基于数字全息的光纤折射率三维分布测量装置和方法.pdf

本发明涉及一种基于数字全息的光纤折射率三维分布测量装置和方法，装置包括激光器，第一衰减片，分束镜，第一半波片，比色皿，第一显微物镜，合束镜，CCD感光元件，电脑，第二衰减片，第二显微物镜，第二半波片，第一反光镜和第二反光镜；把激光器，第一衰减片，分束镜，第一半波片，比色皿，被测光纤，第一显微物镜，合束镜，CCD感光元件通过激光器校准固定到一条直线上；通过两个反光镜使参考光和物光有一夹角。本发明具有测量精度高，一致性好，测量速度快，操作简单，无需对光纤进行切断及断面平整处理，不仅可测量不同直径光纤的折射率三维分布，还可用于测量长度方向上折射率分布不均匀的特种光纤的折射率三维分布。

1.  一种基于数字全息的光纤折射率三维分布测量装置，其特征在于，包括激光器（1），第一衰减片（2），分束镜（3），第一半波片（4），比色皿（5），第一显微物镜（6），合束镜（7），CCD感光元件（8），电脑（9），第二衰减片（10），第二显微物镜（12），第二半波片（13），第一反光镜（14）和第二反光镜（15）；把激光器（1），第一衰减片（2），分束镜（3），第一半波片（4），比色皿（5），被测光纤（11），第一显微物镜（6），合束镜（7），CCD感光元件（8）通过激光器校准固定到一条直线上；所述激光器（1）发出的光经第一衰减片（2）衰减后被分束镜（3）分成两束相互垂直的激光束，一束光经过第一半波片（4）后，穿过比色皿（5）和被测光纤（11）被第一显微物镜（6）放大后的物光进入合束镜（7）中，另一束光经过第二衰减片（10）衰减后被第一反光镜（14）和第二反光镜（15）反射，经过第二半波片（13），被第二显微物镜（12）放大后的参考光进入合束镜（7）中，通过两个反光镜使参考光和物光有一夹角；两束光合束后在CCD感光元件（8）面上形成全息图，被电脑（9）采集。

2.  一种基于数字全息的光纤折射率三维分布测量方法，应用如权利要求1中所述的装置，其特征在于，包括如下步骤：
1）去除被测光纤（11）的涂覆层，用实验试纸擦拭干净后夹持到光纤夹持架上；
2）把被测光纤（11）放入比色皿（5）中，比色皿（5）中充满匹配液，匹配液折射率与光纤包层折射率接近，开启测量装置，由CCD感光元件（8）获得被测光纤（11）某个角度的全息图，由电脑（9）计算得到这个角度的相位投影分布，以及任一条纹位置的相位投影线，对环境参数和光路参数进行在线测试分析，根据分析结果对光路系统进行优化微调，以获得最优全息图；
3）旋转被测光纤（11），得到各个角度的最优全息图，分别对各个角度的全息图进行数字全息再现处理，提取出被测光纤（11）的相位投影分布，通过滤波反投影算法对被测光纤（11）的相位投影数据进行处理，重建出被测光纤（11）的三维折射率分布。

基于数字全息的光纤折射率三维分布测量装置和方法
技术领域
本发明涉及一种基于数字全息的光纤折射率三维分布测量装置和方法。
背景技术
随着通信技术和传感技术的发展，光纤已经成为通信网络中的基础通信设备，在新型的传感网络中，特种光纤传感器的应用也日益广泛。在光纤的所有参数中，光纤的折射率分布是光纤的最重要的参数之一，它反应了光纤的传输、损耗、色散特性。通过测量光纤的折射率分布，可以判断光纤的优劣，研究光纤的传输特性，对于光纤传感器，通过光纤折射率分布的测量可以研究其传感特性。因此，光纤折射率的测量已经成为光纤发展中的一个热点研究问题。
目前，已知的光纤折射率测量方法有腐蚀法，折射近场法，聚焦法，干涉法。腐蚀法和折射近场法都要求对光纤进行切面，对光纤的切面的平整度要求很高，对测量环境要求高，设备复杂，测量速度较慢，且只能测量光纤切面处的折射率二维分布。聚焦法无需切断光纤，但对光源的照明均匀性及稳定性要求非常高，实用性不高。干涉法分为切片干涉法和横向干涉法：切片干涉法对光纤切面的平整度要求非常高，操作复杂；横向干涉法中有微分干涉法、相移干涉法和全息干涉法。微分干涉法和相移干涉都对光学系统有非常高的精度要求，系统受环境因素的影响较大。全息干涉法对光学系统的精度要求相对较低且操作简单，是现阶段研究最多的一种光纤折射率测量方法。
市场上有过基于原子蚀刻法和折射近场法的折射率测量仪器，原子蚀刻法的折射率测量仪器市场上现在已经几乎没有，目前国际上比较权威的折射率测量仪器是S14 REFRACTIVE INDEX PROFILER。S14采用折射近场法进行折射率测量，仪器价格昂贵，操作流程复杂且对环境的要求较高，测量结果的一致性受操作者的影响较大。同时，S14是基于光纤切面的测量，对光纤具有破坏性，对光纤切面的平整度要求非常高，且只能测量光纤切面处的折射率二维分布，不能实现光纤整体折射率的三维分布测量。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于数字全息的光纤折射率三维分布测量装置和方法；主要用于测量光纤的折射率三维分布，为通信光纤的特性测量、特种光纤的研究和拉制以及光纤传感器的设计等提供参考指导。与传统马赫曾德全息记录系统相比，这种光路系统更加容易调节，受环境的影响更小，更加稳定且集成度更高。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于数字全息的光纤折射率三维分布测量装置，包括激光器，第一衰减片，分束镜，第一半波片，比色皿，第一显微物镜，合束镜，CCD感光元件，电脑，第二衰减片，第二显微物镜，第二半波片，第一反光镜和第二反光镜；把激光器，第一衰减片，分束镜，第一半波片，比色皿，被测光纤，第一显微物镜，合束镜，CCD感光元件通过激光器校准固定到一条直线上；所述激光器发出的光经第一衰减片衰减后被分束镜分成两束相互垂直的激光束，一束光经过第一半波片后，穿过比色皿和被测光纤被第一显微物镜放大后的物光进入合束镜中，另一束光经过第二衰减片衰减后被第一反光镜和第二反光镜反射，经过第二半波片，被第二显微物镜放大后的参考光进入合束镜中，通过两个反光镜使参考光和物光有一夹角；两束光合束后在CCD感光元件面上形成全息图，被电脑采集。
一种基于数字全息的光纤折射率三维分布测量方法，应用上述的装置，包括如下步骤：
1）去除被测光纤的涂覆层，用实验试纸擦拭干净后夹持到光纤夹持架上；
2）把被测光纤放入比色皿中，比色皿中充满匹配液，匹配液折射率与光纤包层折射率接近，开启测量装置，由CCD感光元件获得被测光纤某个角度的全息图，由电脑计算得到这个角度的相位投影分布，以及任一条纹位置的相位投影线，对环境参数和光路参数进行在线测试分析，根据分析结果对光路系统进行优化微调，以获得最优全息图；
3）旋转被测光纤，得到各个角度的最优全息图，分别对各个角度的全息图进行数字全息再现处理，提取出被测光纤的相位投影分布，通过滤波反投影算法对被测光纤的相位投影数据进行处理，重建出被测光纤的三维折射率分布。
本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：
本发明一种基于数字全息的光纤折射率三维分布测量装置和方法，通过横向干涉法中的全息干涉技术，测量光纤的折射率三维分布，无需对光纤进行断面切割，对光纤没有破坏性。通过旋转光纤记录不同角度的全息图，利用数字全息再现技术和滤波反投影算法构建光纤的折射率三维分布。本装置测量精度高，测量速度快，操作简单，一致性好，可以测量各种光纤，尤其是特种光纤的折射率三维分布，具有很高的实用价值和经济效益。
附图说明
图1为测量装置的结构示意图。
图2为椭圆光纤测量过程图。(a)某角度椭圆光纤全息图，(b)某角度椭圆光纤相位投影分布图，(c)某角度椭圆光纤全息图条纹第68条处相位差线。
图3为椭圆光纤测量结果。(a)全息图条纹第32条处折射率三维分布图，(b)全息图条纹第68条处折射率三维分布图，(c)全息图条纹第32条处折射率分布图，(d)全息图条纹第68条处折射率分布图，(e)全息图条纹第32条处折射率水平分布图，(f)全息图条纹第68条处折射率水平分布图，(g)全息图条纹第32条处折射率垂直分布图，(h)全息图条纹第68条处折射率垂直分布图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。
如图1所示，一种基于数字全息的光纤折射率三维分布测量装置，包括激光器1，第一衰减片2，分束镜3，第一半波片4，比色皿5，第一显微物镜6，合束镜7，CCD感光元件8，电脑9，第二衰减片10，第二显微物镜12，第二半波片13，第一反光镜14和第二反光镜15；把激光器1，第一衰减片2，分束镜3，第一半波片4，比色皿5，被测光纤11，第一显微物镜6，合束镜7，CCD感光元件8通过激光器校准固定到一条直线上；所述激光器1发出的光经第一衰减片2衰减后被分束镜3分成两束相互垂直的激光束，一束光经过第一半波片4后，穿过比色皿5和被测光纤11被第一显微物镜6放大后的物光进入合束镜7中，另一束光经过第二衰减片10衰减后被第一反光镜14和第二反光镜15反射，经过第二半波片13，被第二显微物镜12放大后的参考光进入合束镜7中，通过两个反光镜使参考光和物光有一夹角；两束光合束后在CCD感光元件8面上形成全息图，被电脑9采集。
本实施例中激光器（1）发出波长为632.8 nm的激光。
一种基于数字全息的光纤折射率三维分布测量方法，应用上述的装置，包括如下步骤：
1）去除被测光纤11的涂覆层，用实验试纸擦拭干净后夹持到光纤夹持架上；
2）把被测光纤11放入比色皿5中，比色皿5中充满匹配液，匹配液折射率与光纤包层折射率接近，本实施例中用的是甘油和等离子水混合后的溶液，折射率为1.4640；开启测量装置，由CCD感光元件8获得被测光纤11某个角度的全息图，如图2(a)，由电脑9计算得到这个角度的相位投影分布，如图2(b)，以及任一条纹位置（如第68条处）的相位投影线，如图2(c)。如果相位投影线的左右匹配液部分没有水平，则调节光路系统使其水平，以获得最优全息图。
3）旋转被测光纤11，得到各个角度的最优全息图，本实施例中设定每旋转2度记录一次全息图；分别对各个角度的全息图进行数字全息再现处理，提取出被测光纤11的相位投影分布，通过滤波反投影算法对被测光纤11的相位投影数据进行处理，重建出被测光纤11的三维折射率分布。图3(a)为全息图条纹第32条处折射率三维分布图，图3(b)为全息图条纹第68条处折射率三维分布图，图3(c)为全息图条纹第32条处折射率分布图，图3(d)为全息图条纹第68条处折射率分布图，图3(e)为全息图条纹第32条处折射率水平分布图，图3(f)为全息图条纹第68条处折射率水平分布图，图3(g)为全息图条纹第32条处折射率垂直分布图，图3(h)为全息图条纹第68条处折射率垂直分布图。