专利名称：用于光导纤维的残余应力测量装置的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种光导纤维，特别涉及一种用于测量光导纤维残余应力的装置。
残余应力通常发生在引出的工艺过程，作为光导纤维生产过程的一个阶段，该工艺过程是在高温下进行的。由于光导纤维产生散射，残余应力增加了光的损失，并因光弹性现象使折射率改变。因此，为生产高—质量的光导纤维，必须加倍努力研究改进光导纤维的生产(引出)技术，以消除残余应力。与此同时，发展适于精密测量光导纤维中残余应力的设备也是必须的。
作为一种尝试，为释放光导纤维中的一些残余应力，正在研制一种长期的纤维格栅化。为考察这种元件的光谱透射率特性和研究改善这一特性，对于因残余应力的变化，以及残余应力沿光导纤维纵向的分布所引起的折射率的任何改变，都必须有规律地进行测量。特别是，必须深入研究因残余应力引起的折射率的改变，即，在光弹性效应和非线性现象的影响下，掺杂物质分布的变化。为实施这一研究，无论如何，一种特殊类型的测量装置是绝对需要的，这种装置能进行三维测量，并能观察光导纤维中的残余应力及其光弹性效应。
通常，使用光弹性效应测量光导纤维或光导纤维预制件中的残余应力。光弹性效应涉及一种现象，即，介质的折射率随遗留在介质中的残余应力的方向而改变。由于这种光弹性效应，光导纤维或其预制件的折射率会随光的偏振方向而改变。
P.L.Chu和T.Whitebread，首先于期刊“光导纤维及其预制件中的应力的测量方法Appl.Opt.1982，21，pp.4241-4245”中，介绍了光导纤维中残余应力的测量方法。在期刊中，发表了许多关于测量方法及其相关测量装置的论文。另外，由本申请人于2001年3月13日提出的美国专利申请第09/803,873号，已经公开了一种利用光弹性效应，通过透射光的相位改变计算光导纤维中残余应力的方法。
图1为相关技术用于测量光导纤维残余应力的装置的说明性示意图。如图所示，光导纤维残余应力测量装置10，包括一个光发生器11，一个透镜系统13，一个反射镜15，一个聚焦透镜单元17a，一个物镜17b，和一个探测器19。在操作时，一个带有残余应力的光导纤维30b，被固定在指定的平板30a上，平板放置在聚焦透镜单元17a和物镜17b之间。
由光发生器11输出的光，穿过透镜系统13，随后转换为一个平面波，平面波依次通过反射镜15和聚焦透镜单元17a，入射到光导纤维30b。于是，入射到光导纤维30b的入射光的相位，随光导纤维中是否存在残余应力而改变。为计算残余应力，探测器19对来自物镜17b的朝着某一定方向的偏振光进行探测。
无论如何，上述的方法，即，测量固定在平板上的光导纤维中的残余应力，只能从一个方向测量残余应力。因此，为能从其它方向测量残余应力，光导纤维必须朝着需要测量的方向放置。结果，试验环境的频繁变更将导致残余应力的错误的测量。
于是，传统方法的缺点是很难在光导纤维中进行残余应力分布的三维测量，以及残余应力分布非对称性的测量。
根据本发明的一个实施例，用于测量光导纤维中残余应力的装置包括一个固定单元，用以固定待测量的带有残余应力的光导纤维；一个测量单元，包括一个光发生器，用以生成测量光导纤维残余应力的光，和一个探测器，用以探测光发生器生成的光的相位变化；其中，测量单元根据穿过光导纤维的光的相位变化，测量光导纤维中的残余应力，与此同时，测量单元沿光导纤维的周边转动。
图2为根据本发明一个优选实施例的装置100的说明性示意图，该装置用于测量光导纤维中的残余应力。如图2所示，根据本发明实施例的残余应力测量装置100，包括一个固定单元110和一个测量单元150。在操作时，测量单元150沿着固定单元110转动，如以后将予说明的，其配置使之能够测量光导纤维115中的残余应力。
图3说明图2所示固定单元110的部分透视图。固定单元110固定住需测量的带有残余应力的光导纤维115，并包含一个石英管111a和一个盖子113，所以光导纤维115是固定在盖子上并放置在石英管111a中。
石英管111a的一个端部为一个封闭端111b，而另一端为一个敞开端111c。盖子113连接在石英管111a的另一端111c，石英管被盖子113紧密封盖。光导纤维115被固定在盖子113上，而盖子放入石英管111a内，石英管中充满折射率匹配油119，用以测量光导纤维中的残余应力。这样配置是为了防止光的相位和路径的任何改变，所说的光在测量残余应力时，要入射到放置在石英管111a中的光导纤维115上。注意到应力是由光导纤维115与外部环境，即，围绕着光导纤维115的空气的折射率不同而获得的。
再回过来参照图2，测量单元150包括一个光发生器151，一个透镜系统153，一个物镜单元159a，一个目镜透镜单元159b，一个探测器155，和一个反射镜157。测量单元150探测光的相位变化，该变化发生在光发生器151生成的光穿过固定在固定单元110上的光导纤维115的时候，根据该测量，可以计算光导纤维115中的残余应力。
注意到光发生器151的输出光的光谱比较狭窄，即，由于输出光的波长较短，从而测量光导纤维中的残余应力是比较方便的，因为，当短波长的光穿过光导纤维时，相位变化的大小可表示为一个单一的值。利用这一特性，根据本发明，光发生器151优选地使用的光源，可以是氦—氖(He-Ne)激光或氩离子(Ar离子)激光。
透镜系统153将光发生器151生成的光转换为一个平面波。在这里，透镜系统至少使用了一个凸透镜和一个凹透镜。当透镜的阵列与凸透镜和凹透镜的曲率，以及依赖于曲率的焦距相协调时，就能够将光发生器151输出的光转换为一个平面波。
探测器155对由光发生器151输出，并穿过固定在固定单元110上的光导纤维115的光，进行相位变化探测。一种CCD阵列可优选地用于探测器，该阵列能够测量入射光的光强。注意到相位变化通常是由光导纤维115中的残余应力引起的光弹性效应形成的。于是，根据光的相位变化，光导纤维中的残余应力，可以作为光导纤维115的曲率改变处的光弹性效应进行计算，其依赖于光导纤维115中是否存在残余应力，或残余应力的方向性。
反射镜157可以有选择地设置成一种引导设备，引导平面波或通过透镜系统153转换后的光入射到固定在固定单元110上的光导纤维115上。通常，一个镜子，或能够进行全反射的其它等效的部件，都可用作反射镜157。
物镜单元159a可以是一个偏振片和一个物镜。在已经转换为平面波的光当中，偏振片通过某一偏振方向的光，因而有助于使探测器155更为容易地探测光的相位变化。物镜单元159a起到补偿固定单元110的石英管111a可能造成的测量误差的作用。因为石英管111a可以是各种形状的，不同形状所形成的不同的折射率，或由于光的入射角不同造成的光前进路线(或方向)的变化，都可能导致放置在固定单元110上的光导纤维115残余应力的测量误差。因此，在本发明中，按照与石英管110a的物质特性相应的折射率和不同的形状，有选择地确定物镜单元159a的反射曲率及其本身的曲率，从而补偿了石英管111a可能造成的误差，并控制了光前进路径的任何改变。
固定单元110放置在透镜系统153和探测器155之间。另一方面，当添加反射镜157和物镜单元159a时，固定单元110还放置在它们之间。这样，测量单元150对光导纤维119中的残余应力进行测量，同时沿着光导纤维115的周边旋转。如图2所示，光导纤维115的中轴(标作轴A)固定在固定单元110上。
目镜单元159b包括一个光偏振分析器和一个目镜。物镜单元159a中的偏振片使入射在光导纤维上的光偏振。所以，入射光已转换为只有一个相位的偏振光。如果光导纤维中存在残余应力，偏振光被转换为具有两个相位的光。目镜单元159b中的光偏振分析器，可使探测器155探测到具有两个相位的光中的相位差。就是说，具有两个相位的光穿过目镜单元159b，并由探测器155探测到。换句话说，特别是在难以探测波中的相位变化的时候，使用了偏振片和检偏振镜，因为平面波直接入射到光导纤维115上，从而造成在同一时间，具有许多相位的光入射到探测器155上。因此使用目镜单元159b和物镜单元159a能使探测器155容易地检测光中的相位变化。
如上所述，由光发生器151输出的光，被透镜系统153转换为平面波，并入射到放置在固定单元110上的光导纤维119上。在光由透镜系统153转换为平面波以后，光通过反射镜157入射到光导纤维119上。反射镜157的放置，应使射入到光导纤维119的光的入射角垂直于光导纤维119。与此同时，石英管111a充满反射率匹配油，以防止平面波被光导纤维119残余应力以外的其它物质所扭曲。另外，物镜单元159a的配置，应将石英管111a的折射率的影响和管的曲率的影响减少到最低限度。再者，偏振片和光偏振分析器放置在光输入的一侧，以使光仅在某一定方向上，分别入射到光导纤维115和探测器155。
这样，所配置的残余应力测量装置100，能够利用测量单元150，测量固定在固定单元110上的光导纤维119中的残余应力，以及残余应力的非对称分布，即，彼此相对放置、具有以固定单元110作为中心的安装在测量单元150上的探测器155和光发生器151，在沿光导纤维119周边旋转的同时，测量光导纤维119中的残余应力。
总之，体现了本发明原则的残余应力测量装置，其中的应力测量单元，在沿光导纤维周边旋转的同时测量残余应力，其有益的效果在于实现了更为精确地测量光导纤维中的残余应力，以及光导纤维中残余应力的非对称分布。
在参照一个确定的优选实施例示出并说明了本发明的同时，熟悉该项技术的人应该理解，在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种形式和细节上的改变。
权利要求
1.一种用于测量光导纤维中残余应力的装置，包括一个固定单元，用以耦接光导纤维；一个测量单元，包括一个光发生器，用以生成测量光导纤维残余应力的光，和一个探测器，用以探测光发生器生成的光的相位变化；其中，测量单元根据穿过光导纤维的光的相位变化，测量光导纤维中的残余应力，与此同时，测量单元沿光导纤维的周边转动。
2.根据权利要求1中所说的装置，其特征在于，固定单元包括一个石英管，具有一个敞开端和一个封闭端；和一个盖子，可拆卸地连接在石英管的敞开端，并用以固定地夹持住光导纤维。
3.根据权利要求1中所说的装置，其特征在于，测量单元还包括一个透镜系统，用以将光发生器输出的光转换为一个平面波。
4.根据权利要求2中所说的装置，其特征在于，用折射率匹配油填充固定单元的石英管，折射率匹配油的折射率与光导纤维的折射率相匹配。
5.根据权利要求3中所说的装置，其特征在于，测量单元还包括一个反射镜，用以引导平面波朝向光导纤维。
6.根据权利要求1中所说的装置，其特征在于，测量单元还包括一个物镜，具有和石英管的折射率和曲率相对应的折射率和曲率。
7.根据权利要求1中所说的装置，其特征在于，光发生器为氦—氖激光器和氩—离子激光器之一。
8.根据权利要求1中所说的装置，其特征在于，透镜系统包括至少一个凸透镜和一个凹透镜。
全文摘要
本发明涉及一种测量光导纤维中残余应力的装置，该装置包括一个固定单元，用于固定待测量的带有残余应力的光导纤维；和一个测量单元，包括一个光发生器，用于生成测量光导纤维残余应力的光，和一个探测器，用于探测光发生器生成的光的相位变化；其中，测量单元根据穿过光导纤维的光的相位变化，测量光导纤维中的残余应力，与此同时，测量单元沿光导纤维的周边转动。
文档编号G01L1/00GK1445518SQ0312161
公开日2003年10月1日 申请日期2003年3月18日 优先权日2002年3月18日
发明者吴成国, 李载昊 申请人:三星电子株式会社