CN1206521C - 用于光导纤维的残余应力测量装置 - Google Patents

Abstract

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。

Description

用于光导纤维的残余应力测量装置

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。

背景技术

在光导纤维的生产过程中，部分应力未能完全由光导纤维中消除是常见的。光导纤维中这类不良应力通称为残余应力。因此，残余应力的测量，是生产高—质量光导纤维必不可少的组成部分。

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***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***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。

发明内容

本发明克服了上述难题，同时还有更多的优点，提供了能够获得光导纤维中残余应力更为精确分布的测量光导纤维中残余应力的一种方法和装置。

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。

附图说明

以下结合附图的详细说明，将使本发明上述的以及其它优点变得更加明显，其中：

图1为一个说明性的示意图，表示根据相关技术的一个实施例的用于测量光导纤维中的残余应力的装置；

图2为一个说明性的示意图，表示根据本发明的一个优选实施例的用于测量光导纤维中残余应力的装置；和

图3说明图2所示固定单元的部分透视图。

具体实施方式

以下将参照附图说明本发明的一个优选实施例。为清晰、简明起见，对众所周知的功能和结构不作详细描述，因为不必要的细节将使本发明变得模糊不清。

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***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***153将光发生器151生成的光转换为一个平面波。在这里，透镜***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***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***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***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***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。

Claims (8)

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***，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，按与构成所述固定单元的石英管相应的折射率和形状，选择地确定物镜的反射曲率及本身的曲率。

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3中所说的装置，其特征在于，透镜***包括至少一个凸透镜和一个凹透镜。

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