CN1029757C

CN1029757C - 单晶光纤损耗测量仪

Info

Publication number: CN1029757C
Application number: CN 92108414
Authority: CN
Inventors: 董绵豫; 张松斌; 童利民
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 1992-05-10
Filing date: 1992-05-10
Publication date: 1995-09-13
Anticipated expiration: 2007-05-10
Also published as: CN1065932A

Abstract

一种单晶光纤损耗测量仪，其特征是设有程控锁相放大器7和微机控制系统9，可测量单晶光纤的损耗系数、透射谱、散射谱以及散射位置谱，被测光纤芯径为100～1000μm，长度为2～40cm，波长从可见光至近红外，系统控制和信息处理由计算机执行，输出电压相对变化的动态范围为1.0～10^-3，能精确快速获得所需的连续谱图。

Description

本发明涉及一种利用光学手段来测试或分析材料，特别是利用散射和光谱性质，根据所测试的材料性质来改变入射光的装置。

单晶光纤是一种新型光纤材料，属于短光纤，它兼容块状单晶材料和玻璃光纤的波导特性，可应用于制造线性和非线性光学器件，如制造传感器，激活器件，非线性光学器件，高能量密度的传输器件等。单晶光纤的主要质量指标是材料的光学损耗和材质的均匀性，单晶光纤损耗测量仪是为确定单晶光纤材料最佳生长条件和测试该材料性能而研制的测量仪器。

现有的光纤损耗测量方案是采用切断法或背向散射法。切断法是测量出整根光纤的输出光强后，在输入端部切下一段短光纤，按原有的光注入条件，测出短光纤的输出光强，以此作为被测光纤的注入光强，计算出整根光纤的总损耗系数，此方案测量精度高，但只适用于测量长光纤损耗而不适用短光纤测量;背向散射法是将大功率的窄脉冲光注入被测光纤，在注入端测出沿光纤背向返回的散射光功率，由于散射光功率与该处入射光强成正比，由此可获得光沿该光纤传输时的损耗信息，可测量沿光纤长度方向各点的损耗特性。该方案有较好的重复性，适用于测量均匀性好、宏观缺陷很少的光纤，但不适用于测量单晶光纤。

本发明的目的在于提供一种单晶光纤损耗测量仪，能同时测量单晶光纤的散射和透射损耗特性，测量过程由计算机自动控制，具有量程大、精度高、测量速度快的特点。

本单晶光纤损耗测量仪，包括光源，斩波器，单色仪，参考光纤，匹配液盒，被测光纤，光散射探测器，光透射探测器，其特征是设有程控锁相放大器7，A/D板8，微机控制系统9以及开关K，其中程控锁相放大器7的一个输入端通过开关K接光透射探测器6或光散射探测器5的输出端，其另两个输入端分别接斩波器2的光电探测器的输出端和微机控制系统9的电平输出端，其输出端接A/D板8的输入端，A/D板8的输出端与微机控制系统9的一个输入端连接，微机控制系统9的另一个输入端与单色仪3的输出端连接，微机控制系统9的另两个输出端分别与单色仪3和光散射探测器5的步进马达的驱动电路的输入端连接，A/D板采用0809;当开关K接通光透射探测器6时，测量被测光纤L的光透射损耗，开关K接通带有积分球的光散射探测器5时，测量被测光纤L的光散射损耗。

程控锁相放大器7由前置放大器71、一级程控放大器72、高低通滤波器73、二级程控放大器74、相敏检波器及直流放大器75以及参考通道76组成，光散射探测器5或光透射探测器6的输出经开关K接前置放大器71、前置放大器71的输出端依次通过一级程控放大器72、高低通滤波器73、二级程控放大器74接相敏检波器及直流放大器75的一个输入端，斩波器2的光电探测器输出端接参考通道76的输入端，参考通道76的输出端与相敏检波器及直流放大器75的另一个输入端连接，微机控制系统9的电压输出端PB₀～PB₃分别与一级程控放大器72和二级程控放大器74的控制端A、B、C、D连接，相敏检波器及直流放大器75的输出端与A/D板8的输入端连接。

微机控制系统9由IBM-PC机91、译码器92和接口93构成，其中译码器92采用74LS30，接口93采用8255，PC机91的数据总线D₀～D₇与接口93的双向数据总线D₀～D₇连接，PC机91地址线A₀～A₉经译码器92地址译码，其2个输出端分别与接口93的 CS端和A/D板8的START、ALE端连接，PC机91的 IOW、 IOR、RES、GND端分别与接口93的 WR、 RD、RES、GND端连接，A/D板8的端口D₀～D₇接接口93的输入口PA₀～PA₇，接口93的高位输出口PC₄～PC₆与单色仪3和光散射探测器5的步进电机的驱动电路连接，接口93的高位输出口PC₇接A/D板8的输出允许端OE，接口93的端口PB₀～PB₃分别接一级程控放大器72和二级程控放大器74的控制端A、B、C、D，PC机91的IRQ₂端与接口93的端口PC₂及单色仪3的光电耦合器输出端连接，当PC机91的A₄端为低电平时选通接口93，为高电平时选通A/D板8，A/D板8的IN端与相敏检波器及直流放大器75的输出端连接。

单晶光纤与普通通讯光纤不同，是一种无包层的短光纤，其长度通常为5～20cm，具有块状单晶的特性，而且通常掺有激活离子。本发明为单晶光纤光损耗特性提供一种快速而有效的测量方案。

测量单晶光纤光透射损耗的操作步骤：

1.将面板上的电源、锁相、斩波器、高压恒流源、马达的开关依次打开;

2.置增益切换为手动，增益控制为0000，被测光纤置于光路中，调节供光散射探测器5和光透射探测器6的高压为700～1000V，调节恒流源电流至读数指示为1000左右，增益开关置于适当的增益值，调节入射光至最佳状态;

3.将运行程序送入微机控制系统9，增益开关切换到自动位置，选择主菜单上的透射谱测量项目，输入光纤类型，光纤长度，测量范围及起始波长后，计算机对单色仪3进行自动定位及扫描，并对程控锁相放大器7进行自动增益控制，使程控锁相放大器7输出电压在入射光波长变化过程中始终保持0.4～1.0V范围内;

4.去掉被测光纤L，测量参考光纤L₀的透射光强，测得光透射探测器6输出电压与波长变化关系;

5.计算机对被测光纤L和参考光纤L₀的测量结果作归一化处理，得到被测光纤相对的透射谱。

测量单晶光纤光散射损耗的操作步骤：

2.将被测光纤L穿过光散射探测器5的积分球，选择程控锁相放大器7的放大倍数，调节光路至最佳状态;

3.将编好的程序送入计算机，选择主菜单上的散射位置谱测量项目，输入光纤类型及光纤长度参数后，计算机送出控制信号驱动光散射探测器5的步进马达，带动积分球沿被测光纤L的轴向移动，测得光纤轴向的相对光散射损耗位置谱。

同现有技术比较本方案具有以下优点：

1.本测量仪既可测定单晶光纤的总损耗，又可测定沿单晶光纤轴向向外的散射损耗，能确定单晶光纤的损耗系数、透射谱、散射谱以及散射位置谱，而现有技术不同时具备这些功能。

2.测量范围广，可测波长范围从可见光至近红外，光纤芯径100～1000μm，光纤长度2～40cm，而现有技术只能测量可见光范围内的光纤，且其芯径是固定值。

3.整个系统控制及信息处理由计算机执行，由计算机自动调节程控锁相放大器的灵敏度，保证了系统能在较大的动态范围内对单晶光纤的损耗特性作精确的快速测量，该输出相对电压变化范围是1.0～10^-3，获得各种连续的谱图，且由屏幕或打印输出的谱图范围可以任意选择。

图面说明：

图1为本方案的结构示意图;

图2为程序锁相放大器7的结构示意图;

图3为微机控制系统9的连接关系图;

图4～图9为几种实测的谱图。

实施例：

采用图1所示的单晶光纤损耗测量仪，实测多种单晶光纤损耗，获得图4～图9的谱图，图4～图8的横坐标为波长，单位μm，纵坐标为相对光强;图9横坐标为被测点距被测光纤端部的距离，单位mm，纵坐标为散射光强相对于入射光强的相对比例。

图4的被测光纤材料为Nd：YAG，长度为3cm，直径为840μm，图中显示测量波长范围为0.6～1.08μm范围的透射谱。

图5条件与图4相同，测量波长范围0.72～0.84μm，图面的透射谱中看出该波长范围内存在多个吸收峰。

图6是直径800μm，长5cm的Er³：YAG单晶光纤的透射谱。

图7是直径400μm，长1cm的LiNbo₃单晶光纤的透射谱。由于未掺杂，无吸收峰。

图8是直径840μm，长23.5cm的Al₂O₃单晶光纤的透射谱，由于未掺杂，无吸收峰。

图9是直径840μm，长23.5cm的Al₂O₃单晶光纤的散射位置谱。

光源1采用150W卤钨灯，斩波器2采用Model 125A，由其中的光电探测器输出电信号，单色仪3采用带步进电机的WDG30型光栅干涉仪，参考光纤L₀为石英光纤，其长度为6cm，直径为450μ，折射率nL₀为1.5，被测光纤L是 NdYAG单晶光纤，其长度为30cm，直径为500μ，折射率nL为1.8，匹配液盒4中的匹配液折射率n为1.5，带积分球、步进电机及其驱动电路的光散射探测器5其光电倍增管采用GDB-411（华东电子管厂产品），光透射探测器6采用GDB-411光电倍增管，开关K采用单刀双掷开关。

程控锁相放大器7采用FS-5，整机略加改装，图2中的前置放大器71、高低通滤波器73、相敏检波器及直流放大器75、参考通道76皆为原FS-5整机的组成部份;为了把手动改为自动，原机中的波段开关采用一级程控放大器72和二级程控放大器74替代，该一级程控放大器72和二级程控放大器74采用模拟开关4051，脚标③①分别为模拟开关4051的输入端和输出端，脚标(11)⑩⑨⑥为控制端。

A/D板采用0809，微机91采用IBM-PC，其译码92采用74LS30，接口93采用8255，光散射探测器5/光透射探测器6的输出通过开关K接程控锁相放大器7的输入，一级程控放大器72输入端接前置放大器71的输出，其输出端①与高低通滤波器73的输入端连接，二级程控放大器74输入端③接高低通滤波器73的输出端，其输出端①与相敏检波器及直流放大器75的一个输入端连接;接口93的端口PB₀～PB₃分别接一级程控放大器72和二级程控放大器74的控制端A、B、C、D，即分别接模拟开关的脚标(11)、⑩、⑨、⑥，斩波器2的光电探测器输出UF接程控锁相放大器7的参考通道76的输入端，程控锁相放大器7的输出UO接A/D板8的模拟输入端，A/D板8输出接接口93的端口PA₀-PA₇，接口93的端口PC₄、PC₅、PC₆分别接单色仪3和光散射探测器5的步进电机驱动电路输入端，单色仪3的光电耦合管的输出与接口93的端口PC₂和微机91输入输出通道中一根中断请求线连接，由单色仪3光电耦合器提供中断信号，供波长定位用。

Claims

1、一种单晶光纤损耗测量仪，包括光源(1)，斩波器(2)，单色仪(3)，参考光纤(Lo)，匹配液盒(4)，被测光纤(L)，光散射探测器(5)，A/D板(8)微机控制系统(9)，以及开关(K)，其特征在于：设有程控锁相放大器(7)，该程控锁相放大器(7)的一个输入端通过开关(K)接光散射探测器(5)的输出端，其另两个输入端分别接斩波器(2)的光电探测器的输出端和微机控制系统(9)的电平输出端，其输出端接A/D板(8)的输入端，A/D板(8)的输出端与微机控制系统(9)的一个输入端连接，微机控制系统(9)的另一个输入端与单色仪(3)的输出端连接，微机控制系统(9)的另两个输出端分别与单色仪(3)和光散射探测器(5)的步进马达的驱动电路的输入端连接，A/D(8)板采用0809。

2、根据权利要求1的测量仪，其特征在于：所述的程控锁相放大器（7）由前置放大器（71）、一级程控放大器（72）、高低通滤波器（73）、二级程控放大器（74）、相敏检波器及直流放大器（75）以及参考通道（76）组成，光散射探测器（5）的一个输出端经开关（K）接前置放大器（71），前置放大器（71）的输出端依次通过一级程控放大器（72）、高低通滤波器（73）、二级程控放大器（74）接相敏检波器及直流放大器（75）的一个输入端，斩波器（2）的光电探测器输出端接参考通道（76）的输入端，参考通道（76）的输出端与相敏检波器及直流放大器（75）的另一个输入端连接，微机控制系统（9）的电压输出端（PBo）～（PB₃）分别与一级程控放大器（72）和二级程控放大器（74）的控端（A）、（B）、（C）、（D）连接，相敏检波器及直流放大器（75）的输出端与A/D板（8）的输入端连接。

3、一种单晶光纤损耗测量仪，包括光源（1），斩波器（2），单色仪（3），参考光纤（Lo），匹配液盒（4），被测光纤（L），光透射探测器（6），A/D板（8）微机控制系统（9），以及开关（K），其特征在于：设有程控锁相放大器（7），该程控锁相放大器（7）的一个输入端通过开关（K）被光透射探测器（6）的输出端，其另两个输入端分别接斩波器（2）的光电探测器的输出端和微机控制系统（9）的电平输出端，其输出端接A/D板（8）的输入端，A/D板（8）的输出端与微机控制系统（9）的另一个输入端与单色仪（3）的输出端连接，微机控制系统（9）的另两个输出端分别与单色仪（3）和光透射探测器（6）的步进马达的驱动电路的输入端连接，A/D（8）板采用0809。

4、根据权利要求3的测量仪，其特征在于：所述的程控锁相放大器（7）由前置放大器（71）、一级程控放大器（72）、高低通滤波器（73）、二级程控放大器（74）、相敏检波器及直流放大器（75）以及参考通道（76）组成，光透射探测器（6）的一个输出端经开关（K）接前置放大器（71），前置放大器（71）的输出端依次通过一级程控放大器（72）、高低通滤波器（73）、二级程控放大器（74）接相敏检波器及直流放大器（75）的一个输入端，斩波器（2）的光电探测器输出端接参考通道（76）的输入端，参考通道（76）的输出端与相敏检波器及直流放大器（75）的另一个输入端连接，微机控制系统（9）的电压输出端（PBo）～（PB₃）分别与一级程控放大器（72）和二级程控放大器（74）的控制（A）、（B）、（C）、（D）连接，相敏检波器及直流放大器（75）的输出端与A/D板（8）的输入端连接。

5、根据权利要求1或3的测量仪，其特征在于：所述的微机控制系统（9）由IBM-PC机（91）、译码器（92）和接口（93）构成，其中译码器（92）采用74LS30，接口（93）采用8255，PC机（91）的数据总线（Do）～（D₇）与接口（93）的双向数据总线（）～（D₇）连接，PC机（91）地址线（A₀）～（A₉）经译码器（92）地址译码，其2个输出端分别与接口（93）的（ CS）端和A/D板（8）的（START）、（ALE）端连接，PC机（91）的（ IOW）、（ IOR）、（RES）、（GND）端分别与接口（93）的（ WR）、（ RD）、（RES）、（GND）端连接，A/D板（8）的端口（D₀）～（D₇）接接口（93）的输入口（PA₀）～（PA₇），接口（93）的高位输出口（PC₄）～（PC₆）与单色仪（3）和光散射探测器（5）的步进电机的驱动电路连接，接口（93）的高位输出口（PC₇）接A/D板（8）的输出允许端（OE），接口（93）的端口（PB₀）～（PB₃）分别接一级程控放大器（72）和二级程控放大器（74）的控制端（A）、（B）、（C）、（D），PC机（91）的（IRQ₂）端与接口（93）的端口（PC₂）及单色仪（3）的光电耦合器输出端连接。