一种光纤的侧向分布式检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤测量领域，尤其涉及一种光纤的侧向分布式检测装置及方法。

背景技术

近年来，空芯光纤技术得到了快速的发展。空芯光纤具有宽带传输、低时延、超低非线性和低温度敏感性等优势，可以克服传统石英光纤在上述方面的诸多局限。作为空芯光纤的主要门类，反谐振空芯光纤已经可以达到与石英光纤相同的超低传输损耗，其在光通信、微波光子学、时频传输等较长距离的应用也正在被研究。然而，现有的反谐振空芯光纤拉制技术尚存在良率低的问题，需要一种分布式的检测技术来进行无损表征，找出加工制备时的缺陷位置并分段测量出传输损耗、双折射等传输性能参数。

传统的光纤分布式检测技术主要依赖反射光的测量，这是因为在实心光纤中，材料的瑞利散射会产生一部分反射光，由于不同位置的反射光具有不同的传输时延，因而对其进行检测具有分布式特征，进而可以测量光纤的损耗以及内部缺陷的位置。常用的反射测量技术包括光时域反射测量技术和光频域反射测量技术。然而，在反谐振空芯光纤中，空气作为导光材料，天然的具有比石英低30dB以上的背向散射系数，造成了反射光测量的困难。仍然使用上述反射测量技术的话，需要将空间分辨率降低到米量级，同时对测量系统提出了更高的要求，并且需要极大地抑制空芯光纤前端面带来的反射，这将大大限制这一类反射测量技术在空芯光纤，尤其是反谐振空芯光纤中的应用效果。

为了对空芯光纤实现有效的分布式检测，需要对其传输过程中损耗的光进行高效的收集。不同于实心光纤和光子带隙空芯光纤，反谐振空芯光纤的损耗主要来自前向和侧向泄漏，因此需要在侧向对泄漏光进行收集，以达到对反谐振空芯光纤分布式无损表征的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种光纤的侧向分布式检测装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种光纤的侧向分布式检测装置，包括：单频激光器、积分球、光探测器、数据采集卡、处理终端以及线盘；待测的空芯光纤两端分别盘绕在一个线盘上，两个线盘之间的空芯光纤穿过积分球；单频激光器输出的激光通入实心光纤，实心光纤与待测的空芯光纤一端相连；光探测器用于探测空芯光纤在积分球内泄漏的光信号，光探测器将光信号转化为光电流后传入与之相连的数据采集卡，并实时传输给处理终端。

进一步地，本发明的该装置还包括旋转连接头，实心光纤分为两段，一段实心光纤一端与单频激光器相连，另一端与旋转连接头相连；另一段实心光纤一端与旋转连接头相连，另一端与待测的空芯光纤相连；

该装置还包括光纤复绕机，光纤复绕机与两个线盘均相连，用于控制两个线盘按照一致的速度转动。

进一步地，本发明的该装置还包括支架和导轨；积分球通过支架安装在导轨上，测量过程中，空芯光纤保持不动，通过导轨移动积分球的位置。

本发明提供一种光纤的侧向分布式检测装置，包括：单频激光器、积分球、光放大器、第一耦合器、第二耦合器、调制器、锁相放大器、处理终端以及线盘；待测的空芯光纤两端分别盘绕在一个线盘上，两个线盘之间的空芯光纤穿过积分球；光放大器通过实心光纤与单频激光器的输出端相连，光放大器的输出端与第一耦合器相连；第一耦合器的输出端分为两路，第一路通过实心光纤与待测的空芯光纤相连，另一路作为参考臂，通过调制器进行移频后与第二耦合器的一个输入端相连；积分球的输出端与第二耦合器的另一个输入端相连，光探测器与第二耦合器的输出端相连，用于接收空芯光纤在积分球内泄漏的光信号与参考臂的光信号的干涉光信号；光探测器的输出端通过锁相放大器与处理终端相连。

进一步地，本发明的该装置还包括旋转连接头，第一耦合器输出端分为的两路中，第一路通过实心光纤与旋转转接头相连，实心光纤通过旋转转接头后与待测的空芯光纤相连；

该装置还包括光纤复绕机，光纤复绕机与两个线盘均相连，用于控制两个线盘按照一致的速度转动，并提供实时光纤位置信息。

本发明提供一种光纤的侧向分布式检测方法，该方法包括以下步骤：

单频激光器输出的激光进入实心光纤，通过旋转连接头耦合进入另一段实心光纤，通过熔接/对接/自由空间耦合的方式耦合进入待测的空芯光纤；

空芯光纤的两端分别盘绕在一个线盘上，两个线盘之间的芯光纤穿过积分球，通过光纤复绕机控制两个线盘按照一致的速度转动，并获取光纤的实时位置信息；

光探测器实时探测空芯光纤在积分球内泄漏的光信号，并将光信号转化为光电流后传入与之相连的数据采集卡，处理后实时传输给处理终端；

处理终端中处理得到光强随光纤位置变化的曲线，若曲线中存在异常尖峰，表示异常尖峰对应的空芯光纤位置出现了微结构缺陷或断点。

本发明提供一种光纤的侧向分布式检测方法，用于对空芯光纤进行充气的短距离应用的检测，该方法包括以下步骤：

单频激光器输出的激光进入实心光纤，通过旋转连接头耦合进入另一段实心光纤，通过熔接/对接/自由空间耦合的方式耦合进入待测的空芯光纤；

空芯光纤的两端分别盘绕在一个线盘上，两个线盘之间的空芯光纤穿过积分球，积分球通过支架安装在导轨上，测量过程中，空芯光纤保持不动，通过导轨移动积分球的位置；

光探测器实时探测空芯光纤在积分球内泄漏的光信号，并将光信号转化为光电流后传入与之相连的数据采集卡，处理后实时传输给处理终端；

处理终端中处理得到光强随光纤位置变化的曲线，若曲线中存在异常尖峰，表示异常尖峰对应的空芯光纤位置出现了微结构缺陷或断点。

本发明提供一种光纤的侧向分布式检测方法，该方法包括以下步骤：

单频激光器输出的激光进入实心光纤，通过光放大器对激发到待测的空芯光纤的光进行放大，放大后的激光通过第一耦合器分为两路；

第一路通过旋转连接头耦合进入实心光纤，通过熔接/对接/自由空间耦合的方式耦合进入待测的空芯光纤；另一路作为参考臂，通过调制器进行移频后通入第二耦合器；

空芯光纤的两端分别盘绕在一个线盘上，两个线盘之间的芯光纤穿过积分球，通过光纤复绕机控制两个线盘按照一致的速度转动，并获取光纤的实时位置信息；

积分球将空芯光纤泄漏的光信号通入第二耦合器，光探测器接收空芯光纤在积分球内泄漏的光信号以及参考臂的光信号的干涉光信号；

光探测器将生成的光电流由锁相放大器接收，并在移频频率下解调，得到实时泄漏光强/散射光强并输入到处理终端；

处理终端中处理得到光强随光纤位置变化的曲线，若曲线中存在异常尖峰，表示异常尖峰对应的空芯光纤位置出现了微结构缺陷或断点。

进一步地，本发明还包括传输损耗的测量方法：

根据处理中处理得到光强随光纤位置变化的曲线，横坐标为光纤的位置，纵坐标为光探测器接收到的泄漏光强，测量到的泄漏光强表示为：

泄漏光强＝光纤内传输光强×泄漏系数×接收效率

其中，在相同泄漏系数和接收效率下，泄漏光强随着光纤内传输光强的减小而减小，得出曲线的斜率就是光纤的传输损耗。

进一步地，本发明还包括相双折射系数的测量方法：

对光强随光纤位置变化的曲线进行傅里叶变换，得到频谱图，横坐标为空间频率，纵坐标的归一化振幅，频谱图中存在多个尖峰；

排除干扰尖峰，根据线盘的周长s米，得出空间频率为其高次谐波对应的尖峰，即1/s米

频谱图中剩余的最大尖峰则是由光纤的双折射引起，读取双折射对应的尖峰的位置，计算相双折射系数：

相双折射系数＝波长×尖峰的空间频率。

本发明产生的有益效果是：本发明针对空芯光纤光学性能的分布式检测需求，提出一种基于侧向光收集的分布式检测方法。1)基于厘米级空间分布率的积分球来收集侧向泄漏光/散射光，并利用光纤复绕机来快速改变测量光纤的位置，可以实现高灵敏度、高分辨率的无损检测，实现对传输损耗的测量和缺陷位置的标定。2)利用泄漏光的偏振特性，还可以测量反谐振空芯光纤的相双折射系数。3)在超低损耗的光纤中，泄漏光/散射光强度往往很小，需要提高测量精度来进行探测，通过光放大器进行放大，采用调制器进行移频，能够有效的提高测量的精度。4)在另一类特殊的使用情况，是对纤芯进行充气的短距离应用，这种情况下不宜使用复绕装置，因为容易破坏光纤，所以采用了支架和导轨的结构，实现了不复绕即可分布式检测的功能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的基础装置结构示意图；

图2是本发明实施例的反谐振空芯光纤侧向泄漏示意图；

图3是本发明实施例的实心光纤侧向散射示意图；

图4是本发明实施例的精度优化测量装置图；

图5是本发明实施例的短距离测量装置图；

图6是本发明实施例的损耗和缺陷测量结果图；

图7是本发明实施例的双折射测量结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本发明的基本测量装置如图1所示，主要由单频激光器，光纤复绕机，旋转连接头，积分球，光探测器，数据采集卡和电脑组成。单频激光器输出的激光进入单模实心光纤，通过旋转连接头耦合进入另一段单模实心光纤，再通过熔接/对接/自由空间耦合的方式耦合进入待测光纤。反谐振空芯光纤的两端分别盘绕在线盘1和线盘2上。两个线盘之间的反谐振空芯光纤穿过积分球，优选的尺寸为5厘米。光探测器用于探测积分球内接收的光信号，其产生的光电流被数据采集卡接收到，并实时传输给电脑。

如图2所示，反谐振空芯光纤导光时会产生少量的泄漏光，在积分球内的反谐振空芯光纤产生的泄漏光将通过积分球内壁发生漫反射，从而被安置在积分球一端的光探测器接收到。如图3所示，对于其他类型的光纤，例如实心光纤、光子带隙型空芯光纤，在光纤中产生的散射光也可以通过积分球被探测器接收到。

如图4所示。测量时，光纤复绕机带动两个线盘以相同的速度旋转，使得光纤从线盘1复绕到线盘2上(反过来也可以)。在此过程中，进入积分球的部分光纤产生的泄漏光或散射光将被实时采集；同时，复绕机可以记录光纤的实时位置。结合位置和光强信息，可以实现在一次复绕过程中的分布式光学性能表征。

实施例二

在超低损耗的光纤中，泄漏光/散射光强度往往很小，需要提高测量精度来进行探测。本发明中，提出一种基于锁相放大的方法，具体装置如图4所示，相比于基本的装置(图1)做出如下改动。首先，在单频激光器后加入光放大器，对激发到待测光纤的光强进行放大。然后，在光放大器后加入耦合器1，将少量的光分到参考臂，并使用声光调制器或电光调制器进行移频(移频量为f

实施例三

空芯光纤的另一类使用情况是对纤芯进行充气的短距离应用，这种情况下不宜使用复绕装置，因为容易破坏光纤。此时，本发明提出如图5所示的装置。与图1的基本装置区别为，积分球通过支架安装在导轨上。测量过程中，空芯光纤保持不动(因为长度短，线盘也可以不需要)，通过导轨横向移动积分球的位置，可以实现对泄漏光/散射光的分布式测量。

测试实施例

基于图1、图4、图5的测量装置和泄漏光/散射光的测量原理，可以对光纤进行分布式测量。

首先，可以对光纤的损耗以及缺陷位置进行测量。图6给出了一种在反谐振空芯光纤中进行的分布式测量典型结果，横坐标为光纤的位置，纵坐标为光探测器接收到的泄漏光强。测量到的泄漏光强可以表示为：

泄漏光强＝光纤内传输光强×泄漏系数×接收效率

从图6中可以看出，曲线的本底随着光纤的位置而降低，体现出相同泄漏系数和接收效率下光纤内传输光强的减小，因此曲线本底的斜率就是光纤的传输损耗。如此测量可以区分基模和高阶模的损耗，因此比传统的截断法更准确。此外，曲线存在几个异常的尖峰，这是因为在这几个位置的泄漏系数过大，对应着可能存在的微结构缺陷或是光纤的断点。

然后，也可以对空芯光纤的相双折射系数进行测量。基于空芯光纤独特的导光机制，其泄漏光的方向与偏振有关，使得上述公式中的接收效率具有偏振相关性。由于双折射效应和旋转连接头的作用，接收到的光强会存在一定的周期性波动。对接收的曲线进行傅里叶变换，可以得到如图7所示的典型频谱图，横坐标为空间频率，纵坐标的归一化振幅。图7中存在几个明显的尖峰。根据实际使用线盘的周长(这里是1米)，可以看出其中空间频率为其高次谐波的峰(对应1米

相双折射系数＝波长×尖峰的空间频率

综上所述，本发明提出的光纤侧向测量装置适合各种类型光纤的分布式表征，尤其迎合了反谐振空芯光纤的导光机理，可以对传输损耗、缺陷位置和相双折射系数进行精确的测量。这一分布式的测量方法具有空间分辨率高、动态范围大、无损伤的优势，并且适用于多种使用条件，可以指导光纤的拉制工艺的优化。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。