專利名稱：一種利用可見光測量單模光纖模場分布的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用可見光測量單模光纖模場分布的方法和裝置，屬于信 息技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
單模光纖的模式場分布，對于研究單模光纖的特性有重要意義，比如耦合
特性、色散特性等都十分重要。但是，普通單模光纖的通光波長處于1310nm或 者1550nm，都不是可見光。因此，測量它的模場，必須用價格昂貴的紅外光源， 而且因為是不可見光，所以很難使用可見光的探測器，比如利用市場銷售的CCD 器件進(jìn)行模場拍攝，這樣一套紅外的模場測量系統(tǒng)非常昂貴。如果能夠利用可 見光進(jìn)行測量，那么可以利用現(xiàn)有的廉價器材，有廣泛的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的不足，傳統(tǒng)方法測量單模光纖的模場是在單模光纖 工作波長(1310nm或1550nm)下測量，該波段為非可見光波段，需要專門 的紅外光強(qiáng)傳感器來進(jìn)行光強(qiáng)的采集，費用昂貴。為了降低成本，本發(fā)明提出 的改進(jìn)方法可以避免使用復(fù)雜昂貴的紅外光檢測設(shè)備和復(fù)雜的測量程序。本發(fā) 明提供一種利用可見光測量單模光纖模場分布的方法和裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
本發(fā)明提供了一種測定光纖模場而不需要昂貴光學(xué)設(shè)備和復(fù)雜測量程序的 方法。該方法包括光源，光源以平行于所述光纖縱軸入射這樣一種方式射向光 纖的無被覆輸入端面，使輸出的光強(qiáng)分布圖像盡可能滿足實驗測量要求，然后 根據(jù)測得的光纖輸出端的光強(qiáng)分布計算出單模光纖的模場。一種利用可見光測量單模光纖模場分布的裝置，利用普通激光器作為光源，
通過帶透鏡的精密五維調(diào)整價和光纖夾把光耦合進(jìn)光纖，利用ccd或其他成像
系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把得到的數(shù)據(jù)用電腦進(jìn)行分析，得到圖像的強(qiáng)度分布。用 設(shè)計算法對測量到的可見光下的光強(qiáng)分布圖進(jìn)行處理和計算，用非線性最小二 乘擬合法計算出光纖參數(shù)，然后推算出單模光纖工作波長下的模場分布。
計算方法如下
根據(jù)光波導(dǎo)理論，工作波長為1310ww的普通單模光纖，在可見光注入時將 工作在多模狀態(tài)。光纖單模傳輸?shù)臈l件是-
F < 2.405 ; (i)
其中r為歸一化頻率，由光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)決定
2;r
f二V巧2—《"； (2)
式中",為纖芯折射率，"2為包層折射率，"為纖芯半徑。設(shè)注入波長為 635ww的可見光，由以上兩式可計算出工作波長為1310wm的普通單模光纖在 635 wm波長下工作時F所滿足的條件
F< 4.9615;
由于LP^模的截止條件為F^5.316，因此LP^模及LP^以后的模均截止， 光纖中可能傳輸四個模LPQ1、 LP 、 LPe2、 LP21，各模的截止頻率分別為O、 2.405、 3.832、 3.832。
設(shè)巧、w2、"為已知，那么各模的場分布均可計算出來，光纖內(nèi)總的場分布
為各模光場的相干疊加。
將基模的近場分布進(jìn)行漢克爾變換，得到遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布，其分布與光纖參 數(shù)巧、w2、"、光源波長A及光線偏離光纖軸線的夾角(9有關(guān)，記其表達(dá)式為
尸(^，"2，"；/l;^). (3)如果實驗測量岀光纖基模的遠(yuǎn)場分布圖，那么用表達(dá)式P0V ,";義;^)對測 量得到的數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合，就可以求出最佳的巧、 、"。
求出光纖的巧、"2、"三個參數(shù)后，轉(zhuǎn)換到1310"w波長下計算光纖的模場 半徑。在區(qū)間1.2<卩<24內(nèi)，可用近似公式計算模場半徑-
E《0.65 + 1.619F—6 (4)
算出的"即為光纖的模場半徑。
所述光源為普通半導(dǎo)體激光器光源，滿足功率大于10mW，波長在可見光波段 即可。
所述成像系統(tǒng)為數(shù)碼相機(jī)或CCD等其他可以用來采集光強(qiáng)信息的設(shè)備，光 譜響應(yīng)特性要與半導(dǎo)體激光器光源吻合。 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是
1、 本發(fā)明利用可見光波段進(jìn)行測量，避免使用價格昂貴的紅外探測器和紅 外激光光源，大大地降低了成本。同時便于用肉眼調(diào)整，也便于光強(qiáng)信息的采集。
2、 本發(fā)明利用普通半導(dǎo)體激光器作為光源，使用方便，所需要的設(shè)備少， 成本低廉，并且對環(huán)境沒有嚴(yán)格的要求。
3、 本發(fā)明利用CCD探測光纖輸出端的光強(qiáng)分布，能進(jìn)行全場測量， 一次性 取齊全部數(shù)據(jù)，避免使用機(jī)械移動的掃描設(shè)備。


圖l為本發(fā)明的原理圖。 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
具體實施例方式
參見圖l，本實施例中，本發(fā)明專利光纖光源l，該光源為普通的半導(dǎo)體激光器，光纖耦合單元2、高階模濾除單元3、圖像采集單元4、圖像處理單元， 高階模濾除單元3為半徑一定的圓柱體；圖像采集單元4為一數(shù)碼相機(jī)或一可 用于圖像采集的CCD，圖像處理單元為普通PC，裝有相應(yīng)軟件和數(shù)據(jù)處理程序， 比如MATLAB、 Mathematica。
本實施例中，光源1可以使用普通半導(dǎo)體激光器作為光源，使用廣泛，價 格便宜。 -
本實施例中，光纖耦合單元2包括帶透鏡的精密五維調(diào)整架和光纖夾。
本實施例中，高階模濾除單元3為半徑一定的圓柱體。半徑范圍為3mm-5mm， 光纖在該圓柱體上繞一圈以上。
本實施例中，圖像采集單元4可用普通數(shù)碼照相機(jī)或CCD傳感器，和圖像 采集卡，并能把數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)。
本實施例中，圖像處理單元為普通計算機(jī)，裝有相關(guān)軟件。包括CCD圖像 采集的配套軟件(該軟件與圖像采集卡配套，購買圖像采集卡時同時獲得該軟 件)、Mathematica數(shù)學(xué)軟件。
本發(fā)明的工作原理是按圖連接光路；打開半導(dǎo)體激光器光源，調(diào)整光纖 耦合單元，使激光正入射至光纖，并使進(jìn)入光纖的光強(qiáng)最大；調(diào)整光纖輸出端 與圖像接收單元的位置，并記錄接收屏與圖像采集系統(tǒng)的距離；把采集到的圖 像導(dǎo)入計算機(jī)，用配套的程序(CCD圖像采集的配套軟件和Mathematica數(shù)學(xué)軟 件)進(jìn)行處理，通過計算得到單模光纖在紅外波段的模場直徑。
其中計算過程包括以下步驟
1.對CCD采集到的圖像進(jìn)行處理，提取擬合數(shù)據(jù)，圖像處理過程包括 1. 1.將RGB格式圖像轉(zhuǎn)化為灰度1.2. 去除背景；
1.3. 確定圖像中心；
1.4. 抽樣，得到擬合數(shù)據(jù)；2. 由式(3)對抽樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性最小二乘擬合，求出最佳的巧、 W2 、 a o
3. 根據(jù)已求出的巧、"2、",代入式(2)求出1310"w波長下光纖的歸一 化頻率V。再由式(4)計算模場半徑^，即為單模光纖在1310nm紅外 波段的模場直徑。
雖然在此已經(jīng)以被設(shè)想為最實用而且最佳的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了展示和 描述；但應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，由此可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行改變，所以本發(fā)明不應(yīng)局 限于這里所公開的細(xì)節(jié)，但其權(quán)利要求書的全部范圍是應(yīng)當(dāng)遵循的、以便包含 任何的等效方法的。
權(quán)利要求
1. 一種利用可見光測量單模光纖模場分布的方法，其特征是光源以平行于光纖縱軸入射這樣一種方式射向光纖的無被覆輸入端面，使輸出的光強(qiáng)分布圖像滿足實驗測量要求，然后根據(jù)測得的光纖輸出端的光強(qiáng)分布計算出單模光纖的模場。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用可見光測量單模光纖模場分布的方法，其特征是利用普通激光器作為光源，通過帶透鏡的精密五維調(diào)整價和光纖夾把光耦合進(jìn)光纖，利用CCD或其他成像系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把得到的數(shù)據(jù)用電腦進(jìn)行分析，得到圖像的強(qiáng)度分布；對測量到的可見光下的光強(qiáng)分布圖進(jìn)行處理和計算，用非線性最小二乘擬合法計算出光纖參數(shù)，然后推算出單模光纖工作波長下的模場分布。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種利用可見光測量單模光纖模場分布的方法，其特征是計算過程包括以下步驟對CCD采集到的圖像進(jìn)行處理，提取擬合數(shù)據(jù)，圖像處理過程包括將RGB格式圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖；去除背景；確定圖像中心；抽樣，得到擬合數(shù)據(jù)；對抽樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性最小二乘擬合，求出最佳的巧、 、"；巧為纖芯折射率，^為包層折射率，"為纖芯半徑；根據(jù)已求出的巧、％、",求出1310"W波長下光纖的歸一化頻率V;再計算模場半徑^ ，即為單模光纖在1310nm紅外波段的模場直徑。
4. 一種利用可見光測量單模光纖模場分布的裝置，其特征是光纖光源，光纖耦合單元、高階模濾除單元、圖像采集單元、圖像處理單元，高階模濾除單元為半徑一定的圓柱體；圖像采集單元為一數(shù)碼相機(jī)或一可用于圖像采集的CCD，圖像處理單元為普通PC，裝有軟件和數(shù)據(jù)處理程序，光纖耦合單元包括帶透鏡的精密五維調(diào)整架和光纖夾；高階模濾除單元為半徑一定的圓柱體；半徑范圍為3mm-5mm，光纖在該圓柱體上繞一圈以上；圖像采集單元為數(shù)碼照相機(jī)或CCD傳感器和圖像采集卡，數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)。
全文摘要
一種測定光纖模場而不需要昂貴光學(xué)設(shè)備和復(fù)雜測量程序的方法。光源以平行于所述光纖縱軸入射這樣一種方式射向光纖的無被覆輸入端面，使輸出的光強(qiáng)分布圖像盡可能滿足實驗測量要求，然后根據(jù)測得的光纖輸出端的光強(qiáng)分布計算出單模光纖的模場。本發(fā)明利用可見光波段進(jìn)行測量，避免使用價格昂貴的紅外探測器和紅外激光光源，大大地降低了成本。同時便于用肉眼調(diào)整，也便于光強(qiáng)信息的采集。本發(fā)明利用普通半導(dǎo)體激光器作為光源，使用方便，所需要的設(shè)備少，成本低廉，并且對環(huán)境沒有嚴(yán)格的要求。本發(fā)明利用CCD探測光纖輸出端的光強(qiáng)分布，能進(jìn)行全場測量，一次性取齊全部數(shù)據(jù)，避免使用機(jī)械移動的掃描設(shè)備。
文檔編號G01J1/42GK101487737SQ20091007742
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月11日
發(fā)明者豪 劉, 劉永椿, 吳重慶 申請人:北京交通大學(xué)