单元(8)给所述的直线移动平台(10)输出驱动信号，驱动所述的直线移动平台(10)移动，所述的张力传感器(7)将所测得相应的张力F_t输入所述的张力测控单元(8)，在所述的张力测控单元(8)事先存储有右光纤夹具(2)与右光纤压块(4)构成的滚动单元的摩擦力为F_s＝μ*mg；其中，μ为滚动单元的摩擦系数，m为右光纤夹具(2)与右光纤压块(4)构成的滚动单元的质量之和，g为重力加速度；

3)所述的张力测控单元(8)按下列公式计算光纤(11)表面的真实张力F：

F＝F_t-F_s，

4)当F未达到目标值时，所述的张力测控单元(8)给所述的直线移动平台(10)调整驱动信号，直到F达到目标值，停止驱动，并告知进行下一步；

5)按工作需要进行操作。

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