专利名称：一种横向前射光光纤几何参数和折射率分布测量方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤几何参数和折射率分布测量的方法，属于光纤非传输特性参数的无损测量，是一种利用光纤横向前射光光强分布测量光纤几何参数和折射率分布的方法。
光纤几何参数和折射率分布测量的方法分为断面(端面)检测和横向检测两大类。断面检测不能用于在线检测，也不能实现光纤的无损检测。横向检测方法是无损检测，可不剪断光纤而实现对光纤任意横截面的几何参数和折射率分布的测量。和本发明最接近的横向前射光光纤非传输特性的测量方法是由D.Marcuse在美国《应用光学》发表论文《无损测量光纤折射率分布的聚焦法》(vol.18，p.14，1979)提出的聚焦法和L.S.Watkins在美国《应用光学》发表论文《激光束在梯度折射率光纤预制棒中的横向折射及由此决定折射率比和折射率梯度》提出的折射角法(vol.18，p.2214，1979)。折射角法只适用于光纤预制棒，而且上述两种方法不能实现几何参数的测量。聚焦法是在忽略了由于纤芯折射率变化而引起的横向前射光光线轨迹在纤芯内的变化基础上实现测量的方法，误差较大。
本发明提出的测量方法既适用于光纤，也适用于光纤预制棒以及具有径向折射率分布及非零定常透射率的物体。采用本发明的方法是利用横向前射光的光强分布直接对由于折射率变化引起了变化的光线轨迹进行多点测量，确定出轨迹，从而计算出折射率分布，并利用光强分布的特征点位置测量几何参数。通过转动光纤，测量光纤在不同角度时的几何参数，确定光纤横截面的几何形状。测量精度高，在同样的测量装置中可以实现几何参数、折射率分布的测量。
本发明通过获得垂直于光纤芯轴平行入射到光纤侧面横向传输通过光纤横截面的光强密度分布，确定出包层界面，芯、包层间界面，光纤的中心点的位置，测量光纤的纤芯半径、包层半径、芯和包层的同轴度。通过绕光纤芯轴转动光纤测量光纤在不同角度时的纤芯半径、包层半径、芯和包层的同轴度以确定包层和纤芯的几何形状，测量纤芯、包层的椭圆度。当观察平面(即物镜的焦平面)O-O’在入射平面B-B’和过纤芯的光线的汇聚平面A-A’之间，获得垂直于光纤芯轴平行入射到光纤侧面横向传输通过光纤横截面的光强密度分布。光强变化的斜率最大值点MR，MR’就是包层的界面，其间的极小值点OC就是光纤的中心点。点MR或MR’到点OC的距离的绝对值就是包层的半径R。当被测段光纤和物镜或物镜的入射镜面浸泡在折射率匹配液中时，且使折射率匹配液的入射界面和入射光线垂直，观察平面O-O’在入射平面B-B’和过纤芯的光线的汇聚平面A-A’之间，获得垂直于光纤芯轴平行入射到光纤侧面横向传输通过光纤横截面的光强密度分布。光强变化的斜率最大值点Mr，Mr’就是纤芯的界面，其间的极小值点OC就是纤芯的中心点。点Mr或Mr’到点OC的距离的绝对值就是纤芯的半径r。汇聚平面A-A’选在过纤芯的光线和光轴相交点区间段的任意位置，可不严格定义。
本发明通过获得垂直于光纤芯轴平行入射到光纤侧面横向传输通过光纤横截面的光强密度分布，确定光线轨迹θ＝θ(r)，(r，θ)是轨迹上点的极坐标。θ＝θ(r)和径向折射率分布n(r)的关系由如下公式确定n(r)＝C*(1+r2θr2)1/2/r2θr2……….(1)θr是轨迹函数θ＝θ(r)的一阶导数。C是常数，对应不同光线的轨迹C取不同值。C可以这样来确定入射光线在界面上的坐标、入射方向和界面的折射率值，对于渐变折射率界面的折射率值取入射介质的折射率值，对于突变折射率界面的折射率值取第二介质的折射率值。为了提高测量的精度，降低对测量装置的技术要求，本发明还提出通过光强分布同时确定多条轨迹，由每一条轨迹确定出折射率分布曲线上的一个点，从而描述出整个折射率分布的测量方法。因为每一条轨迹必然和一个以纤芯为圆心，半径为rc的圆相切，切点(rc，θc)的折射率n(rc)＝C*(1/rc)。和不同轨迹相切的圆半径不相等，因此测定出多条轨迹就可以确定折射率分布曲线上的多个点。
具有径向折射率分布的物体的横向透射光线轨迹函数均符合公式(1)，其横向透射光的光强密度分布的特征点也表明了其几何特征，因而本发明提出的方法也适用于测量光纤预制棒以及其它具有径向折射率分布和非零定常透射率的物体的横截面的折射率分布和几何参数。
本发明公开的光纤几何参数及折射率分布测量方法可以通过物镜将横向透射光成象在摄象机上，获得光纤的横向透射光图象，利用图象测量达到很高的精度并在计算机的控制下在同一测量系统中实行光纤几何参数、几何形状和折射率分布的全自动、智能测量。测量过程直观，特别适用于光纤生产过程的在线监测、控制。
图1是测量时物镜焦平面位置说明图。图中所绘光纤纤芯是具有渐变折射率分布的光纤的纤芯。
图2是测量包层时的光强密度分布图，I是光强密度。
图3是测量纤芯时的光强密度分布图，I是光强密度，阴影部分是芯区的光强。
图4是实施例的测量系统构成示意图。
实施例用于实施本发明的测量系统由光源1，微动台2，V型槽3，物镜4，摄象机5，数字图象卡6，计算机7，转动光纤11的装置8，折射率匹配液盒9，监视器10构成。光源1为非相干平行光束输出，微动台2一维微动驱动夹载光纤的V型槽3沿X轴正向、反向位移，物镜4的光轴和平行光束平行，物镜4的入射镜面伸入折射率匹配液盒5中，物镜4将光纤11的横向透射光成象在摄象机5上，数字图象卡6把摄象机5输出的模拟光强信号转变成数字信号输出至计算机7，计算机7控制微动台2和转动光纤装置8进行测量，计算机7计算、处理测量数据。11是被测光纤。在测量光纤11的纤芯的几何参数和折射率分布时，折射率匹配液盒9中注入匹配液，被测段光纤和物镜4或物镜4的入射镜面浸泡在折射率匹配液盒9中的折射率匹配液里。在测量光纤11包层的几何参数和包层、纤芯同轴度时在折射率匹配盒9中不注入匹配液。在光纤11几何参数测量过程中，转动光纤11的次数(N-1)由测量者确定；在光纤11折射率分布测量过程中，光纤11的位移次数L由测量者根据物镜4的焦深和一维微动台2的位移步长确定，测量的轨迹条数M由测量者根据摄象机5和数字图象卡6的分辨率确定。物镜4的放大倍数是K。对于渐变折射率分布光纤11的芯、包层界面折射率值n0是取包层的折射率值。对于突变折射率分布光纤11的芯、包层界面折射率值n0是取纤芯的圆周上的折射率值。R是光纤11的包层的半径，r是光纤11的纤芯半径，D是包层、纤芯的不同轴度。匹配液的折射率值是取光纤11包层的折射率值。
光纤11的包层的几何参数、形状及包层和纤芯的同轴度测量步骤如下1、令转动光纤次数的序号i＝0，调用第12步；2、i＝i+1；如果i＞和＝N，执行第4步；3、调用第11步；4、i＝1，2，...，N-1，RMAX＝MAX(Ri，Ri′)，RMIN＝MIN(Ri，Ri′)，D＝＝MAX(Di)；5、包层半径R在区间(RMIN，RMAX)上，或者按R＝∑(Ri+Ri′)/[2*(N-1)]，取i＝1，2，...N-1计算R值；6、RMAX，RMIN确定了包层椭圆度，包层和纤芯的不同轴度由D确定；7、i＝1；8、作一直线COC’，|CO|＝Ri，|OC′|＝Ri′以O点为圆心转动直线COC’180°/N；9、i＝i+1，重复0第8步，如果i＞(N-1)，执行第9步；10、连接所有的C、C’点，所得图形就是包层的几何形状，执行第14步；11、计算机7控制转动光纤11装置8，使光纤11转动180°/N，执行第12步；12、计算机7控制微动台2，调整光纤11，使物镜4焦平面在过纤芯光线汇聚平面A-A’到入射面B-B’之间的任意位置上；13、通过物镜4、摄象机5获取横向前射光的光强分布，测量计算出光纤11横向前射光强和背景光强的边界的斜率最大值处的在Y轴的位置MR，MR′，极值点的位置OC，Ri＝|OC-MR|/K，Ri′＝|OC-MR′|/K，Di＝[OC-(MR-MR′)]/(2*K)，返回；14、结束。
纤芯的几何参数的测试步骤如下1、计算机7控制微动台2，调整光纤，使物镜焦平面O-O’和过纤芯的光线的汇聚面A-A’重合，令转动光纤次数的序号i＝0；2、i＝i+1；如果i＞＝N，执行第6步；3、通过物镜4、摄象机5获取横向透射光的光强分布，由数字图象卡6和计算机7测量计算出光强变化的斜率最大值的位置Mr和Mr′，光强密度的极小值点的位置OC；4、计算ri＝|OC-Mr|/K，ri′＝|OC-Mr′|/K；5、计算机7控制转动光纤装置8，使光纤11转动180°/N，执行第2步；6、i＝1，2，...，N-1，rMAX＝MAX(ri，ri′)，rMIN＝MIN(ri，ri′)，纤芯半径r在区间(rMIN，rMAX)上，或者按r＝∑(ri+ri′)/[2*(N-1)]，取i＝1，2，...N-1计算r值，rMAX，rMIN确定了纤芯的椭圆度；7、i＝1；8、作一直线COC’，|CO|＝ri，|OC′|＝ri′以O点为圆心转动直线COC’180°/N；9、i＝i+1，重复第8步，如果i＞N-1，执行第10步；10、连接所有的C、C’点，所得图形就是纤芯的几何形状。
纤芯折射率分布的测试步骤如下1、计算机7控制微动台2，调整光纤，将垂直于入射光线的过芯轴的C-C’面放在物镜4的焦平面O-O’上；2、计算机7控制微动台2，移动光纤11，沿X轴反向位移到物镜4的焦平面和过纤芯的光线的汇聚点或平均汇聚点重合，测量位移值s并保存，令各条轨迹上测量点的序号j＝0，执行第18步；3、令j＝j+1，计算机7控制微动台2，移动光纤，沿X轴正向位移1+r，r是纤芯半径，这时B-B′和O-O′重合，执行第18步；4、j＝j+1；如j＞L，执行第6步；5、移动光纤11沿X轴正向位移2r/L；执行第18步；6、令选定的轨迹的条数序号i＝0；7、i＝i+1；8、如果i＞M，执行第20步；9、计算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，计算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、如果是渐变折射率分布光纤Ci＝r*n0*yi1/Xi1/(1+Yi12/Xi12)1/2；如果是突变折射率分布光纤11则计算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，判断点(Xj，yij)，(Xj，yij′)是否在以(O，O)为圆心，r为半径的圆周上和圆内，是为有效点；13、取有效点(Xj，yij)，j＝1，2，...L，用光滑曲线连接，得轨迹Ai；14、取有效点(Xj，yij’)，j＝1，2，...L，用光滑曲线连接，得轨迹Ai’；15、求以(O，O)为圆心分别和轨迹Ai，Ai`，相切的圆的半径ri和ri′；16、按公式n(ri)＝ci*(1/ri)，计算出在正半圆周的r＝ri处的折射率值和在负半圆周r＝ri`处的折射率值；17、保存ri，n(ri)，ri′，n(ri′)值，执行第7步；18、通过物镜4、摄象机5获取横向透射光的光强分布，由数字图象卡6和计算机7测量计算出纤芯内的总光强PO和极小值点的位置OC；19、根据通过物镜4、摄象机5获取的在该位置的横向透射光的光强分布分别取i＝1，2，...M，分别测量计算从OC到cij和从OC到cij’的芯区内光强＝(P0/2)*i/M的cij和cij’值，计算cij＝OC-cij，cij′＝cij′-OC保存，返回；20、以ri为横坐标值，折射率值为纵坐标，用平滑曲线连接点(ri，n(ri))和(-ri′，n(ri′))，就是纤芯的折射率分布曲线。
权利要求
1.一种通过穿过光纤的横向前射光测量光纤包层的几何尺寸、形状和包层与纤芯的同轴度的方法，用非相干平行光垂直于光纤芯轴从光纤侧面入射，观察物镜的光轴和入射光线平行，其特征在于移动光纤使物镜的焦平面定位在横向透射过光纤纤芯的光线的汇聚点或汇聚区域到入射面之间的任一选定位置，第一步，获得焦平面在该位置时的光强密度分布确定包层界面和光纤的中心点，同时实现光纤在该位置时垂直于入射光的包层的外径和光纤的中心位置的测量；第二步，绕光纤芯轴转动光纤固定角度，重复第一步；第三步，重复第二步，直至光纤转动一周，实现测量光纤包层的几何形状、尺寸和包层与纤芯的同轴度。
2.一种通过穿过光纤的横向前射光测量光纤纤芯的几何尺寸、形状的方法，用非相干平行光垂直于光纤芯轴从光纤侧面入射，观察物镜的光轴和入射光线平行，光纤和物镜或物镜入射镜面浸泡在折射率匹配液中，使匹配液入射界面垂直于入射光线，观察物镜的光轴和入射光线平行，其特征在于移动光纤使物镜的焦平面定位在横向透射过纤芯的光线的汇聚点或汇聚区域到入射面之间的任一选定位置，第一步，获得焦平面在该位置时的光强密度分布，确定纤芯界面和纤芯的中心点位置同时实现垂直于入射光线的光纤纤芯外径和中心位置的测量；第二步，绕光纤芯轴转动光纤固定角度，重复第一步；第三步，重复第二步，直至光纤转动一周，测量光纤纤芯的几何形状、尺寸。
3.一种通过穿过光纤的横向前射光测量光纤纤芯的折射率分布的方法，用非相干平行光垂直于光纤芯轴从光纤侧面入射，观察物镜的光轴和入射光线平行，光纤和物镜或物镜入射镜面浸泡在折射率匹配液，使匹配液入射界面垂直于入射光线，其特征在于移动光纤使物镜的焦平面定位在横向透射过光纤纤芯的光线的汇聚点或汇聚区域到入射面之间的不同位置，获得焦平面在各个不同位置时的光强分布以确定任意选取的一条横向透射过光纤纤芯的光线的在光纤纤芯内的轨迹，实现对纤芯折射率分布的测量。
4.一种通过穿过光纤的横向前射光测量光纤纤芯的折射率分布的方法，用非相干平行光垂直于光纤芯轴从光纤侧面入射，观察物镜的光轴和入射光线平行，光纤和物镜或物镜的入射镜面浸泡在折射率匹配液，使匹配液入射界面垂直于光线，观察物镜的光轴和入射光线平行，其特征在于移动光纤使物镜的焦平面定位在横向透射过光纤纤芯的光线的汇聚点或汇聚区域到入射面之间的不同位置，获得焦平面在各个不同位置时的光强分布以确定任意选取的多条横向透射过光纤纤芯的光线的在光纤纤芯内的轨迹，实现对纤芯的折射率分布的测量。
5.按权利要求1、2、3或4所述的光纤的几何参数及折射率分布的测量方法，其特征在于将光纤换成光纤预制棒。
6.按权利要求1、2、3或4所述的光纤的几何参数及折射率分布的测量方法，其特征在于将光纤换成具有径向折射率分布的和非零定常透射率的物体。
全文摘要
本发明公开了一种测量光纤、光纤预制棒以及具有径向折射率分布和非零定常透射率的物体的几何参数及折射率分布的测量方法。它利用横向前射光的光强分布直接对由于折射率变化引起了变化的横向前射光光线轨迹进行多点测量，确定出轨迹函数，从而计算出折射率分布，并利用光强分布的特征点，测量几何参数。本测量方法是一种无损检测方法，测量直观、精度高。
文档编号G01B11/00GK1138690SQ95113060
公开日1996年12月25日 申请日期1995年11月8日 优先权日1995年11月8日
发明者文玉梅, 黄尚廉, 李平, 王晓余 申请人:重庆大学