CN114878140B - 一种非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非破坏式的微结构光纤侧面散射损耗测量装置和方法,装置包括由焊接框架，操作面板，光学面包板，以及底板构成的本体、连续激光器、分束器、第一光电传感器、带有旋转接头的第一标准绕纤盘、第二标准绕纤盘、第一导向轮、第二导向轮、第三导向轮、第四导向轮、牵引装置、张力调节装置、光学安装孔、第二光电传感器、控制器、第一绕卷电机、第二绕卷电机、计算机和万向轮。克服了微结构光纤损耗测量对其的破坏；可对光纤侧面散射损耗长距离实时检测并保证了光纤的完整性。本装置对沿待测微结构光纤纵向的散射损耗进行监测，在获得光纤的均匀性信息的同时对缺陷进行定位。本发明可为微结构光纤侧面散射损耗测量及缺陷检测提供平台。

Description

一种非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置和方法

技术领域

本发明涉及微结构光纤测量技术领域，特别是一种非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置，能够对微结构光纤侧面散射损耗进行测量，同时具有张力调节、自动复绕与实时长度测量功能。

背景技术

在微结构光纤测试领域中，现有测试微结构光纤损耗的方法大多会对光纤造成破坏，如截断法，且该方法得到的是微结构光纤的总损耗，包括吸收损耗和散射损耗。并且大多数测试方法都具有无法对长距离光纤进行无损检测和无法检测光纤的分布式散射损耗两个弊端，目前亟须提出一种能够解决以上两个弊端的方案。对于较为特殊的光纤，比如微结构保偏光纤，其结构的均匀性在很大程度上决定了该光纤的光学性能，需要一个装置筛选出符合实验需求的微结构光纤。且目前已知的光纤复绕机都不具备在复绕的过程中对光纤进行特性表征的能力，无法复绕过程与光纤特性表征有机的结合起来。根据目前已知的资料，南安普顿大学在光纤复绕过程中加入积分球装置，利用积分球收集光纤侧向散射光，但此种收集散射光的方法具有噪声大，积分球自身损耗高，无法收集全部的侧向散射光的缺陷，且装置设计整体性不高，无法进行拓展实验。所以目前尚无对长距离微结构光纤的侧面散射损耗进行非破坏式检测的装置。

发明内容

本发明针对上述需求，提供了一种非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置，在保证待测光纤完整性的基础上，能够在复绕的过程中对长距离微结构光纤的侧面散射损耗进行测量，并且记录微结构光纤的长度，在获得待测光纤均匀度的同时对待测光纤的缺陷进行准确定位，筛选出符合实验需求的待测微结构光纤且可以根据实验需求进行移动。激光在光纤中传输的过程中，会激发出光纤内的高阶模式，不同的模式具有不同的散射光强度与角度，根据不同位置散射损耗的大小，可以观察到微结构光纤内模式的变化。此外，安装光学面包板，提高的装置的整合度，在装置顶部放置连续激光器、第一光电传感器、计算机以及后续进行扩展实验所需要的设备。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置，包括由呈长方体的焊接框架、焊接在该焊接框架竖直面的操作面板、焊接在该焊接框架顶部的光学面包板，以及焊接在该焊接框架底部的底板构成的本体，其特征在于，在所述的本体内部设置有供第一绕卷电机放置的第一电机支撑板、供第二绕卷电机放置的第二电机支撑板以及第一绕卷电机和第二绕卷电机；

在所述的光学面包板上放置有连续激光器、分束器、第一光电传感器和计算机；

在所述的操作面板上固定安装有带有旋转接头的第一标准绕纤盘、第一导向轮、张力调节装置、带有计数装置的第二导向轮、具有检测功能的第三导向轮、牵引装置、具有牵引功能的第四导向轮、第二标准绕纤盘和控制器，以及供第二光电传感器移动固定的多个光学安装孔，使所述的第二光电传感器的光敏面的法线和第三导向轮的顶部切线重合，且光敏面与第三导向轮的距离可调；

所述的连续激光器的输出光束经所述的分束器分为探测光束和参考光束，所述的探测光束通过光纤经旋转接头与待测微结构光纤耦合，该待测微结构光纤由第一标准绕纤盘出发，依次绕过第一导向轮、张力调节装置、第二导向轮、第三导向轮、牵引装置、第四导向轮、最后复绕至第二标准绕纤盘；所述的参考光束由第一光电传感器接收，所述的第一光电传感器与第二光电传感器分别通过信号线与计算机相连；所述的计数装置、第一绕卷电机、第二绕卷电机分别通过信号线与所述的控制器相连。

所述的焊接框架底部安装有四个底部万向轮。

所述的分束器的分光比为9：1，即探测光束强度：参考光束强度＝9：1。

所述的旋转接头确保在复绕过程中探测光束稳定与待测微结构光纤耦合。

所述的连续激光器为符合待测量微结构光纤工作波段内的波长的激光器。

所述的待测微结构光纤为无包层光纤。

所述的第一光电传感器、第二光电传感器可进行低光功率测量，具有集成的校准数据存储功能，带有自动开/关检测的内置OD1衰减滤波器以及用于温度漂移补偿的温度传感电子设备。

所述的张力调节装置由张力调节轮、张力调节杆与张力调节滑块构成；张力调节杆的重心点处与操作面板活动连接，在张力调节杆的一端活动连接有张力调节导向轮，另一端上设置有张力调节滑块，张力调节滑块能够在另一端至张力调节杆重心点处滑动。

所述的第一绕卷电机带动第一牵引轮顺时针转动，进而通过硅胶牵引带带动第二牵引轮同时顺时针转动，确保待测微结构光纤复绕到第二标准绕纤盘上。

所述的焊接框架底部安装有四个万向轮，可进行测量装置的移动；

利用上述的非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置对待测微结构光纤侧面散射损耗进行测量，其特征在于，该测量方法的步骤如下：

1)将待测微结构光纤从第一标准绕纤盘依次绕过第一导向轮、张力调节装置、第二导向轮、第三导向轮、牵引装置、第四导向轮，最后复绕至第二标准绕纤盘；

2)开启连续激光器，通过分束器，使探测光束经过旋转接头耦合进待测微结构光纤；使参考光束入射到第一光电传感器的光敏面；开启第一光电传感器、第二光电传感器、计算机、控制器；第一绕卷电机带动牵引滑轮顺时针旋转；第二绕卷电机带动第二标准绕纤盘逆时针旋转，使待测微结构光纤稳定匀速的进行复绕过程；

3)由安装在操作面板上的光学安装孔上的第二光电传感器测量得出待测微结构光纤沿长度各个位置的侧面散射损耗，第二光电传感器的光敏面的法线和第三导向轮的顶部切线重合，且光敏面与所述的具有检测功能的第三导向轮的距离可调；通过调节张力调节装置中张力调节滑块在张力调节杆上的位置，使待测微结构光纤上的张力满足复绕需求；

4)计数装置通过读取第二导向轮的转动圈数，经控制器得到待测微结构光纤的实时复绕长度；

5)第二光电传感器获取待测微结构光纤的侧面散射强度信号，并经计算机处理，结合控制器获得的实时复绕长度得到光纤的侧面散射损耗随复绕长度的变化关系，进而分析得到光纤的结构均匀性和光纤内模式的变化，并对光纤的缺陷位置进行精确定位。

本发明与现有技术相比较具有以下进步技术效果：

1、本发明技术在适用条件方面，对连续激光器的工作波长范围和待测微结构光纤设计波长没有特殊要求，普适度高，比原有技术在工作波长的限制具有一定优势。

2、本发明结构中，通过具有不同功能和装置的变向导向轮改变微结构光纤复绕方向，使得原本与微结构光纤纵向几乎平行出射的散射光相切于具有检测功能的第三导向轮出射，便于在光学安装孔安装第二光电传感器对切向侧面散射光进行探测。通过第二光电传感器与具有检测功能的第三导向轮之间的配合，在一定角度范围内实现了对原本难以测量到的微结构光纤侧面散射损耗的测量。

3、本发明在测量空心光纤侧面散射损耗的同时，还可以实时监测微结构光纤的复绕长度，根据实时复绕长度与侧面散射损耗的关系曲线，可以同时检测微结构光纤的结构均匀性，并对待测光纤的缺陷位置进行精确定位，进而筛选出符合实验要求的微结构光纤。

4、本发明整合度高，功能多样，具有顶部的铝制光学面包板与操作面板右下角的光学安装孔，满足了扩展实验需求，将检测过程与光纤复绕过程结合起来。此外，装置底部的万向轮使得整个装置可以根据实验需求进行移动，扩大了该装置的应用场景。

5、本发明将微结构光纤无损检测、微结构光纤的分布式损耗测量与光纤复绕装置进行结合，可在微结构光纤复绕过程中进行无损检测，得到其分布式损耗。此外，通过得到的分布式损耗曲线，可以得到光纤内模式在传输过程中的变化。

附图说明

图1是本发明提出的一种非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置示意图；

图2是本发明提出的一种非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置中第一绕卷电机、第二绕卷电机、操作面板、第一电机支撑板和第二电机支撑板与第二光纤缠绕盘和牵引装置之间的结构示意图；

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详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明提出的一种非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置示意图，该装置的构成包括由呈长方体的焊接框架3、焊接在该焊接框架3竖直面的操作面板5、焊接在该焊接框架3顶部的光学面包板6，以及焊接在该焊接框架3底部的底板8构成的本体，其特征在于，在所述的本体内部设置有供第一绕卷电机232放置的第一电机支撑板71、供第二绕卷电机231放置的第二电机支撑板72以及第一绕卷电机232和第二绕卷电机231；

在所述的光学面包板6上放置有连续激光器1、分束器2、第一光电传感器 4和计算机22；

在所述的操作面板5上固定安装有带有旋转接头9的第一标准绕纤盘10、第一导向轮12、张力调节装置13、带有计数装置15的第二导向轮14、具有检测功能的第三导向轮16、牵引装置20、具有牵引功能的第四导向轮19、第二标准绕纤盘11和控制器21，以及供第二光电传感器17移动固定的多个光学安装孔18，使所述的第二光电传感器17的光敏面的法线和第三导向轮16的顶部切线重合，且光敏面与第三导向轮16的距离可调；

所述的连续激光器1的输出光束经所述的分束器2分为探测光束和参考光束，所述的探测光束通过光纤经旋转接头9与待测微结构光纤耦合，该待测微结构光纤由第一标准绕纤盘10出发，依次绕过第一导向轮12、张力调节装置 13、第二导向轮14、第三导向轮16、牵引装置20、第四导向轮19、最后复绕至第二标准绕纤盘11；所述的参考光束由第一光电传感器4接收，所述的第一光电传感器4与第二光电传感器17分别通过信号线与计算机22相连；所述的计数装置15、第一绕卷电机232 、第二绕卷电机231 分别通过信号线与所述的控制器21相连。

所述的连续激光器1为Thorlabs公司的台式可调谐激光光源，可在C波段下工作，输出功率为100mw；

所述的待测微结构光纤为带隙光纤，外径为125μm，长度约为10km；

所述的顶部铝制光学面包板6用于放置连续激光器1、第一光电传感器4、计算机22及扩展实验所需设备，尺寸为2500mm×720mm；

所述的第一光电传感器4、第二光电传感器17为Newport公司的918D-IG-OD1R铟镓砷光电探测器，可进行低光功率测量，最小可测量功率为 20pw，具有集成的校准数据存储功能，带有自动开/关检测的内置OD1衰减滤波器以及用于温度漂移补偿的温度传感电子设备；

所述的张力调节装置13由张力调节轮131、张力调节杆132与张力调节滑块133构成；张力调节杆132的重心点处与操作面板5活动连接，在张力调节杆132的一端活动连接有张力调节导向轮，另一端上设置有张力调节滑块133，张力调节滑块133能够在另一端至张力调节杆132重心点处滑动，张力在 0.2-1.5N可调；

所述的第一导向轮12、张力调节装置13、第二导向轮14、第三导向轮16、第四导向轮19直径均为150mm；

所述的牵引装置20由第一牵引轮201、第二牵引轮202和硅胶牵引带203 构成，所述的第一绕卷电机232带动第一牵引轮201顺时针转动，进而通过硅胶牵引带203带动第二牵引轮202同时顺时针转动，确保待测微结构光纤复绕到第二标准绕纤盘11上；

所述的控制器21为可编程控制器或单片机；

所述的第一绕卷电机232、第二绕卷电机231为伺服电机，通过信号线与控制器21相连，复绕速度在1-25m/min可调；

所述的计数装置15为光电传感器，通过信号线与控制器21相连；

所述焊接框架3底部安装有四个万向轮241，242，243，244，可进行测量装置的移动；

所述非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置尺寸约2.5m×1.5m× 1.8m，总重约为1000kg；

本发明具体实施方法如下：

1)将待测微结构光纤从第一标准绕纤盘10依次绕过第一导向轮12、张力调节装置13、第二导向轮14、第三导向轮16、牵引装置20、第四导向轮19，最后复绕至第二标准绕纤盘11；

2)开启连续激光器1，通过分束器2，使探测光束经过旋转接头9耦合进待测微结构光纤；使参考光束入射到第一光电传感器4的光敏面；开启第一光电传感器4、第二光电传感器17、计算机22、控制器21；第一绕卷电机232带动牵引滑轮顺时针旋转；第二绕卷电机231带动第二标准绕纤盘11逆时针旋转，使待测微结构光纤稳定匀速的进行复绕过程；

3)由安装在操作面板5上的光学安装孔18上的第二光电传感器17测量得出待测微结构光纤沿长度各个位置的侧面散射损耗，第二光电传感器17的光敏面的法线和第三导向轮16的顶部切线重合，且光敏面与所述的具有检测功能的第三导向轮16的距离可调；通过调节张力调节装置13中张力调节滑块133在张力调节杆132上的位置，使待测微结构光纤上的张力满足复绕需求；

4)计数装置15通过读取第二导向轮14的转动圈数，经控制器21得到待测微结构光纤的实时复绕长度；

5)第二光电传感器17获取待测微结构光纤的侧面散射强度信号，并经计算机22处理，结合控制器21获得的实时复绕长度得到光纤的侧面散射损耗随复绕长度的变化关系，进而分析得到光纤的结构均匀性和光纤内模式的变化，并对光纤的缺陷位置进行精确定位。

本发明对连续激光器的工作波长范围和待测微结构光纤设计波长没有特殊要求，普适度高，比原有技术在工作波长的限制具有一定优势。

本发明可以长距离无损测量近似平行于微结构光纤纵向的散射光，从而得到光纤侧面散射损耗与长度的变化关系，这是现有技术所不能实现的。

本发明将微结构光纤无损检测、微结构光纤的分布式损耗测量与光纤复绕装置进行结合，可在微结构光纤复绕过程中进行无损检测，得到其分布式损耗。此外，通过得到的分布式损耗曲线，可以得到光纤内模式在传输过程中的变化。

Claims (9)

1.一种非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置，包括由呈长方体的焊接框架(3)、焊接在该焊接框架(3) 竖直面的操作面板(5)、焊接在该焊接框架(3)顶部的光学面包板(6)，以及焊接在该焊接框架(3)底部的底板(8)构成的本体，其特征在于，在所述的本体内部设置有供第一绕卷电机(232)放置的第一电机支撑板(71)、供第二绕卷电机(231)放置的第二电机支撑板(72)以及第一绕卷电机(232)和第二绕卷电机(231)；

在所述的光学面包板(6)上放置有连续激光器(1)、分束器(2)、第一光电传感器(4)和计算机(22)；

在所述的操作面板(5)上固定安装有带有旋转接头(9)的第一标准绕纤盘(10)、第一导向轮(12)、张力调节装置(13)、带有计数装置(15)的第二导向轮(14)、具有检测功能的第三导向轮(16)、牵引装置(20)、具有牵引功能的第四导向轮(19)、第二标准绕纤盘(11)和控制器(21)，以及供第二光电传感器(17) 移动固定的多个光学安装孔(18)，使所述的第二光电传感器(17)的光敏面的法线和第三导向轮(16)的顶部切线重合，且光敏面与第三导向轮(16)的距离可调；

所述的连续激光器(1)的输出光束经所述的分束器(2)分为探测光束和参考光束，所述的探测光束通过光纤经旋转接头(9)与待测微结构光纤耦合，该待测微结构光纤由第一标准绕纤盘(10)出发，依次绕过第一导向轮(12)、张力调节装置(13)、第二导向轮(14)、第三导向轮(16)、牵引装置(20)、第四导向轮(19)、最后复绕至第二标准绕纤盘(11)；所述的参考光束由第一光电传感器(4)接收，所述的第一光电传感器(4)与第二光电传感器(17)分别通过信号线与计算机(22)相连；所述的计数装置(15)、第一绕卷电机(232)、第二绕卷电机(231)分别通过信号线与所述的控制器(21)相连；

所述的牵引装置(20)由第一牵引轮(201)、第二牵引轮(202)和硅胶牵引带(203)构成，所述的第一绕卷电机(232)带动第一牵引轮(201) 顺时针转动，进而通过硅胶牵引带(203)带动第二牵引轮（202)同时顺时针转动，第二绕卷电机(231)带动第二标准绕纤盘(11)逆时针旋转，确保待测微结构光纤复绕到第二标准绕纤盘(11)上。

2.根据权利要求1所述的非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置，其特征在于，所述的焊接框架(3)底部安装有四个底部万向轮(241，242，243，244)。

3.根据权利要求1所述的非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置，其特征在于，所述的分束器(2)的分光比为9：1，即探测光束强度：参考光束强度=9：1。

4.根据权利要求1所述的非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置，其特征在于，所述的旋转接头(9)确保在复绕过程中探测光束稳定与待测微结构光纤耦合。

5.根据权利要求1所述的一种非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置，其特征在于，所述的连续激光器(1)为符合待测量微结构光纤工作波段内的波长的激光器。

6.根据权利要求1所述的一种非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置，其特征在于，所述的待测微结构光纤为无包层光纤。

7.根据权利要求1所述的一种非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置，其特征在于，所述的第一光电传感器(4)、第二光电传感器(17)可进行低光功率测量，具有集成的校准数据存储功能，带有自动开/关检测的内置OD1衰减滤波器以及用于温度漂移补偿的温度传感电子设备。

8.根据权利要求1所述的一种非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置，其特征在于，所述的张力调节装置(13)由张力调节轮(131)、张力调节杆(132)与张力调节滑块(133)构成；张力调节杆(132)的重心点处与操作面板(5)活动连接，在张力调节杆(132)的一端活动连接有张力调节导向轮，另一端上设置有张力调节滑块(133)，张力调节滑块(133)能够在另一端至张力调节杆(132)重心点处滑动。

9.利用权利要求1-8任一所述的一种非破坏式微结构光纤侧面散射损耗测量装置对待测微结构光纤侧面散射损耗进行测量的测量方法，其特征在于，该测量方法的步骤如下：

1)将待测微结构光纤从第一标准绕纤盘(10)依次绕过第一导向轮(12)、张力调节装置(13)、第二导向轮(14)、第三导向轮(16)、牵引装置(20)、第四导向轮(19)，最后复绕至第二标准绕纤盘(11)；

2)开启连续激光器(1)，通过分束器(2)，使探测光束经过旋转接头(9)耦合进待测微结构光纤；使参考光束入射到第一光电传感器(4)的光敏面；开启第一光电传感器(4)、第二光电传感器(17)、计算机(22)、控制器(21)；第一绕卷电机(232)带动第一牵引轮(201)顺时针旋转；第二绕卷电机(231)带动第二标准绕纤盘(11)逆时针旋转，使待测微结构光纤稳定匀速的进行复绕过程；

3）由安装在操作面板(5)上的光学安装孔(18)上的第二光电传感器(17)测量得出待测微结构光纤沿长度各个位置的侧面散射损耗，第二光电传感器(17)的光敏面的法线和第三导向轮(16)的顶部切线重合，且光敏面与所述的具有检测功能的第三导向轮(16)的距离可调；通过调节张力调节装置(13)中张力调节滑块(133)在张力调节杆(132)上的位置，使待测微结构光纤上的张力满足复绕需求；

4)计数装置(15)通过读取第二导向轮(14)的转动圈数，经控制器(21)得到待测微结构光纤的实时复绕长度；

5)第二光电传感器(17)获取待测微结构光纤的侧面散射强度信号，并经计算机(22)处理，结合控制器(21)获得的实时复绕长度得到光纤的侧面散射损耗随复绕长度的变化关系，进而分析得到光纤的结构均匀性和光纤内模式的变化，并对光纤的缺陷位置进行精确定位。

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