一種測定光導纖維的數值孔徑和衰減係數的實驗設備的製作方法

2023-05-15 18:44:41

一種測定光導纖維的數值孔徑和衰減係數的實驗設備的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種測定光導纖維的數值孔徑和衰減係數的實驗設備，所述實驗設備包括：光源、聚焦裝置（2）、多個光強傳感器、準直管（5）、遮光盒（8）、半反半透鏡（9）、處理器（11）、角度傳感器（12）、第一致動裝置（16）、第二致動裝置（17）。所述實驗設備對相同構造、不同長度的第一待測光纖（6）和第二待測光纖（14）進行測量。所述實驗設備具有兩種工作模式，數值孔徑模式和衰減係數模式，能夠方便地在兩種模式之間切換，從而測量待測光纖的數值孔徑和衰減係數。
【專利說明】一種測定光導纖維的數值孔徑和衰減係數的實驗設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及參數測定領域，具體涉及一種用於光導纖維的參數測定的實驗設備。【背景技術】
[0002]隨著光通信技術的飛速發展，光導纖維即光纖的應用已非常普及。數值孔徑表徵光纖的集光能力，衰減係數反應光纖的傳輸損耗。這兩個參數的準確測定對光纖質量的評定和光纖通信系統的傳輸距離的確定起著非常重要的作用。大學物理實驗中，由於數值孔徑和衰減係數的測量方法以及儀器的不同，通常分別使用兩套儀器測量。測量裝置繁多，步驟複雜，測試時間長，儀器設備沒有高效利用。

【發明內容】

[0003]本發明的目的在於:提供一種實驗設備，其可以同時完成光纖的數值孔徑和衰減係數的測量，從而簡化測試過程，提高設備利用率，節省時間。
_4]數值孔徑的測暈
[0005]數值孔徑(NA)有兩種定義方式:一是最大理論數值孔徑，二是遠場強度有效數值孔徑NAeff。NAeff定義為光纖遠場輻射圖上光強下降到最大值5%處的半張角的正弦值。通常測定的為遠場強度有效數值孔徑NArff，因而本發明也旨在對該有效數值孔徑進行測定，可以通過測量光通過光纖後光強的變化來有效測定數值孔徑。
[0006]衰減係數β的測暈
[0007]為了測量衰減係數β，一般是使同樣角分布的雷射束分別通過長度為L1和L2的兩根材料相同的光纖，分別測量經過兩根光纖後的透射光強I1和I2，從而得到:
[0008]I1=10 (1-R)2 (1-A) V0li(I)
[0009]I2=10 (1-R)2 (1-A)n> e_0L2 (2)
[0010]其中，入射光強為Itl，對於兩根光纖採用相同的入射光強，R為端面的光強反射率，A為全反射的損失率，η、η』分別為光在兩根光纖中的全反射次數，如果L1和L2相差不多，n ^ η』。可選用不同長度例如80mm和60mm, 40mm和30mm,兩者長度不能相差大於20mm。當相差超過20mm時，由於全反射的損失率A不便測量，將引入較大誤差。
[0011]式(1)/(2)，得到Ι1/Ι2=θ-β (Ll-L2)=e-e Λ L，Λ L=L1_L2 為兩根光纖的長度差，兩邊取自然對數，得光纖的衰減係數β = (InI2-1nI1) / Δ L。
[0012]在數值孔徑的測量中，需要不斷調整入射光束在光纖端面的入射角來得到光纖遠場輻射圖。一般現有技術中，採用轉動光纖或採用轉動光源的方式來調整入射光束在光纖端面的入射角。其通常情況下要求入射光束一般限定為平行光束，以保證轉動過程中，入射光束的所有光線的入射角是相同的並且入射到光纖端面的光量保持不變。否則，轉動過程中，無法保證入射光量和角度，這會導致光強曲線圖的基準不一致。整個測量過程需要一根光纖，進行一次測量即可得出結果。
[0013]在現有技術中，測量衰減係數時，不需要改變入射光束中光線的入射角，即不需要轉動光纖或是光源，但需要分別對兩根光纖先後進行測量。因此，需要將入射光線匯聚到一起，照射到光纖的端面上，以保證每次的透射光強相同。整個測量過程需要兩根光纖，進行兩次測量，計算可得結果。
[0014]為了採用同一套設備測量數值孔徑和衰減係數兩種參數，需找到兩者的相通點。本申請的發明人發現，數值孔徑和衰減係數最後都與光通過光纖後的光強大小相關。基於此，本申請的發明人設計了本發明的實驗設備。
[0015]具體而言，本發明提出一種測定光導纖維的數值孔徑和衰減係數的實驗設備，所述實驗設備包括:光源、聚焦裝置、多個光強傳感器、準直管、遮光盒、半反半透鏡、處理器、角度傳感器、第一致動裝置、第二致動裝置，其中，所述實驗設備對相同構造、不同長度的第一待測光纖和第二待測光纖進行測量，
[0016]所述光源用於發射雷射束；
[0017]所述聚焦裝置對所述雷射束進行會聚，並且在所述聚焦裝置的焦點附近設置第一光強傳感器；
[0018]所述第一待測光纖的第一端面接收所述雷射束並在所述第一待測光纖的第二端面處輸出所述雷射束，在所述第一待測光纖的第二端面處設置第二光強傳感器；
[0019]所述遮光盒設置在所述第一待測光纖的第二端面處，並且在所述遮光盒的入光口處接收來自所述第一待測光纖的雷射束；
[0020]所述半反半透鏡置於所述遮光盒內，使得從所述遮光盒的入光口處接收的雷射束的部分被反射並從所述遮光盒的第一出光口離開所述遮光盒朝向所述第二待測光纖的第一端面入射，從所述遮光盒的入光口處接收的光束的另一部分透射並從所述遮光盒的第二出光口離開所述遮光盒；
[0021]在所述遮光盒的第二光出口處和所述第二待測光纖的第二端面處分別設置第三光強傳感器和第四光強傳感器；
[0022]所述第一致動裝置與所述準直管相連接，能夠驅動所述準直管進入或離開所述聚焦裝置與所述第一待測光纖之間的光路中；
[0023]所述第二致動裝置與所述第一待測光纖相連接，用於驅動所述第一待測光纖相對於所述光源所發出的雷射的光軸旋轉；
[0024]所述角度傳感器測量所述第一待測光纖相對於所述光源所發出的雷射的光軸而旋轉的角度；
[0025]所述處理器接收各個光強傳感器和所述角度傳感器所測得的信號，並且對所接收到的信號進行處理。
[0026]優選地，所述半反半透鏡的反射和透射比率為50%:50%。
[0027]優選地，所述實驗設備能夠工作在兩種模式下:數值孔徑模式和衰減係數模式。
[0028]優選地，在數值孔徑模式下，所述第一致動裝置驅動所述準直管進入所述聚焦裝置與所述第一待測光纖之間的光路中，並且所述聚焦裝置將所述光源發出的雷射束聚焦在所述準直管的第一端面處，所述雷射束經所述準直管準直後從所述準直管的第二端面出射，併入射到所述第一待測光纖的第一端面。所述第三光強傳感器測量由所述半反半透鏡所透射的光束的最大光強以及隨著所述第一待測光纖的旋轉所透射的光束的光強下降到最大光強的5%時，所述第一待測光纖所旋轉的角度，所述處理器基於所述角度確定所述第一待測光纖的數值孔徑。
[0029]優選地，在衰減係數模式下，所述第一致動裝置驅動所述準直管離開所述聚焦裝置與所述第一待測光纖之間的光路，並且所述聚焦裝置將所述光源發出的雷射束聚焦在所述第一待測光纖的第一端面處。所述處理器基於所述第一待測光纖的第一端面處的入射光強、第二端面處的出射光強、所述第二待測光纖的第二端面處的出射光強、所述第一待測光纖和所述第二待測光纖二者的長度差來確定所述第一待測光纖和所述第二待測光纖的衰減係數。
[0030]本發明將雷射光源、透鏡、準直管組合在一起形成可選的兩種入射光束模式，解決數值孔徑和衰減係數的入射光束不同的問題；通過採用半反半透鏡，解決衰減係數中需要兩根光纖的問題，簡化測試過程，使兩種參數測量裝置更容易融合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是根據本發明的一個實施例的實驗設備在模式一狀態下的示意圖；
[0032]圖2是根據本發明的一個實施例的實驗設備在模式二狀態下的示意圖；
[0033]圖3是測量衰減係數時圖2中所示的兩根待測光纖的局部放大視圖。
【具體實施方式】
[0034]圖1和圖2分別示出了本發明的一個實施例在數值孔徑模式和衰減係數模式下的工作示意圖。
[0035]如圖1所示，本實施例的實驗設備包括:光源(圖1中僅示出了光源所發出的光束I)、聚焦裝置2、多個光強傳感器4、7、10和14、準直管5、遮光盒8、半反半透鏡9、處理器11、角度傳感器12、第一致動裝置17、第二致動裝置16。圖1中還示出了光闌3、導線15。本領域技術人員應該理解，在聚焦裝置2的聚焦效果足夠好的情況下，光闌3是可以省略的。
[0036]由於本發明中的實驗設備要兼顧對光纖數值孔徑和衰減係數二者的測定，因此，測量時，要採用兩根待測光纖(第一待測光纖6和第二待測光纖14)，兩根待測光纖的構造相同，即，屬於同種光纖，只是二者的長度存在一定差異。
[0037]光源優選米用雷射器，用於發射雷射束。
[0038]聚焦裝置2為凸透鏡，優選為可變聚焦凸透鏡或者為可沿雷射光軸移動的可移動透鏡。聚焦裝置2用於對所述雷射束進行會聚/聚焦，在所述聚焦裝置2的焦點附近設置一個光強傳感器。這裡所說的「附近」是指在雷射束的聚焦範圍內但不會影響實驗測量效果的位置。本發明中所採用的光強傳感器的對光強的影響足夠小，以至於衰減係數和數值孔徑的計算過程中，可以認為光強傳感器的影響可以忽略不計。優選地，本發明採用透射型光強傳感器。
[0039]優選地，經聚焦裝置聚焦後雷射束的焦斑等於光纖端面的內徑，從而使得基於光強傳感器的測量值，能夠容易地得到進入光纖的光量。
[0040]第一待測光纖6的第一端面接收來自聚焦裝置或準直管的雷射束，在所述第一待測光纖6的第二端面處設置第二光強傳感器7，對該處的雷射光強進行測量。
[0041]遮光盒8設置在第一待測光纖6的第二端面處，並且遮光盒8的入光口對準第一待測光纖6的第二端面，用於接收來自第一待測光纖6的雷射束。[0042]半反半透鏡9置於遮光盒8內，對從遮光盒8的入光口處接收的光束進行部分反射、部分透射。具體而言，進入遮光盒8的光束的部分被反射並從遮光盒8的第一出光口離開所述遮光盒，進而朝向第二待測光纖14的第一端面入射；從遮光盒8的入光口處接收的光束的另一部分透射通過半反半透鏡9並從遮光盒8的第二出光口離開遮光盒8。
[0043]在第二待測光纖14的第二端面處和遮光盒8的第二光出口處各設置一個光強傳感器，在本實施例中，為第三光強傳感器10和第四光強傳感器13。第一致動裝置17通過支撐杆與準直管5相連接，能夠驅動準直管5進入或離開聚焦裝置2與第一待測光纖6之間的光路中。
[0044]第二致動裝置16通過支撐杆與所述第一待測光纖相連接，用於驅動所述第一待測光纖6相對於光源所發出的雷射的光軸旋轉。這裡所說的相對於雷射光軸旋轉指的是隨著第一待測光纖的旋轉，第一待測光纖的中心軸與該光軸的夾角變化。角度傳感器12附著至所述第二致動裝置16或與該致動裝置連接的支撐杆或第一待測光纖，用於測量所述第一待測光纖相對於所述光源所發出的雷射的光軸旋轉的角度。所述處理器接收多個光強傳感器和角度傳感器12所測得的信號，並獲得相應的數值孔徑和/或衰減係數。
[0045]本實施例的實驗設備能夠工作在兩種模式下:數值孔徑模式和衰減係數模式，下面將分別就這兩種模式進行說明。
[0046]模式一:數倌.孔徑模式
[0047]下面結合圖1對在數值孔徑模式下本實施例的實驗設備的工作方式進行詳細介紹。
[0048]在數值孔徑模式下，準直管5在聚焦裝置2與第一待測光纖6之間的光路中，優選地，三者的中心軸線共線。該模式可以為本實驗設備的初始模式。或者，為了進入該模式，第一致動裝置17驅動準直管5進入聚焦裝置2與第一待測光纖6之間的光路中。準直管5的作用就是使聚焦裝置出射的光變成平行光束，保證所有或至少大部分進入到第一待測光纖的入射光線的入射角是一致的。
[0049]如圖1所示，在此模式下，雷射器產生的雷射束I通過聚焦裝置2會聚到光闌3，光闌3的出口處裝有第一光強傳感器4,雷射照射進入準直管5的第一端面,然後從準直管5的第二端面出射。如上所述，在聚焦裝置2的聚焦效果足夠好的情況下，光闌3是可以省略的。在這種情況下，雷射直接聚焦到準直管5的入光口處。
[0050]雷射束經準直管5準直後從準直管5的第二端面出射，併入射到第一待測光纖6的第一端面。在準直管5與第一待測光纖6之間可以進行無洩漏耦合，從而保證進入到待測光纖6中的光量與進入準直管中的光量相等。
[0051]可選地,第一光強傳感器4可以設置在第一待測光纖6的第一端面處，即入光口處。本領域技術人員可以根據需要自行調整。第一光強傳感器4用於對即將進入第一待測光纖6的光強進行測量。
[0052]第一待測光纖6的支撐杆下部裝有第二致動裝置16。第一待測光纖6或其支撐杆上附著有角度傳感器12。
[0053]雷射光束通過第一待測光纖6後，進入到遮光盒8中，遮光盒8中有半反半透鏡9，光束經過半反半透鏡一部分9被反射，並從遮光盒8的第一出光口(下側出口)出射，進入到第二光纖14的第一端面(入光口),另一部分透射通過半反半透鏡9,從遮光盒8的第二出光口出射。在遮光盒8的第二出光口(右側出口)處設置有第三光強傳感器10。第二光纖14的第二端面(出光口)設置有第四光強傳感器13。所有傳感器通過導線與處理器11相連，可以進行信號通信。
[0054]在模式一下，光強傳感器13在處理器11的控制下不工作。處理器11控制致動裝置16使第一待測光纖6發生水平轉動，角度傳感器12將水平轉動的角度值實時發送到處理器11，光強傳感器10將透射通過半反半透鏡9後的光束的光強值實時發送到處理器11，處理器11得到角度與光強的對應關係或曲線圖，並基於此確定光強下降到最大值5%處的半張角的正弦值。由數值孔徑的定義，即光強下降到最大值5%處的半張角的正弦值，可得到數值孔徑大小。
[0055]具體而言，第一待測光纖6在處理器11控制下發生轉動，從準直管5發出的平行光束照在光纖端面的入射角不斷發生變化。這樣經過半反半透鏡9後，從第一待測光纖光強的大小也會實時發生變化，光強傳感器10和角度傳感器12分別將測得的光強和角度值實時傳送到處理器11，處理器得到一個光強與入射角的曲線。在本實施例中，需要確定:
(I)第一待測光纖6沿光束的光軸放置時,光強傳感器10處所測得的光強,該光強為最大光強；(2)光強傳感器10處測得的雷射的光強等於最大光強5%時，第一待測光纖相對於雷射光軸的角度。
[0056]初始時刻，光束通過準直管垂直進入待測光纖，入射角為零度，光強傳感器10處測得的光強最大。接著待測光纖順時針旋轉，入射角不斷增大，光強傳感器10處測得的光強不斷減小直到等於最大光強5%時，所對應的旋轉角度即是用於確定數值孔徑的角度。
[0057]然後，處理器基於該角度確定第一待測光纖的數值孔徑NAeff。
[0058]模式二:衰減係數模式
[0059]本實施例中的實驗設備的模式二用來測量衰減係數。
[0060]如圖2所示，當處在模式二的狀態時，處理器11控制致動裝置17，驅動準直管5向下移動，離開雷射束的光路，即，使其與聚焦裝置2和第一待測光纖6不在同一軸線上。當準直管5離開聚焦裝置與第一待測光纖之間的光路後，致動裝置17和角度傳感器12在處理器11控制下不工作。
[0061]雷射器發出的雷射經聚焦裝置2聚焦後直接照射在第一待測光纖6的第一端面處，或者經光闌3對孔徑進行調整後照射在第一待測光纖6的第一端面處。雷射光束在第一待測光纖6中傳播後從其第二端面出射。從第一待測光纖6出射的雷射束還是進入遮光盒8。在遮光盒8中，通過半反半透鏡9對進入遮光盒8的光束進行分光。部分雷射被反射朝向第二待測光纖14的第一端面(入光口)，另一部分雷射被半反半透鏡9透射，從遮光盒8的一個出光口離開，並照射在光強傳感器10上。進入第二待測光纖14的光束從其第二端面出射，並照射在第四光強傳感器13上。各個光強傳感器將各自所測得的光強傳輸到處理器中。
[0062]圖3為圖2中第一待測光纖6、遮光盒8、半反半透鏡9和第二待測光纖14的局部放大視圖，用於說明測量衰減係數時，光強的變化。由於半反半透鏡9所能透過的光強的比例是已知的，例如，本實施例中所選擇的是透射和反射各為50%的半反半透鏡。所以，在本實施例中，基於光強傳感器7處所測得的光強，可以知道進入到第二待測光纖14中的光束的光強。[0063]如圖3所示，L1和L2分別代表兩根材料相同、長度不同的光纖的長度，即第一待測光纖6和第二待測光纖14的長度。假設,入射光強為Itl的光束經過第一待測光纖6後,光強變為I1，再經過50%:50%的半反半透鏡9後，進入到第二待測光纖14的光強變為0.511；接著光束從第二待測光纖14的另一端出來後光強變為12。參照上述的公式(I)和(2)，即
【權利要求】
1.一種測定光導纖維的數值孔徑和衰減係數的實驗設備，其特徵在於，所述實驗設備包括:光源、聚焦裝置(2)、多個光強傳感器、準直管(5)、遮光盒(8)、半反半透鏡(9)、處理器(11)、角度傳感器(12)、第一致動裝置(17)、第二致動裝置(16)，其中，所述實驗設備對相同構造、不同長度的第一待測光纖(6)和第二待測光纖(14)進行測量， 所述光源用於發射雷射束； 所述聚焦裝置(2)對所述雷射束進行會聚，並且在所述聚焦裝置的焦點附近設置第一光強傳感器(4); 所述第一待測光纖(6)的第一端面接收所述雷射束並在所述第一待測光纖(6)的第二端面處輸出所述雷射束，在所述第一待測光纖(6)的第二端面處設置第二光強傳感器(7)； 所述遮光盒(8 )設置在所述第一待測光纖(6 )的第二端面處，並且在所述遮光盒(8 )的入光口處接收來自所述第一待測光纖(6)的雷射束； 所述半反半透鏡(9)置於所述遮光盒(8)內，使得從所述遮光盒(8)的入光口處接收的雷射束的部分被反射並從所述遮光盒(8)的第一出光口離開所述遮光盒朝向所述第二待測光纖(14)的第一端面入射，從所述遮光盒(8)的入光口處接收的光束的另一部分透射並從所述遮光盒(8)的第二出光口離開所述遮光盒(8)； 在所述遮光盒(8)的第二光出口處和所述第二待測光纖(14)的第二端面處分別設置第三光強傳感器(10 )和第四光強傳感器(13 ); 所述第一致動裝置(17)與所述準直管(5)相連接，能夠驅動所述準直管(5)進入或離開所述聚焦裝置(2)與所述第一待測光纖(6)之間的光路中； 所述第二致動裝置(16)與所述第一待測光纖(6)相連接，用於驅動所述第一待測光纖(6)相對於所述光源所發出的雷射的光軸旋轉； 所述角度傳感器(12)測量所述第一待測光纖(6)相對於所述光源所發出的雷射的光軸而旋轉的角度； 所述處理器(11)接收各個光強傳感器和所述角度傳感器(12)所測得的信號，並且對所接收到的信號進行處理。
2.如權利要求1所述的實驗設備，其特徵在於，所述半反半透鏡(9)的反射和透射比率為 50%:50%。
3.如權利要求1所述的實驗設備，其特徵在於，所述實驗設備能夠工作在兩種模式下:數值孔徑模式和衰減係數模式。
4.如權利要求3所述的實驗設備，其特徵在於，在數值孔徑模式下，所述第一致動裝置(17)驅動所述準直管(5)進入所述聚焦裝置(2)與所述第一待測光纖(6)之間的光路中，並且所述聚焦裝置(2)將所述光源發出的雷射束聚焦在所述準直管(5)的第一端面處，所述雷射束經所述準直管(5)準直後從所述準直管(5)的第二端面出射，併入射到所述第一待測光纖(6)的第一端面。
5.如權利要求4所述的實驗設備，其特徵在於，所述第三光強傳感器(10)測量由所述半反半透鏡(9)所透射的光束的最大光強以及隨著所述第一待測光纖(6)的旋轉所透射的光束的光強下降到最大光強的5%時，所述第一待測光纖(6)所旋轉的角度，所述處理器(11)基於所述角度確定所述第一待測光纖(6)的數值孔徑。
6.如權利要求3所述的實驗設備，其特徵在於，在衰減係數模式下，所述第一致動裝置(17)驅動所述準直管(5)離開所述聚焦裝置(2)與所述第一待測光纖(6)之間的光路，並且所述聚焦裝置(2)將所述光源發出的雷射束聚焦在所述第一待測光纖(14)的第一端面處。
7.如權利要求6所述的實驗設備，其特徵在於，所述處理器(11)基於所述第一待測光纖的第一端面處的入射光強、第二端面處的出射光強、所述第二待測光纖的第二端面處的出射光強、所述第一待測光纖和所述第二待測光纖二者的長度差來確定所述第一待測光纖和所述第二待測光纖的衰減`係數。
【文檔編號】G01M11/02GK103558011SQ201310503849
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月23日 優先權日:2013年10月23日
【發明者】支珊, 王啟銀, 石慧, 趙銳, 王曉強, 李學勤, 趙飛 申請人:國家電網公司, 山西省電力公司大同供電分公司