CN111595863B - 一种在线测量光纤涂层缺陷的装置及方法 - Google Patents

一种在线测量光纤涂层缺陷的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤拉丝涂层缺陷的检测装置及方法。该装置主要包含检测光源、耦合系统、探测系统等三个部分构成。通过将具有特定数值孔径和光斑尺寸的红光激光器和绿激光器产生的激光光束耦合至光纤预制棒中，测量经涂覆固化的光纤端面的红光和/或绿光光束的输出功率，可判断光纤涂层的气泡、杂质、气线、划伤、涂层不均匀、涂层与玻璃包层同心度等缺陷。该测试装置和方法可以对光纤的涂层进行实时监测，不需要换筒测试、也不需要拉丝等待，避免光纤预制棒和涂料的浪费，同时该测量方法提高了设备利用效率、提升了合格光纤的产出率。

Description

一种在线测量光纤涂层缺陷的装置及方法
技术领域
本发名属于光纤预制棒缺陷的检测领域，更具体地，涉及一种光纤拉丝涂层缺陷的检测装置及方法。
背景技术
光纤通常由掺杂纤芯、二氧化硅包层、内涂覆层、外涂覆层组成。其中内涂覆层一般弹性模量较低，用于保护裸光纤表面免受机械损伤、缓冲外界应力；外涂覆层弹性模量较高，用于加强光纤的机械强度和耐磨特性，所以光纤的内外涂覆层的性能直接决定了光纤的品质和寿命。
而对于双包层光纤（如光纤激光器用的无源匹配光纤、掺稀土光纤等）而言，内涂覆层还起到了光学波导的作用，泵浦激光在玻璃包层中传播，在玻璃包层和内涂覆层的界面处发生全反射。通常玻璃包层中的激光能量密度相当大，而内涂覆层的缺陷将直接导致泵浦激光泄露，激光器功率降低，严重地将会酿成不可估量的后果。所以光纤的涂层品质检测是必不可少的。
现有技术中，检测光纤涂层的方法通常是将拉完丝的光纤进行红光检测和显微镜检测。红光检测用于检测光纤表面的亮点、气泡、划伤等，这种检测方法适合快速定性的分析光纤的涂层；显微镜检测是将光纤端面或表面置于显微镜下，查看光纤涂层中的气泡、亮点、同心度、划伤等，这种检测方法用于检查光纤缺陷部位的缺陷类型，检测速度慢、效率低，通常对于涂覆质量的判定需要结合这两种检测方法。并且这种检测光纤涂层质量的方法是一种离线的方法，是将光纤拉丝换筒后的测量，测量需占用相当长的时间，而此时拉丝依然在进行，倘若涂覆层有缺陷，对于拉制特种光纤（掺稀土双包层光纤）而言，这是一个巨大的浪费，如掺稀土预制棒通常只有500mm长，一根预制棒1个小时左右拉完，以测试占用20分钟计，将损失三分之一的光纤，另外掺稀土双包层光纤的内涂覆层价格相当昂贵；假如拉丝过程中停塔，重新起头或慢速拉丝，一样将损失相当数量的光纤。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种在线测量光纤涂层缺陷的装置及方法。该检测方法属于一种在线的检测方法，通过实时监控拉丝过程，实现光纤涂覆质量的在线控制。
为实现上述目的，本发明的一个方面，提供了一种光纤涂层缺陷检测装置，其包括发射第一波长的第一光源和发射与第一波长不同的第二波长的第二光源，光耦合系统，所述耦合系统包括双色镜玻璃和透镜，所述双色镜玻璃对第一光源的光全反射，对第二光源的光全透射，所述透镜用于将第一光源的光和第二光源的光以一定的数值孔径耦合至光纤预制棒中；所述的数值孔径满足以下条件：（1）第一光源的数值孔径大于涂覆层与玻璃包层处的数值孔径，但是小于空气与玻璃包层处的数值孔径；（2）第二光源的数值孔径小于涂覆层与玻璃包层处的数值孔径；所述双色镜玻璃与光纤端面呈45°角，所述的透镜位于双色镜系统的下方，所述的光纤端面位于双色镜的下方，且所述的双色镜玻璃、透镜、光纤端面在一条竖直线上；探测系统，位于光纤下方，用于探测第一光源和第二光源通过光纤后的光信号；分析记录系统，用于根据所述探测系统探测的光信号分析记录所述光纤涂层的缺陷。
优选的，所述第一光源和第二光源分别为绿光激光器和红光激光器。
 优选的，所述的绿光激光器和红光激光器为气体激光器、半导体激光器、光纤激光 器、固体激光器、碟片激光器。
优选的，所述的绿光激光器选用半导体激光器。
优选的，所述的红光激光器为氦氖激光器或者半导体激光器。
优选的，所述探测器系统呈环形且与光纤同轴。
优选的，所述的探测器用于探测涂覆固化后光纤侧面的光泄露功率，该探测器的探测频率可依据拉丝速度设置。
优选的，所述的分析记录系统用于分析记录光纤圆柱侧面的功率分布以及测量点所对应的位置。
本申请的另一方面，提供了一种采用上述检测装置的在线检测光纤涂层缺陷的检测方法，其包括以下步骤： 同时打开第一光源和第二光源，调整光源的位置，使发射光束与待检测光纤同轴； 探测器分别探测第一光源和第二光源发射光束通过光纤后的光纤侧面的光泄露功率； 探测记录系统根据探测器探测的光泄露功率，判断光纤涂层的缺陷。
本发明提供的光纤涂层缺陷测量装置，可在线测量光纤内外涂覆层的涂覆质量，对涂层杂质、气泡、气线、涂层划伤、涂层不均匀、涂层同心度等类型的缺陷同时进行检测。可避免光纤预制棒的浪费和涂料的浪费。同时该测量方法提高了设备利用效率、提升了合格光纤的产出。
附图说明
图1为本发明的检测装置的结构图。
其中1为绿光激光器、2为红光激光器、3为双色镜系统、4为透镜耦合系统、5为光纤预制棒、6为拉丝炉出来的裸光纤、7为涂覆固化装置、8为有涂层的光纤、9为涂层缺陷探测系统。
为了确保图能更好的说明整个测试系统。图中没有画出预制棒夹持装置、送料装置、拉丝路、退火炉、冷却管、丝径测量装置、张力计、PMD、牵引装置、收线装置等。但是在实际使用中，这些部分都是整个拉丝系统的一部分。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明以拉制掺稀土双包层光纤为例进行说明。具体的以检测掺稀土双包层光纤的内涂层（及光纤的外包层）为例进行说明。此处令空气的折射率为n（一般记为1）、纯二氧化硅包层的折射率为n（一般为1 .45732）、内涂覆层的折射率为n 1 （为满足内外包层数值孔 2 径大于0 .46，一般 ,1 .36-1 .37），空气与玻璃包层的数值孔径为NA1=（n1* n1-n0*n0）0 .5，内 涂覆层与玻璃包层的数值孔径为NA2=（n1* n1- n2* n2）0 .5；预制棒包层部分的直径为D。红光 激光器采用中心波长为632 .8nm功率为1w的氦氖激光器为光源、绿光激光器采用中心波长 532nm功率为300mw的半导体激光器为光源。双色镜采用对532nm高反、633nm高透的的双色 镜。
下面对测量装置和测量方法进行说明。
 如图所示，所述1产生的绿光经过双色镜高反进入到透镜系统，所述2产生的红光经3进入到4。其中3与拉丝通道的竖直线呈45°角放置，2产生的激光方向与拉丝通道相同，1产生的激光方向与拉丝通道垂直。经3高透高反后两束激光均沿着竖直线进入到4。
所述的4为透镜棱镜组合系统用于将激光以一定的数值孔径耦合到光纤预制棒的端面上。
 具体地，对于红光而言，其入射到玻璃包层中的光束需满足两个条件：（1）入射光束的数值孔径NA3需满足：NA3 ＜NA2； （2）在预制棒端面的光斑直径D1＜D/10。
具体地，对于绿光而言，其入射到玻璃包层中的光束需满足两个条件：（1）入射光束的数值孔径NA3需满足：NA2＜ NA3 ＜NA1； （2）在预制棒端面的光斑直径D1＜D/10。
 所述的红光/绿光经透镜系统4后入射到光纤预制棒5的光斑和数值孔径需分别满 足上述两个条件。透镜系统4到光纤预制棒5的距离L也是由这几个条件确定。
所述的光纤预制棒5由夹持装置和送料装置固定，且1、2、3、4均与5位于同一移动单元中（即1、2、3、4、5在整个拉丝过程中无相对运动）。光纤预制棒5经拉丝炉后形成裸光纤6。
所述的裸光纤6经过退火炉、冷却管、测径仪等进入到7进行内涂覆层的涂覆与固化。涂料一般采用折射率1 .36-1 .37的丙烯酸树脂，光纤经涂覆器涂覆后进入到紫外固化通 道固化。固化完的光纤为8（已经有内涂层的光纤）。
 所述的内涂覆层光纤8进入到涂层缺陷探测系统9，用以测试双包层光纤内涂层的 涂覆质量。
 所述的涂层缺陷探测系统9为光纤涂层缺陷探测系统。具体地该系统以下方式进行缺陷探测和分析记录： （1）上文中绿光光束的数值孔径决定了绿光将会从内涂覆层中泄露，假设光纤涂覆质 量过关的情形下探测器探测到的绿光沿光纤外圆柱面的功率分布为W1（通过大量的测试数 1 据可以获得W1的范围）。若光纤涂层出现杂质、气泡、划伤、气线、涂覆不均匀、同心度差时， 探测器探测到的光纤外圆柱面的功率分布为W2必然会发生改变。通过记录和分析W2沿光纤 圆柱面的分布（与W1对比，W2会在缺陷位置变小或变大）即可判定光纤缺陷类型。
（2）上文中红光光束的数值孔径决定了红光将不会从内涂覆层中泄露，假设光纤涂覆质量过关的情形下探测器探测到的红光沿光纤外圆柱面的功率分布为W3（通过大量的3 测试数据可以获得W3的范围，正常情况下会很小）。若光纤涂层出现杂质、气泡、划伤、气线 时，探测器探测到的光纤外圆柱面的功率分布为W4必然会发生改变。通过记录和分析W4沿光纤圆柱面的分布（与W3对比，W4在缺陷的部位将比较大，探测器极易识别）即可判定光纤缺陷 类型。
 （3）分析记录系统通过记录（W2–W1）、（W4-W3）随时间的变化曲线即记录光纤的涂层缺陷类型和所在位置（光纤拉丝速度是一定的，故每个特定的时间点对应着光纤的特定长度）。所述的光纤涂层缺陷探测系统可依据需求对探测器的采样频率进行设置。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光纤涂层缺陷检测装置，其特征在于包括发射第一波长的第一光源和发射与第一波长不同的第二波长的第二光源，光耦合系统，所述耦合系统包括双色镜玻璃和透镜，所述双色镜玻璃对第一光源的光全反射，对第二光源的光全透射，所述透镜用于将第一光源的光和第二光源的光以一定的数值孔径耦合至光纤预制棒中；所述的数值孔径满足以下条件：（1）第一光源的数值孔径大于涂覆层与玻璃包层处的数值孔径，但是小于空气与玻璃包层处的数值孔径；（2）第二光源的数值孔径小于涂覆层与玻璃包层处的数值孔径；所述双色镜玻璃与光纤端面呈45°角，所述的透镜位于双色镜系统的下方，所述的光纤端面位于双色镜的下方，且所述的双色镜玻璃、透镜、光纤端面在一条竖直线上；探测系统，位于光纤下方，用于探测第一光源和第二光源通过光纤后的光信号；分析记录系统，用于根据所述探测系统探测的光信号分析记录所述光纤涂层的缺陷。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述第一光源和第二光源分别为绿光激光器和红光激光器。
3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述的绿光激光器和红光激光器为气体激光器、半导体激光器、光纤激光器、固体激光器、碟片激光器。
4.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述的绿光激光器选用半导体激光器。
5.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述的红光激光器为氦氖激光器或者半导体激光器。
6.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括探测器系统，所述探测器系统呈环形且与光纤同 轴。
7.根据权利要求6所述的检测装置，其特征在于，所述的探测器系统用于探测涂覆固化后光 纤侧面的光泄露功率，该探测器的探测频率可依据拉丝速度设置。
8.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述的分析记录系统用于分析记录光纤圆柱侧面的功率分布以及测量点所对应的位置。
9.一种采用权利要求1-8中任一项所述的检测装置的在线检测光纤涂层缺陷的检测方法，其包括以下步骤： 同时打开第一光源和第二光源，调整光源的位置，使发射光束与待检测光纤同轴； 探测器分别探测第一光源和第二光源发射光束通过光纤后的光纤侧面的光泄露功率； 探测记录系统根据探测器探测的光泄露功率，判断光纤涂层的缺陷。
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