一种光子晶体光纤方位角的确定方法
【专利摘要】本发明公开了一种光子晶体光纤方位角的确定方法，用激光垂直照射在光子晶体光纤的侧面并在前方的成像屏上成像，用数码相机拍摄散射条纹图案，其特征在于：对散射条纹图案的处理方式为：将散射条纹图案分割成上下两个区域，两个区域光强度之和分别为第一特征值和第二特征值，逐步旋转光子晶体光纤，得到与旋转角度一一对应的第一特征值组和第二特征值组，求得第一旋转角度极值组及第二旋转角度极值组，并分别从中选出第一角度θ1及第二角度θ2，该两角度差值的绝对值小于20°，光子晶体光纤ГК方位角θГК由公式θГК=（θ1+θ2）/2确定。本发明可用于光子晶体光纤器件的制作加工过程，具有重要的应用前景。
【专利说明】一种光子晶体光纤方位角的确定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光子晶体光纤领域，具体涉及一种光子晶体光纤方位角的确定方法。
【背景技术】
[0002]自1991年Russell第一次提出了光子晶体光纤，光子晶体光纤引起广泛关注，已应用于光子晶体光纤激光器、模间干涉传感器、折射率传感器、光学集成电路、温度传感器等方面。当加工制作基于光子晶体光纤的光学器件时，其制作过程都要求对光子晶体光纤的特殊方位角进行确定。例如，在光子晶体光纤光栅的刻写时，刻写激光以不同角度进入光子晶体光纤内部的效率不同，因此需要在刻写过程中确定激光的进入方向与光子晶体光纤端面微结构之间的相对位置关系。在侧边抛磨光子晶体光纤的加工时，由于不同角度的抛磨会导致光子晶体光纤抛磨区模场的不同分布；在光子晶体光纤耦合器的制作时，需要根据设计要求调整两根光子晶体光纤的相对位置。虽然端面成像的方法可以确定光子晶体光纤的方位角，但只适用于光纤端面可供观察的情况，例如光子晶体光纤熔接。但对于光子晶体光纤器件加工时其端面无法直接观察，难以使用端面成像方法观察光纤端面进而确定方位角。因此，发展一种无损、无破坏性的光子晶体光纤轴向方位角的定位方法，对加工制作光子晶体光纤器件有着十分重要的意义。
[0003]目前，对光子晶体光纤内部结构方位角的研究多数为数值模拟研究；也有采用实验方法确定光子晶体光纤内部结构方位角的研究。在已有的文献中，有研究小组采用氦氖激光垂直光纤轴向方向照射光子晶体光纤，分析前向散射光接近中心处的散射光强度变化实现光子晶体光纤内部结构的检测。为了降低激光在光子晶体光纤内部多重散射效应的影响，需要在光子晶体光纤的空气孔中填充折射率接近光纤包层的匹配液，匹配液的加入将污染光子晶体光纤，影响光子晶体光纤的性质，另外不同种类的光子晶体光纤对于前向散射光的接收器的位置各不相同，且对位置的精确度要求很高。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术的不足，提供一种无损、无破坏性的光子晶体光纤方位角的确定方法。
[0005]本发明的技术方案如下:
一种光子晶体光纤方位角的确定方法，其属于激光前向散射图案分析法，用激光垂直照射在光子晶体光纤的侧面并在前方的成像屏上成像，该成像为前向散射条纹图案，用数码相机拍摄该散射条纹图案，由与数码相机相连的处理器对散射条纹图案进行处理，其特征在于:处理器对散射条纹图案的处理方式为:以经过中心亮纹的中心且与光子晶体光纤轴向相平行的线为分界线，将散射条纹图案分割成两个区域，两个区域光强度之和分别为第一特征值和第二特征值，逐步旋转光子晶体光纤，得到与旋转角度一一对应的第一特征值组和第二特征值组，根据第一特征值组及其对应的旋转角度求得第一旋转角度极值组，根据第二特征值组及其对应的旋转角度求得第二旋转角度极值组，从第一旋转角度极值组中任意选取一个值为第一角度Θ i，从第二旋转角度极值组中选取与第一角度的差值的绝对值小于角度阈值的值为第二角度θ2，该角度阈值小于20°，光子晶体光纤ΓΚ方位角θ ΓΚ由公式θ ΓΚ= ( Θ ^ Θ 2)/2确定，实现了光子晶体光纤方位角的确定。
[0006]进一步的，激光为可见光波长范围的激光。
[0007]进一步的，角度阈值为10°。
[0008]进一步的，旋转角度极值的获取方法包括以下3个步骤:
(O从特征值组中求得最大值M ；
(2)从该特征值组中筛选出大于MXn%的极大值，90( n〈100 ；
(3)对筛选出的每一个极大值作以下处理:该极大值对应的旋转角度为Θ，在旋转角度在θ ±χ°的范围内的特征值中，如果该极大值为最大值，则该极大值对应的旋转角度为旋转角度极值；
从第一特征值组中筛选出的所有旋转角度极值构成第一旋转角度极值组，从第二特征值中筛选出的所有旋转角度极值构成第二旋转角度极值组。
[0009]进一步的，步骤(3)中X值的确定方法如下:
(3.1)在已知光子晶体光纤内部结构的条件下，X的大小视光子晶体光纤的内部轴向结构而定，当光子晶体光纤内部结构为六重旋转对称结构时，则35 < X < 55 ;当光子晶体光纤内部结构为八重旋转对称结构时，则25 < X < 40 ;当光子晶体光纤内部结构为二重旋转对称结构时，95 ^ X ^ 175 ；
(3.2)在未知光子晶体光纤内部结构的条件下，35 < X < 40。
[0010]本发明利用激光垂直照射光子晶体光纤产生的前向散射图案的区域强度求和建立了特征值与光子晶体光纤方位角的关系。针对散射图案中散射条纹的变化，提出基于前向散射图案半幅散射条纹强度值求和可实现光子晶体光纤方位角的确定。采用此方法应用于光子晶体光纤方位角的确定，精确度在0.5°之内。通过单模光纤实验的对比分析，证明散射图案的变化确实由于光子晶体光纤内部空气孔周期性结构所影响的，同时证明本发明所提出的方法适用于空气孔光子晶体光纤方位角的确定。本发明的方法是一种无破坏性、非接触、在线、无污染、处理方法简单、精度高、不受位置影响以及适用于各种光子晶体光纤方位角的确定，而且在光子晶体光纤器件的制作加工过程，具有重要的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是实验装置示意图；
图2是无截止单模光子晶体光纤结构示意图；
图3是大模场光子晶体光纤LMA-10的结构不意图；
图4是大模场光子晶体光纤LMA-20结构不意图；
图5是混合结构光子晶体光纤结构示意图；
图6是激光照射处于不同方位角的光子晶体光纤产生的散射条纹图案；
图7是散射条纹图案分成上下半区示意图；
图8是无截止单模光子晶体光纤前向散射条纹图案上、下区域强度值总和与方位角的关系;
图9是大模场光子晶体光纤LMA-10前向散射条纹图案上、下区域强度值总和与方位角的关系;
图10是大模场光子晶体光纤LMA-20前向散射条纹图案上、下区域强度值总和与方位角的关系；
图11是混合结构光子晶体光纤前向散射条纹图案上、下区域强度值总和与方位角的关系;
图12是图8的局部放大图以及光子晶体光纤处于不同方位角时的端面显微图片；
图13是图8中6个特征峰位置的相对偏差；
图14是单模光纤前向散射图案上、下区域强度值总和与方位角的关系；
图1中，I为激光器，2为步进电机，3为激光束，4为CCD相机，5为光子晶体光纤，6为显微相机，7为前向散射条纹，8为成像屏。
【具体实施方式】
[0012]图1是本发明的实验装置示意图，图2至图5是多种光子晶体光纤的示意图以及r K方位角的定义。图6是激光照射处于不同方位角的光子晶体光纤产生的散射条纹图案，图中方位角、端面图及散射图案是一一对应的。图7是散射条纹图案分成上下半区示意图。
[0013]实施例1
对图2所示的无截止单模光子晶体光纤进行方位角的确定，将其置于图1所示的实验装置图中，随着步进电机的旋转，散射条纹图案上、下区域强度值总和与方位角的关系如图8所示，对该图中的方位角在55?65°的区域进行放大，如图12所示，上半区光强最大值对应的角度为62.73°，下半区光强最大值对应的角度为57.17°，其平均值60°所对应的方位就是Γ K方位，端面图也同时放置于图12中。本实验中，由于采用了相机获取端面的图形，所以初始的位置就定在Γ K方位，由于该光纤是六重旋转对称，所以每隔60°对应的方位都是Γ K方位。旋转一周，激光就会经过6次Γ K方位，图13是图8中6个特征峰位置的相对偏差，可以看出根据本发明的方法确定的方位角的精度相当高。
[0014]实施例2
对图3所示的大模场光子晶体光纤LMA-10进行方位角的确定，将其置于图1所示的实验装置图中，随着步进电机的旋转，散射条纹图案上、下区域强度值总和与方位角的关系如图9所示。
[0015]实施例3
对图4所示的大模场光子晶体光纤LMA-20进行方位角的确定，将其置于图1所示的实验装置图中，随着步进电机的旋转，散射条纹图案上、下区域强度值总和与方位角的关系如图10所示。
[0016]实施例4
对图5所示的混合结构光子晶体光纤进行方位角的确定，将其置于图1所示的实验装置图中，随着步进电机的旋转，散射条纹图案上、下区域强度值总和与方位角的关系如图11所示。图14单模光纤前向散射图案上、下区域强度值总和与方位角的关系，用于与光子晶体光纤的散射条纹图案进行对比。由图14可见，单模光纤的散射图案的光强值变化很小，与其对称的结构是相吻合的。
【权利要求】
1.一种光子晶体光纤方位角的确定方法，其属于激光前向散射图案分析法，用激光垂直照射在光子晶体光纤的侧面并在前方的成像屏上成像，该成像为前向散射条纹图案，用数码相机拍摄该散射条纹图案，由与数码相机相连的处理器对散射条纹图案进行处理，其特征在于:处理器对散射条纹图案的处理方式为:以经过中心亮纹的中心且与光子晶体光纤轴向相平行的线为分界线，将散射条纹图案分割成两个区域，两个区域光强度之和分别为第一特征值和第二特征值，逐步旋转光子晶体光纤，得到与旋转角度一一对应的第一特征值组和第二特征值组，根据第一特征值组及其对应的旋转角度求得第一旋转角度极值组，根据第二特征值组及其对应的旋转角度求得第二旋转角度极值组，从第一旋转角度极值组中任意选取一个值为第一角度Θ 1；从第二旋转角度极值组中选取与第一角度的差值的绝对值小于角度阈值的值为第二角度θ2，该角度阈值小于20°，光子晶体光纤Γ K方位角θ γκ由公式 θ ΓΚ= ( θ1+θ2)/2确定，实现了光子晶体光纤方位角的确定。
2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤方位角的确定方法，其特征在于:激光为可见光波长范围的激光。
3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤方位角的确定方法，其特征在于:角度阈值为10。。
4.根据权利要求1所述的光子晶体光纤方位角的确定方法，其特征在于:旋转角度极值的获取方法包括以下3个步骤: (O从特征值组中求得最大值M ； (2)从该特征值组中筛选出大于ΜΧη%的极大值，90( η〈100 ； (3)对筛选出的每一个极大值作以下处理:该极大值对应的旋转角度为Θ，在旋转角度在θ ±χ°的范围内的特征值中，如果该极大值为最大值，则该极大值对应的旋转角度为旋转角度极值； 从第一特征值组中筛选出的所有旋转角度极值构成第一旋转角度极值组，从第二特征值中筛选出的所有旋转角度极值构成第二旋转角度极值组。
5.根据权利要求4所述的光子晶体光纤方位角的确定方法，其特征在于:步骤(3)中X值的确定方法如下: (3.1)在已知光子晶体光纤内部结构的条件下，X的大小视光子晶体光纤的内部轴向结构而定，当光子晶体光纤内部结构为六重旋转对称结构时，则35 < X < 55 ;当光子晶体光纤内部结构为八重旋转对称结构时，则25 < X < 40 ;当光子晶体光纤内部结构为二重旋转对称结构时，95 ^ X ^ 175 ； (3.2)在未知光子晶体光纤内部结构的条件下，35 < X < 40。
【文档编号】G01B11/26GK104197863SQ201410380952
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月5日 优先权日:2014年8月5日
【发明者】罗云瀚, 陈哲, 黄华才, 唐洁媛, 谢俊辛, 张军, 余健辉, 卢惠辉 申请人:暨南大学