一種橫向前射光光纖幾何參數和折射率分布測量方法

2023-09-20 00:56:20 4

專利名稱：一種橫向前射光光纖幾何參數和折射率分布測量方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖幾何參數和折射率分布測量的方法，屬於光纖非傳輸特性參數的無損測量，是一種利用光纖橫向前射光光強分布測量光纖幾何參數和折射率分布的方法。
光纖幾何參數和折射率分布測量的方法分為斷面(端面)檢測和橫向檢測兩大類。斷面檢測不能用於在線檢測，也不能實現光纖的無損檢測。橫向檢測方法是無損檢測，可不剪斷光纖而實現對光纖任意橫截面的幾何參數和折射率分布的測量。和本發明最接近的橫向前射光光纖非傳輸特性的測量方法是由D.Marcuse在美國《應用光學》發表論文《無損測量光纖折射率分布的聚焦法》(vol.18，p.14，1979)提出的聚焦法和L.S.Watkins在美國《應用光學》發表論文《雷射束在梯度折射率光纖預製棒中的橫向折射及由此決定折射率比和折射率梯度》提出的折射角法(vol.18，p.2214，1979)。折射角法只適用於光纖預製棒，而且上述兩種方法不能實現幾何參數的測量。聚焦法是在忽略了由於纖芯折射率變化而引起的橫向前射光光線軌跡在纖芯內的變化基礎上實現測量的方法，誤差較大。
本發明提出的測量方法既適用於光纖，也適用於光纖預製棒以及具有徑向折射率分布及非零定常透射率的物體。採用本發明的方法是利用橫向前射光的光強分布直接對由於折射率變化引起了變化的光線軌跡進行多點測量，確定出軌跡，從而計算出折射率分布，並利用光強分布的特徵點位置測量幾何參數。通過轉動光纖，測量光纖在不同角度時的幾何參數，確定光纖橫截面的幾何形狀。測量精度高，在同樣的測量裝置中可以實現幾何參數、折射率分布的測量。
本發明通過獲得垂直於光纖芯軸平行入射到光纖側面橫向傳輸通過光纖橫截面的光強密度分布，確定出包層界面，芯、包層間界面，光纖的中心點的位置，測量光纖的纖芯半徑、包層半徑、芯和包層的同軸度。通過繞光纖芯軸轉動光纖測量光纖在不同角度時的纖芯半徑、包層半徑、芯和包層的同軸度以確定包層和纖芯的幾何形狀，測量纖芯、包層的橢圓度。當觀察平面(即物鏡的焦平面)O-O』在入射平面B-B』和過纖芯的光線的匯聚平面A-A』之間，獲得垂直於光纖芯軸平行入射到光纖側面橫向傳輸通過光纖橫截面的光強密度分布。光強變化的斜率最大值點MR，MR』就是包層的界面，其間的極小值點OC就是光纖的中心點。點MR或MR』到點OC的距離的絕對值就是包層的半徑R。當被測段光纖和物鏡或物鏡的入射鏡面浸泡在折射率匹配液中時，且使折射率匹配液的入射界面和入射光線垂直，觀察平面O-O』在入射平面B-B』和過纖芯的光線的匯聚平面A-A』之間，獲得垂直於光纖芯軸平行入射到光纖側面橫向傳輸通過光纖橫截面的光強密度分布。光強變化的斜率最大值點Mr，Mr』就是纖芯的界面，其間的極小值點OC就是纖芯的中心點。點Mr或Mr』到點OC的距離的絕對值就是纖芯的半徑r。匯聚平面A-A』選在過纖芯的光線和光軸相交點區間段的任意位置，可不嚴格定義。
本發明通過獲得垂直於光纖芯軸平行入射到光纖側面橫向傳輸通過光纖橫截面的光強密度分布，確定光線軌跡θ＝θ(r)，(r，θ)是軌跡上點的極坐標。θ＝θ(r)和徑向折射率分布n(r)的關係由如下公式確定n(r)＝C*(1+r2θr2)1/2/r2θr2……….(1)θr是軌跡函數θ＝θ(r)的一階導數。C是常數，對應不同光線的軌跡C取不同值。C可以這樣來確定入射光線在界面上的坐標、入射方向和界面的折射率值，對於漸變折射率界面的折射率值取入射介質的折射率值，對於突變折射率界面的折射率值取第二介質的折射率值。為了提高測量的精度，降低對測量裝置的技術要求，本發明還提出通過光強分布同時確定多條軌跡，由每一條軌跡確定出折射率分布曲線上的一個點，從而描述出整個折射率分布的測量方法。因為每一條軌跡必然和一個以纖芯為圓心，半徑為rc的圓相切，切點(rc，θc)的折射率n(rc)＝C*(1/rc)。和不同軌跡相切的圓半徑不相等，因此測定出多條軌跡就可以確定折射率分布曲線上的多個點。
具有徑向折射率分布的物體的橫向透射光線軌跡函數均符合公式(1)，其橫向透射光的光強密度分布的特徵點也表明了其幾何特徵，因而本發明提出的方法也適用於測量光纖預製棒以及其它具有徑向折射率分布和非零定常透射率的物體的橫截面的折射率分布和幾何參數。
本發明公開的光纖幾何參數及折射率分布測量方法可以通過物鏡將橫向透射光成象在攝象機上，獲得光纖的橫向透射光圖象，利用圖象測量達到很高的精度並在計算機的控制下在同一測量系統中實行光纖幾何參數、幾何形狀和折射率分布的全自動、智能測量。測量過程直觀，特別適用於光纖生產過程的在線監測、控制。


圖1是測量時物鏡焦平面位置說明圖。圖中所繪光纖纖芯是具有漸變折射率分布的光纖的纖芯。
圖2是測量包層時的光強密度分布圖，I是光強密度。
圖3是測量纖芯時的光強密度分布圖，I是光強密度，陰影部分是芯區的光強。
圖4是實施例的測量系統構成示意圖。
實施例用於實施本發明的測量系統由光源1，微動臺2，V型槽3，物鏡4，攝象機5，數字圖象卡6，計算機7，轉動光纖11的裝置8，折射率匹配液盒9，監視器10構成。光源1為非相干平行光束輸出，微動臺2一維微動驅動夾載光纖的V型槽3沿X軸正向、反向位移，物鏡4的光軸和平行光束平行，物鏡4的入射鏡面伸入折射率匹配液盒5中，物鏡4將光纖11的橫向透射光成象在攝象機5上，數字圖象卡6把攝象機5輸出的模擬光強信號轉變成數位訊號輸出至計算機7，計算機7控制微動臺2和轉動光纖裝置8進行測量，計算機7計算、處理測量數據。11是被測光纖。在測量光纖11的纖芯的幾何參數和折射率分布時，折射率匹配液盒9中注入匹配液，被測段光纖和物鏡4或物鏡4的入射鏡面浸泡在折射率匹配液盒9中的折射率匹配液裡。在測量光纖11包層的幾何參數和包層、纖芯同軸度時在折射率匹配盒9中不注入匹配液。在光纖11幾何參數測量過程中，轉動光纖11的次數(N-1)由測量者確定；在光纖11折射率分布測量過程中，光纖11的位移次數L由測量者根據物鏡4的焦深和一維微動臺2的位移步長確定，測量的軌跡條數M由測量者根據攝象機5和數字圖象卡6的解析度確定。物鏡4的放大倍數是K。對於漸變折射率分布光纖11的芯、包層界面折射率值n0是取包層的折射率值。對於突變折射率分布光纖11的芯、包層界面折射率值n0是取纖芯的圓周上的折射率值。R是光纖11的包層的半徑，r是光纖11的纖芯半徑，D是包層、纖芯的不同軸度。匹配液的折射率值是取光纖11包層的折射率值。
光纖11的包層的幾何參數、形狀及包層和纖芯的同軸度測量步驟如下1、令轉動光纖次數的序號i＝0，調用第12步；2、i＝i+1；如果i＞和＝N，執行第4步；3、調用第11步；4、i＝1，2，...，N-1，RMAX＝MAX(Ri，Ri′)，RMIN＝MIN(Ri，Ri′)，D＝＝MAX(Di)；5、包層半徑R在區間(RMIN，RMAX)上，或者按R＝∑(Ri+Ri′)/[2*(N-1)]，取i＝1，2，...N-1計算R值；6、RMAX，RMIN確定了包層橢圓度，包層和纖芯的不同軸度由D確定；7、i＝1；8、作一直線COC』，|CO|＝Ri，|OC′|＝Ri′以O點為圓心轉動直線COC』180°/N；9、i＝i+1，重複0第8步，如果i＞(N-1)，執行第9步；10、連接所有的C、C』點，所得圖形就是包層的幾何形狀，執行第14步；11、計算機7控制轉動光纖11裝置8，使光纖11轉動180°/N，執行第12步；12、計算機7控制微動臺2，調整光纖11，使物鏡4焦平面在過纖芯光線匯聚平面A-A』到入射面B-B』之間的任意位置上；13、通過物鏡4、攝象機5獲取橫向前射光的光強分布，測量計算出光纖11橫向前射光強和背景光強的邊界的斜率最大值處的在Y軸的位置MR，MR′，極值點的位置OC，Ri＝|OC-MR|/K，Ri′＝|OC-MR′|/K，Di＝[OC-(MR-MR′)]/(2*K)，返回；14、結束。
纖芯的幾何參數的測試步驟如下1、計算機7控制微動臺2，調整光纖，使物鏡焦平面O-O』和過纖芯的光線的匯聚面A-A』重合，令轉動光纖次數的序號i＝0；2、i＝i+1；如果i＞＝N，執行第6步；3、通過物鏡4、攝象機5獲取橫向透射光的光強分布，由數字圖象卡6和計算機7測量計算出光強變化的斜率最大值的位置Mr和Mr′，光強密度的極小值點的位置OC；4、計算ri＝|OC-Mr|/K，ri′＝|OC-Mr′|/K；5、計算機7控制轉動光纖裝置8，使光纖11轉動180°/N，執行第2步；6、i＝1，2，...，N-1，rMAX＝MAX(ri，ri′)，rMIN＝MIN(ri，ri′)，纖芯半徑r在區間(rMIN，rMAX)上，或者按r＝∑(ri+ri′)/[2*(N-1)]，取i＝1，2，...N-1計算r值，rMAX，rMIN確定了纖芯的橢圓度；7、i＝1；8、作一直線COC』，|CO|＝ri，|OC′|＝ri′以O點為圓心轉動直線COC』180°/N；9、i＝i+1，重複第8步，如果i＞N-1，執行第10步；10、連接所有的C、C』點，所得圖形就是纖芯的幾何形狀。
纖芯折射率分布的測試步驟如下1、計算機7控制微動臺2，調整光纖，將垂直於入射光線的過芯軸的C-C』面放在物鏡4的焦平面O-O』上；2、計算機7控制微動臺2，移動光纖11，沿X軸反向位移到物鏡4的焦平面和過纖芯的光線的匯聚點或平均匯聚點重合，測量位移值s並保存，令各條軌跡上測量點的序號j＝0，執行第18步；3、令j＝j+1，計算機7控制微動臺2，移動光纖，沿X軸正向位移1+r，r是纖芯半徑，這時B-B′和O-O′重合，執行第18步；4、j＝j+1；如j＞L，執行第6步；5、移動光纖11沿X軸正向位移2r/L；執行第18步；6、令選定的軌跡的條數序號i＝0；7、i＝i+1；8、如果i＞M，執行第20步；9、計算yi1＝|ci1/K|，yi1′＝|ci1′/K|，xi1＝|(r2-yi12)1/2|，xi1』＝|(r2-yi1』2)1/2|；10、依次令，j＝2，3...L，計算Xj＝r-2*(j-1)*r/L，Xj』＝s+r-(j-1)2r/L，Ti＝K*ci0*Xj′/[2r*(cij-ci0)/L]，yij＝|cij/(K-Ti)-Ti*yij-1/(K-Ti)|，Ti』＝K*ci0′*Xj′/[2*r*(cij′-ci0′)/L]，yij′＝|cij′/(K-Ti′)-Ti′*yij-1′/(K-Ti′)|；11、如果是漸變折射率分布光纖Ci＝r*n0*yi1/Xi1/(1+Yi12/Xi12)1/2；如果是突變折射率分布光纖11則計算T＝(Yi1-Yi2)/(Xi1-Xi2)，T′＝|(Xi1*T+Yi1)/(-Xi1+Yi1*T)|，Ci＝r*n0*T′/|[1+T′2]1/2|；12、令j＝1，2，...L，判斷點(Xj，yij)，(Xj，yij′)是否在以(O，O)為圓心，r為半徑的圓周上和圓內，是為有效點；13、取有效點(Xj，yij)，j＝1，2，...L，用光滑曲線連接，得軌跡Ai；14、取有效點(Xj，yij』)，j＝1，2，...L，用光滑曲線連接，得軌跡Ai』；15、求以(O，O)為圓心分別和軌跡Ai，Ai`，相切的圓的半徑ri和ri′；16、按公式n(ri)＝ci*(1/ri)，計算出在正半圓周的r＝ri處的折射率值和在負半圓周r＝ri`處的折射率值；17、保存ri，n(ri)，ri′，n(ri′)值，執行第7步；18、通過物鏡4、攝象機5獲取橫向透射光的光強分布，由數字圖象卡6和計算機7測量計算出纖芯內的總光強PO和極小值點的位置OC；19、根據通過物鏡4、攝象機5獲取的在該位置的橫向透射光的光強分布分別取i＝1，2，...M，分別測量計算從OC到cij和從OC到cij』的芯區內光強＝(P0/2)*i/M的cij和cij』值，計算cij＝OC-cij，cij′＝cij′-OC保存，返回；20、以ri為橫坐標值，折射率值為縱坐標，用平滑曲線連接點(ri，n(ri))和(-ri′，n(ri′))，就是纖芯的折射率分布曲線。
權利要求
1.一種通過穿過光纖的橫向前射光測量光纖包層的幾何尺寸、形狀和包層與纖芯的同軸度的方法，用非相干平行光垂直於光纖芯軸從光纖側面入射，觀察物鏡的光軸和入射光線平行，其特徵在於移動光纖使物鏡的焦平面定位在橫向透射過光纖纖芯的光線的匯聚點或匯聚區域到入射面之間的任一選定位置，第一步，獲得焦平面在該位置時的光強密度分布確定包層界面和光纖的中心點，同時實現光纖在該位置時垂直於入射光的包層的外徑和光纖的中心位置的測量；第二步，繞光纖芯軸轉動光纖固定角度，重複第一步；第三步，重複第二步，直至光纖轉動一周，實現測量光纖包層的幾何形狀、尺寸和包層與纖芯的同軸度。
2.一種通過穿過光纖的橫向前射光測量光纖纖芯的幾何尺寸、形狀的方法，用非相干平行光垂直於光纖芯軸從光纖側面入射，觀察物鏡的光軸和入射光線平行，光纖和物鏡或物鏡入射鏡面浸泡在折射率匹配液中，使匹配液入射界面垂直於入射光線，觀察物鏡的光軸和入射光線平行，其特徵在於移動光纖使物鏡的焦平面定位在橫向透射過纖芯的光線的匯聚點或匯聚區域到入射面之間的任一選定位置，第一步，獲得焦平面在該位置時的光強密度分布，確定纖芯界面和纖芯的中心點位置同時實現垂直於入射光線的光纖纖芯外徑和中心位置的測量；第二步，繞光纖芯軸轉動光纖固定角度，重複第一步；第三步，重複第二步，直至光纖轉動一周，測量光纖纖芯的幾何形狀、尺寸。
3.一種通過穿過光纖的橫向前射光測量光纖纖芯的折射率分布的方法，用非相干平行光垂直於光纖芯軸從光纖側面入射，觀察物鏡的光軸和入射光線平行，光纖和物鏡或物鏡入射鏡面浸泡在折射率匹配液，使匹配液入射界面垂直於入射光線，其特徵在於移動光纖使物鏡的焦平面定位在橫向透射過光纖纖芯的光線的匯聚點或匯聚區域到入射面之間的不同位置，獲得焦平面在各個不同位置時的光強分布以確定任意選取的一條橫向透射過光纖纖芯的光線的在光纖纖芯內的軌跡，實現對纖芯折射率分布的測量。
4.一種通過穿過光纖的橫向前射光測量光纖纖芯的折射率分布的方法，用非相干平行光垂直於光纖芯軸從光纖側面入射，觀察物鏡的光軸和入射光線平行，光纖和物鏡或物鏡的入射鏡面浸泡在折射率匹配液，使匹配液入射界面垂直於光線，觀察物鏡的光軸和入射光線平行，其特徵在於移動光纖使物鏡的焦平面定位在橫向透射過光纖纖芯的光線的匯聚點或匯聚區域到入射面之間的不同位置，獲得焦平面在各個不同位置時的光強分布以確定任意選取的多條橫向透射過光纖纖芯的光線的在光纖纖芯內的軌跡，實現對纖芯的折射率分布的測量。
5.按權利要求1、2、3或4所述的光纖的幾何參數及折射率分布的測量方法，其特徵在於將光纖換成光纖預製棒。
6.按權利要求1、2、3或4所述的光纖的幾何參數及折射率分布的測量方法，其特徵在於將光纖換成具有徑向折射率分布的和非零定常透射率的物體。
全文摘要
本發明公開了一種測量光纖、光纖預製棒以及具有徑向折射率分布和非零定常透射率的物體的幾何參數及折射率分布的測量方法。它利用橫向前射光的光強分布直接對由於折射率變化引起了變化的橫向前射光光線軌跡進行多點測量，確定出軌跡函數，從而計算出折射率分布，並利用光強分布的特徵點，測量幾何參數。本測量方法是一種無損檢測方法，測量直觀、精度高。
文檔編號G01B11/00GK1138690SQ95113060
公開日1996年12月25日 申請日期1995年11月8日 優先權日1995年11月8日
發明者文玉梅, 黃尚廉, 李平, 王曉餘 申請人:重慶大學