CN112903249B - 一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置 - Google Patents

一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置，包括：光源、双包层待测光纤和由多个相同光纤段组成的光输入系统；将光输入系统的首端光纤段作为输入端光纤段，由光输入系统的其它光纤段构成中间光纤段组；光源的尾纤与输入端光纤段的小径端连接，输入端光纤段的大径端与中间光纤段组中首端光纤段的大径端连接，光输入系统中尾端光纤段的小径端与双包层待测光纤连接；中间光纤段组中包含多个按照熔融拉锥方式依次级联的光纤段；熔融拉锥方式是指任一光纤段的小径端与相邻光纤段的大径端连接；光纤段的小径端尺寸不小于双包层待测光纤的包层尺寸。本发明的装置可降低光纤损耗，减小测试误差，提高系统的稳定性。

Description

一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置
技术领域
本发明涉及光纤测试、激光器件测试技术领域，尤其涉及一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置。
背景技术
光纤数值孔径(Numerical Aperture；NA)是描述光进出光纤时光纤端面接收光的能力，即光纤能接收光辐射角度范围的参数，同时它也是表征光纤和光源、光检测器及其他光纤的耦合效率的重要参数，对连接损耗、弯曲损耗等都有影响。
目前，现有光纤数值孔径测试系统分为折射近场测试系统和远场辐射测试系统。然而，折射近场测试系统的折射率测量设备易受光纤尺寸的影响，测试系统操作复杂；远场辐射测试系统对光纤数值孔径进行测试时，采用的是空间光耦合到光纤，系统损耗较大。
在光纤激光器的应用中，需要研究双包层光纤的包层数值孔径的大小对特种光纤性能产生的不同影响。由于现有测试系统损耗较大，系统易受外部环境影响，对光轴重合度要求极高，稳定性较差，对双包层光纤包层数值孔径的测试会存在较大误差。因此，为了准确地测量光纤包层数值孔径参数，建立一套适合于测量大尺寸大数值孔径的光纤包层数值孔径参数的测试系统是十分必要的。
为此，如何更好地实现对于双包层光纤的包层数值孔径进行测量，已成为业界关注的研究重点。
发明内容
本发明提供一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置，用以更好地实现对于双包层光纤的包层数值孔径进行测量。
本发明提供一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置，包括：
光源、双包层待测光纤和由多个相同光纤段组成的光输入系统；
将所述光输入系统的首端光纤段作为输入端光纤段，由所述光输入系统的其它光纤段构成中间光纤段组；
所述光源的尾纤与所述输入端光纤段的小径端连接，所述输入端光纤段的大径端与所述中间光纤段组中首端光纤段的大径端连接，所述光输入系统中尾端光纤段的小径端与所述双包层待测光纤连接；
其中，所述中间光纤段组中包含多个按照熔融拉锥方式依次级联的光纤段；所述熔融拉锥方式是指任一光纤段的小径端与相邻光纤段的大径端连接；
其中，所述光纤段的小径端尺寸不小于所述双包层待测光纤的包层尺寸。
根据本发明提供的一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置，所述光源的尾纤与所述输入端光纤段的小径端通过模式匹配的方式连接。
根据本发明提供的一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置，所述任一光纤段的小径端与相邻光纤段的大径端通过对芯熔接的方式连接。
根据本发明提供的一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置，所述输入端光纤段的大径端与所述中间光纤段组中首端光纤段的大径端通过偏芯熔接的方式连接。
根据本发明提供的一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置，所述光输入系统的光纤段数量具体为：
根据所述光输入系统中尾端光纤段的小径端数值孔径和所述双包层待测光纤的包层数值孔径的预估值，确定所述光输入系统的光纤段数量。
根据本发明提供的一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置，所述装置还包括：测量系统；
其中，所述测量系统包括电荷耦合元件系统、三维微位移平台和控制系统。
根据本发明提供的一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置，所述测量系统，具体用于：
所述三维微位移平台用于响应距离调整指令，对所述电荷耦合元件系统与所述双包层待测光纤的端面之间的距离进行调整，获取第一距离信息和第二距离信息；
所述电荷耦合元件系统用于获取第一距离信息对应的第一光斑尺寸和第二距离信息对应的第二光斑尺寸；
所述控制系统用于根据所述第一光斑尺寸和第二光斑尺寸，获取出射光光斑尺寸差值；
根据所述第一距离信息和所述第二距离信息，获取距离差值。
根据本发明提供的一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置，所述控制系统，具体还用于：
根据所述出射光光斑尺寸差值和移动距离差值，确定所述双包层待测光纤出射光的发散角；
根据所述双包层待测光纤出射光的发散角，计算所述双包层待测光纤的包层数值孔径。
本发明提供的一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置，通过采用多个相同光纤段，按照熔融拉锥方式依次级联连接为中间光纤段组，将输入端光纤段的大径端与中间光纤段组中首端光纤段的大径端连接，从而构成全光纤结构光输入系统，使得光传输系统的出射光发散角可以获得级联放大效果，以实现出射光完全进入双包层待测光纤的包层进行传输，达到降低光纤损耗，提高系统稳定性，减小测试误差的目的，更好地实现对于双包层光纤的包层数值孔径进行测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的双包层光纤的包层数值孔径测量装置的结构示意图；
图2是本发明提供的双包层光纤的包层数值孔径测量装置的测量过程几何分析示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明提供的双包层光纤的包层数值孔径测量装置的结构示意图，如图1所示，包括：
光源1、双包层待测光纤3和由多个相同光纤段组成的光输入系统2。
将光输入系统的首端光纤段作为输入端光纤段21，由光输入系统的其它光纤段构成中间光纤段组22；
光源的尾纤与所述输入端光纤段的小径端连接，输入端光纤段21的大径端与中间光纤段组22中首端光纤段的大径端连接，光输入系统2中尾端光纤段的小径端与所述双包层待测光纤3连接；
中间光纤段组22中包含多个按照熔融拉锥方式依次级联的光纤段，其中，熔融拉锥方式是指任一光纤段的小径端与相邻光纤段的大径端连接。
具体地，通过光源的尾纤与输入端光纤段21的小径端连接，输入端光纤段21的大径端与中间光纤段组22中首端光纤段的大径端连接，光输入系统2中尾端光纤段的小径端与所述双包层待测光纤3连接，由此可以形成全光纤光路结构。
进一步地，本发明采用多个相同光纤段，按照熔融拉锥方式依次级联构成中间光纤段组22，其中，光纤段尺寸及熔融拉锥的腰区尺寸可根据需求进行预留。本发明中光纤段熔融拉锥的腰区即为光纤段的小径端。
这样，光源发出的光束可以经由输入端光纤段21，依次经过中间光纤段组22的各个光纤段，再经过光输入系统的尾端光纤段射入双包层待测光纤3的包层进行传输，最终从双包层待测光纤3的尾端射出，进入测量系统4中。
其中，光束在中间光纤段组22中进行传输，从光传输系统2中尾端光纤段的小径端发出的出射光发散角可以得到级联放大效果，使出射光可以完全进入双包层待测光纤3的包层进行传输，降低光纤损耗。
本发明所描述的相同光纤段指的是由相同材质制造而成，具有相同光学特性的光纤段。
本发明中光纤段的大径端指的是任一光纤段的两端中，未经熔融拉锥处理，保持原始尺寸不变的一端；光纤段的小径端指的是任一光纤段的两端中，在高温下熔融拉锥后尺寸变小的一端；本发明所描述的熔融拉锥指的是将光纤段的一端在高温加热下熔融，同时进行拉伸，最终在加热区形成锥体形式的特殊波导结构。
进一步地，输入端光纤段21的大径端尺寸与中间光纤段组22中首端光纤段的大径端尺寸相同，中间段光纤组22的同一光纤段的大径端尺寸大于小径端尺寸，并且光纤段的小径端尺寸不小于双包层待测光纤3的包层尺寸。
其中，通过将同一光纤段的大径端尺寸设置为小径端尺寸的一倍，可使光输入系统2尾端光纤段的出射光发散角级联放大为输入端光纤段发散角的2n倍，其中，本发明所描述的2n的n为光输入系统2中光纤段的数量。
另一方面，光输入系统中光纤段的小径端尺寸均不小于双包层待测光纤3的包层尺寸，可进一步确保出射光完全进入双包层待测光纤3的包层进行传输。
本发明的装置通过采用多个相同光纤段，按照熔融拉锥方式依次级联连接为中间光纤段组，将输入端光纤段的大径端与中间光纤段组中首端光纤段的大径端连接，从而构成全光纤结构光输入系统，使得光传输系统的出射光发散角可以获得级联放大效果，以实现出射光完全进入双包层待测光纤的包层进行传输，达到降低光纤损耗，减小测试误差的目的，更好地实现对于双包层光纤的包层数值孔径进行测量。
基于上述任一实施例，所述光源的尾纤与所述输入端光纤段21的小径端通过模式匹配的方式连接。
具体地，本发明所描述的模式匹配指的是光源的尾纤与输入端光纤段21的小径端具有相同的波导结构，从而，输入端光纤段21的小径端可为任意能与光源的尾纤模式匹配的合适尺寸。
本发明通过将光源的尾纤与输入端光纤段21的小径端进行模式匹配的方式熔接，可以降低光源的尾纤与输入端光纤段21之间的连接损耗，进而整体上降低系统的光纤损耗。
基于上述任一实施例，所述任一光纤段的小径端与相邻光纤段的大径端通过对芯熔接的方式连接。
具体地，本发明所描述的对芯熔接指的是使两段光纤段端面的纤芯轴线在同一条直线上的熔接方式。将任一光纤段的小径端与相邻光纤段的大径端进行对芯熔接。
本发明通过将任一光纤段的小径端与相邻光纤段的大径端进行对芯熔接，可以降低光纤段段与段之间的连接损耗，进而整体上降低系统的光纤损耗。
基于上述任一实施例，所述输入端光纤段21的大径端与所述中间光纤段组22中首端光纤段的大径端通过偏芯熔接的方式连接。
具体地，本发明所描述的偏心熔接指的是使两段光纤段端面的纤芯轴线不在同一条直线上的熔接方式。将输入端光纤段21的大径端与所述中间光纤段组22中首端光纤段的大径端进行偏芯熔接。
本发明通过将输入端光纤段21的大径端与中间光纤段组22中首端光纤段的大径端进行偏芯熔接，使光束可以进入中间光纤段组22的包层进行传输。
基于上述任一实施例，所述光输入系统2的光纤段数量具体为：
根据所述光输入系统2中尾端光纤段的小径端数值孔径和所述双包层待测光纤3包层数值孔径的预估值，确定所述光输入系统2的光纤段数量。
具体地，本发明所描述的双包层待测光纤3包层数值孔径的预估值指的是对双包层待测光纤3包层数值孔径进行预估得到的数值。进而，结合光输入系统2中尾端光纤段的小径端数值孔径大于双包层待测光纤3包层数值孔径的要求，可以确定光输入系统2的光纤段的数量n。由此，经过n级放大之后，光输入系统2的出射角数值孔径(NA)远大于双包层待测光纤3数值孔径(NA)，可实现光束在双包层待测光纤3的包层进行传输。
本发明通过对双包层待测光纤3包层数值孔径进行预估，根据光输入系统2中尾端光纤段的小径端数值孔径要大于双包层待测光纤3包层数值孔径的要求，可以有效确定光输入系统2的光纤段的数量。
继续参照图1，如图1所示，本发明中所描述的双包层光纤的包层数值孔径测量装置中还包括测量系统4。
其中，所述测量系统4包括电荷耦合元件(Charge Coupled Device；CCD)系统41、三维微位移平台42和控制系统43。
具体地，将CCD系统41设置在三维微位移平台42上，通过移动三维微位移平台42的三个轴，可以调节CCD系统与双包层待测光纤端面之间的距离，使双包层待测光纤3的出射光成像在CCD系统41的接收屏上，从而得到不同距离对应的不同光斑尺寸，进而通过控制系统43计算出双包层待测光纤3的包层数值孔径。
本发明的测量系统4包括电荷耦合元件(Charge Coupled Device；CCD)系统41、三维微位移平台42和控制系统43，测量系统4可对双包层待测光纤的包层数值孔径进行准确测量。
基于上述任一实施例，所述测量系统，具体用于：
所述三维微位移平台用于响应距离调整指令，对所述电荷耦合元件(CCD)系统与所述双包层待测光纤的端面之间的距离进行调整，获取第一距离信息和第二距离信息；
所述电荷耦合元件系统用于获取第一距离信息对应的第一光斑尺寸和第二距离信息对应的第二光斑尺寸；
所述控制系统用于根据所述第一光斑尺寸和第二光斑尺寸，获取出射光光斑尺寸差值；
根据所述第一距离信息和所述第二距离信息，获取距离差值。
具体地，本发明所描述的距离调整指令指的是主机对三维微位移平台发送的距离调整指令。
进一步地，通过三维微位移平台响应距离调整指令，调节CCD系统与双包层待测光纤端面之间的距离，获取第一距离信息L1。此时，可获得光纤出射光的第一光斑尺寸，控制系统记录该位置时双包层待测光纤出射光第一光斑尺寸对应的直径D1。
再次调节CCD系统与双包层待测光纤端面的距离，获取第二距离信息L2，同样的，此时光纤出射光的光斑尺寸得到改变，可获得第二光斑尺寸，控制系统记录该位置时双包层待测光纤出射光第二光斑尺寸对应的直径D2。
更进一步地，控制系统根据所述第一光斑尺寸对应的直径D1和所述第二光斑尺寸对应的直径D2，计算出射光光斑尺寸的半径差值△r；同时，根据所述第一距离信息L1和所述第二距离信息L2，计算出两次移动的距离差△d。
本发明通过三维微位移平台响应距离调整指令，两次调整CCD系统与双包层待测光纤端面之间的距离，通过控制系统的记录和计算，得到两次移动下的双包层待测光纤端面与CCD系统的距离差△d，以及对应的出射光第一光斑尺寸和第二光斑尺寸的差值△r。
基于上述任一实施例，所述控制系统，具体还用于：
根据所述出射光光斑尺寸差值和移动距离差值，确定所述双包层待测光纤出射光的发散角；
根据所述双包层待测光纤出射光的发散角，计算所述双包层待测光纤的包层数值孔径。
具体地，根据出射光光斑尺寸差值△r和移动距离差值△d，通过几何分析，控制系统可以计算出双包层待测光纤出射光的半发散角θ，进而得到出射光发散角为2θ。
进一步地，基于光纤数值孔径公式可知，光纤的数值孔径为光纤出射光发散角的正弦值，由此，计算出双包层待测光纤的包层数值孔径。
本发明通过出射光光斑尺寸差值和移动距离差值，可以确定双包层待测光纤出射光的发散角，进而计算出双包层待测光纤的包层数值孔径。
图2是本发明提供的双包层光纤的包层数值孔径测量装置的测量过程几何分析示意图，如图2所示，双包层待测光纤的出射光半发散角为θ，第一光斑尺寸对应的直径为D1，第二光斑尺寸对应的直径为D2，第一距离信息为L1，第二距离信息L2。
通过几何分析可知，出射光光斑尺寸差值
Figure BDA0002958424080000101
移动距离差值
Figure BDA0002958424080000102
出射光半发散角
Figure BDA0002958424080000103
进而，基于光纤数值孔径公式，计算得到双包层待测光纤的包层数值孔径NA＝sin(2θ)。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据现有的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置，其特征在于，包括：光源、双包层待测光纤和由多个相同光纤段组成的光输入系统；
将所述光输入系统的首端光纤段作为输入端光纤段，由所述光输入系统的其它光纤段构成中间光纤段组；
所述光源的尾纤与所述输入端光纤段的小径端连接，所述输入端光纤段的大径端与所述中间光纤段组中首端光纤段的大径端连接，所述光输入系统中尾端光纤段的小径端与所述双包层待测光纤连接；
其中，所述中间光纤段组中包含多个按照熔融拉锥方式依次级联的光纤段；所述熔融拉锥方式是指任一光纤段的小径端与相邻光纤段的大径端连接；
其中，所述光纤段的小径端尺寸不小于所述双包层待测光纤的包层尺寸；
所述任一光纤段的小径端与相邻光纤段的大径端通过对芯熔接的方式连接；
所述输入端光纤段的大径端与所述中间光纤段组中首端光纤段的大径端通过偏芯熔接的方式连接。
2.根据权利要求1所述的双包层光纤的包层数值孔径测量装置，其特征在于，所述光源的尾纤与所述输入端光纤段的小径端通过模式匹配的方式连接。
3.根据权利要求1所述的双包层光纤的包层数值孔径测量装置，其特征在于，所述光输入系统的光纤段数量具体为：
根据所述光输入系统中尾端光纤段的小径端数值孔径和所述双包层待测光纤的包层数值孔径的预估值，确定所述光输入系统的光纤段数量。
4.根据权利要求1所述的双包层光纤的包层数值孔径测量装置，其特征在于，所述装置还包括：测量系统；
其中，所述测量系统包括电荷耦合元件系统、三维微位移平台和控制系统。
5.根据权利要求4所述的双包层光纤的包层数值孔径测量装置，其特征在于，所述测量系统，具体用于：
所述三维微位移平台用于响应距离调整指令，对所述电荷耦合元件系统与所述双包层待测光纤的端面之间的距离进行调整，获取第一距离信息和第二距离信息；
所述电荷耦合元件系统用于获取第一距离信息对应的第一光斑尺寸和第二距离信息对应的第二光斑尺寸；
所述控制系统用于根据所述第一光斑尺寸和第二光斑尺寸，获取出射光光斑尺寸差值；
根据所述第一距离信息和所述第二距离信息，获取距离差值。
6.根据权利要求5所述的双包层光纤的包层数值孔径测量装置，其特征在于，所述控制系统，具体还用于：
根据所述出射光光斑尺寸差值和移动距离差值，确定所述双包层待测光纤出射光的发散角；
根据所述双包层待测光纤出射光的发散角，计算所述双包层待测光纤的包层数值孔径。
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