检索结果-内蒙古大学图书馆

红外与激光工程 2022年第1期51卷 382-387页

作者：解宇恒裴丽何倩常彦彪郭智君王建帅郑晶晶宁提纲李晶北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室北京100044

介绍了一种基于定量相位显微(Quantitative phase microscopy,QPM)法、Brace-K?hler补偿器(Brace-K?hler compensator,BKC)法与机器视觉技术的多芯光纤综合参数测试系统,并利用该系统获得了七芯光纤的折射率分布与几何结构,单模光纤的... 详细信息

介绍了一种基于定量相位显微(Quantitative phase microscopy,QPM)法、Brace-K?hler补偿器(Brace-K?hler compensator,BKC)法与机器视觉技术的多芯光纤综合参数测试系统,并利用该系统获得了七芯光纤的折射率分布与几何结构,单模光纤的内应力分布图。采用横向测量方式的QPM法避免了截断光纤造成的损坏,采用改进的BKC法优化了光延迟量的获取方式,结合机器视觉技术,实现了多模块、高空间分辨率、快速准确的光纤参数测量,其中相对折射率差的精度约5×10^(-4)量级,单模光纤内应力测量分辨率约0.5 MPa。通过与既有的光纤产品技术指标对比,证明了该系统具有测量准确性,测试结果为多芯光纤在传输和传感等多领域的应用提供了数据支撑。

关键词：多芯光纤定量相位显微法补偿器法机器视觉重构

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光纤三维折射率分布测量及应用研究

光纤三维折射率分布测量及应用研究

引用

作者：何倩北京交通大学

学位级别：博士

近年来,随着云计算、大数据、物联网、高清视频、远程医疗以及实时会议等新兴IP业务的涌现,极大地推动了光网络容量和架构的发展。光纤作为光网络的物理传输媒介,承载了全球90%以上的通信业务数据传输。折射率作为光纤最基本的参数之一... 详细信息

近年来,随着云计算、大数据、物联网、高清视频、远程医疗以及实时会议等新兴IP业务的涌现,极大地推动了光网络容量和架构的发展。光纤作为光网络的物理传输媒介,承载了全球90%以上的通信业务数据传输。折射率作为光纤最基本的参数之一,直接影响光纤传输模式数量、截止波长、弯曲损耗和模式色散等特性,尤其在高性能光纤及光纤器件中,其微弱变化会严重影响器件工作稳定性,甚至直接导致器件失效,损害整个系统。光纤折射率的准确测量对光纤及光器件的制作、优化及实时状态表征具有重要指导意义。然而,现有光纤折射率测量技术,大多采用截断法破坏光纤,且在复杂结构非圆对称光纤及光纤微结构测量中存在精度低、过程复杂和时间长等不足。本论文依托于国家自然科学基金项目,研究了光纤折射率测量原理并搭建了测量装置,利用定量显微法实现了光纤折射率三维无损测量,与现有方法相比,在测量速度和精度方面均有明显提升。进一步,通过光纤折射率三维微结构表征,研究了光纤内部微结构变化导致的纵向模式激励过程和演化规律。论文的主要工作和创新点如下: 1.研究了定量相位显微法光纤折射率分布测量原理。首先,阐述了光相位与光纤折射率的内在联系,当光横向穿过光纤时,光相位为光纤折射率沿光路径积分。其次,根据光纤圆对称性,建立了基于光强传输方程恢复光相位分布的理论模型,分析了离焦距离对光相位恢复准确性的影响。最后,利用折射率重建算法由恢复光相位获取光纤折射率分布。对于圆对称光纤只需单次测量任意角度的光相位,即可重建光纤的折射率分布,对于非圆对称光纤则需要多次旋转采样,获取不同角度下光相位,进而实现光纤折射率分布重建。 2.搭建了定量相位显微法光纤折射率分布测量装置。通过高稳定性空间光路对准抑制光束干涉,优化设计了承载光纤位移与旋转的关键部件,研究了匹配皿与光纤尺寸匹配关系,可对待测光纤进行精准定位,并结合傅里叶变换和空间滤波算法,设计了与硬件协同的可视化软件界面。采用英国国家物理实验室(National Physical Laboratory,NPL)研制的圆对称标准多阶折射率光纤(简称:NPL标准光纤),验证折射率测量精度及分辨率。结果表明,测量时光纤离焦距离最佳为2μm,匹配皿的侧边孔径与光纤直径差值≤2μm,通过软硬协同,可观测光纤任意点或线的折射率数值。 3.提出了一种相位校正技术测量简单圆对称光纤折射率,解决了匹配皿倾斜等因素引起的相位误差问题。首先,理论探讨了几种常见光相位分布不均匀的误差类型,分析了误差来源。然后,提出了一种相位校正算法,通过线性近似匹配液相位变化,估计光相位误差,进而修正光相位分布。最后,实验测量NPL标准光纤,并对比相位校正前后折射率的测量结果。结果表明,使用相位校正算法后,可减少散斑噪声,更加清晰地重建芯包边界。折射率测量精度提高了2个数量级。进一步,测量了多种圆对称商用单模光纤和多模光纤,获取折射率相关参数,测量值均在厂商提供参考值范围内,且通过纵向多点测试,可获得光纤三维折射率分布。 4.提出了一种总变差重建算法测量复杂非圆对称光纤折射率,解决了传统重建算法测量时间长、区域边界模糊和分布不均的问题。研究了总变差算法重建原理,对比分析了总变差算法与传统算法测量精度随光纤旋转次数的变化。结果表明,在保证测量精确度的情况下,传统算法中光纤至少需要旋转90次(旋转区间[0°,180°],步进2°),总变差算法只需旋转30次(旋转区间[0°,180°],步进6°),测量时间节省了3倍。进一步,测量了四芯光纤、同质七芯光纤和沟槽辅助七芯光纤,可清晰识别纤芯和包层微结构,能够准确重建复杂光纤的折射率分布。此外,还通过纵向多点测试,测量了扭转保偏光纤的三维折射率分布,清晰观测应力柱纵向变化,获取其扭矩等关键参数。 5.提出了一种光纤三维微结构表征方法。以单模光纤与两模光纤熔接为例,利用上述光纤折射率测量装置,获取不同偏芯距离下光纤熔接区域的三维折射率分布,分析光纤内部折射率畸变。进一步,对折射率畸变区域进行模式分析,研究光纤纵向模式演化过程。结果表明,在纤芯对准情况下,畸变长度为12μm,在偏芯熔接情况下,畸变长度高达61μm。当偏芯熔接4μm时,高阶模开始被激发,在偏芯7μm时高阶模占比超过89%。该方法根据光纤内部横向及纵向折射率微弱变化,揭示了光纤纵向模式演化规律和模式激励过程。

关键词：光纤折射率测量定量相位显微法三维折射率分布光纤熔接模式激励和演化

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