Измерение геометрических параметров и механических напряжений оптического волокна

Оптическое волокно получают методом вытяжки из заготовки, при этом соотношение диаметров сердцевины и оболочки в заготовке полностью передаются волокну. Поэтому диаметр волокна контролируют в процессе вытяжки, используя автоматические средства измерения диаметра и эксцентриситета, которые управляют работой линии и осуществляют регулировку размера волокна. Разрешающая способность средств измерений позволяет измерять диаметр волокна с точностью 0,1 мкм и выше.

Измерение геометрических размеров ОВ производят по распределению мощности излучения в ближнем поле ОВ. В качестве источника излучения используют любой излучатель с достаточной интенсивностью. Источник излучения устанавливают у свободного конца образца. Другой конец ОВ помещают в измерительный микроскоп с увеличением в 100—600 раз и производят фокусировку торца ОВ. Источник излучения регулируют таким образом, чтобы изображение торца ОВ в микроскопе было полным и четким.

Измерительный микроскоп включает в себя микрометр и дополнительные приборы — фотокамеру, детектор с разверткой и др. На измерительную шкалу нанесены кольцевые риски для измерения диаметров сердцевины и оптической оболочки. Минимальный и максимальный диаметры измеряют путем поворота изображения или шкалы по кругу.

Для измерения размеров ОВ регистрируют интенсивность излучения. При этом оптическая система фокусирует увеличенное изображение торца ОВ на плоскость поверхности фотоприемника. Различные сканирующие устройства, например устройство с точечной диафрагмой и детектором излучения, сканирующее зеркало и др., позволяют измерять изменение интенсивности излучения по линии диаметра ОВ. Кроме того, применяют системы автоматизации измерений различного уровня вплоть до вычерчивания диаграммы интенсивности излучения и численной обработки результатов.

Измерение геометрических размеров ОВ методом четырех концентрических окружностей используют для сравнительной оценки размеров ОВ. Для этого определяют диаметры сердцевины и оптической оболочки и эксцентриситета. Четыре концентрические окружности должны находиться в поле допусков. Диаметры этих окружностей (О + ДО), (О - ДО), (О) + ДО(), (О) - ДО|), где ДО и Д?>1 — допуски диаметров оболочки и сердцевины. Считают, что ОВ выдержало испытания, если контуры оболочки и сердцевины расположены внутри этих колец.

Метод измерения группового Г1Г1 оптического волокна известной длины состоит в том, что в ОВ посылают серию зондирующих импульсов и измеряют время задержки Д/ передаваемого (проходящего) или отраженного импульса. На практике приборы, используемые в данном методе, калибруют по измерениям образца ОВ известной длины одного и того же типа.

Другим методом измерения ПП является определение распределения интенсивности излучения в ближней зоне, структурная схема которого показана на рис. 8.9. В качестве источника излучения 1 применяют измерительную лампу, диаграмма направленности излучения которой подчиняется закону Ламберта (сила света отраженного или рассеянного в направлении, составляющем угол ср с нормалью поверхности, связана со световым потоком /0, отраженного вдоль нормали, соотношением

Излучение с помощью микрообъектива 2 фиксируют на торец измеряемого короткого образца ОВ 3, а затем с помощью линзы 4

Схема измерений по методу ближней зоны на измерительную площадку размером 250 мкм сканирующего фотодиода 6

Рис. 8.9. Схема измерений по методу ближней зоны на измерительную площадку размером 250 мкм сканирующего фотодиода 6. Площадка фотодиода для сканирования может перемещаться по диаметру изображения торца ОВ. В усилителе 7 применяют механическую модуляцию интенсивности излучений с помощью устройства 5. Диаграмму интенсивности регистрируют двухкоординатным прибором 8.

Расчет относительного изменения профиля ПП по диаметру сердцевины производят на основе соотношений (8.4) и (8.5):

где /(г) — измеренная интенсивность излучения на расстоянии г от центра сердцевины; /(0) — интенсивность в центре сердцевины.

Модификацией рассмотренного метода измерения профиля является метод измерения интенсивности излучения в ближней зоне, основанный на измерении полной интенсивности пропущенного отрезком ОВ излучения при облучении небольшого участка его сердцевины. Метод предусматривает сканирование оптического пятна по входному торцу ОВ и может быть использован также для измерения числовой апертуры.

Определение профиля ПП и числовой апертуры методом дальней зоны осуществляют путем измерения распределения интенсивности излучения по углу достаточно далеко от выходного торца ОВ. Измерение числовой апертуры осуществляют па отрезке ОВ длиной 2 м, возбужденного излучением определенной длины волны при условии, что диаметр облучающего пучка больше диаметра сердечника, угол пучка больше числовой апертуры ОВ. Значение числовой апертуры определяют как синус половины угла, при котором интенсивность излучения в дальней зоне составляет 5 % максимального значения. Для многомодовых ОВ с почти параболическим профилем Г1Г1 синус этого угла близок к числовой апертуре.

Измерение геометрических размеров заготовок и профиль Г1Г1 ОВ производят также интерференционными методами с применением иммерсионных систем на поверхности оболочки.

Механические напряжения ОВ можно измерить, используя специальный прибор, который излучает в ОВ короткие импульсы света и детектирует сигнал бриллюэновского и рэлеевского рассеяния когерентным методом. При бриллюэновском рассеянии на звуковых фононах свет испытывает сдвиг частоты Допплера. Измеряя величину этого сдвига, прибор определяет скорость звука и, окончательно, распределение напряжений в ОВ.

На рис. 8.10 показана схема бриллюэновского рефлектометра и полученная с его помощью рефлектограмма. Излученный лазером непрерывный световой пучок с оптической частотой V, сдвигается на частоту Дм с помощью специального оптического устройства. Затем свет модулируется и вводится в измеряемое ОВ, в котором возникает бриллюэновское рассеяние света. Рассеянный свет, вернувшийся из волокна назад, интерферирует с излучением лазера с оптической частотой v на фотодетекторе. Поскольку при бриллюэновском рассеянии частота света сдвигается на Avb, то интерференция света будет регистрироваться низкочастотным детектором только в том случае, если оптический сдвиг частот Ду совпадает с бриллюэновким Avb. Такие измерения последовательно повторяются с различными сдвигами частоты Ду и таким образом, определяют спектр бриллюэнов- ского рассеяния в каждой точке волокна и бриллюэновский сдвиг частоты. Этот сдвиг частоты пропорционален напряжению в ОВ.

Связь между напряжением и сдвигом частот определяется по формуле:

где у(г) — центральная частота спектра бриллюэиовского рассеяния; v/;(0) — центральная частота спектра бриллюэиовского рассеяния при отсутствии механического напряжения ОВ; К — коэффициент, связывающий частоту и напряжение; ? — напряжение, приведенное к растяжению волокна (%).

Напряжение рассчитывают следующим образом. Вначале измеряют спектр бриллюэновского рассеяния в каждой точке волокна. Затем измеряют временную зависимость сигнала бриллюэновского рассеяния на различных частотах излучения и, таким образом, получают спектр бриллюэновского рассеяния в каждой точке волокна.

Определив эту частоту как сдвиг бриллюэиовской частоты v(?, Z) и подставив ее значение в (8.19), получают выражение для определения напряжения ОВ:

Определение механических характеристик ОК необходимо для падежного функционирования систем передачи. При исследовании механических характеристик кабелей критериями их годности счита-

Схема работы бриллюэновского рефлектометра

Рис. 8.10. Схема работы бриллюэновского рефлектометра:

v/)l’ v/>2 — смещения на участках 0Zи ZL

Схема разрывной машины, для испытания оптического кабеля на сопротивление к тяговому усилию

Рис. 8.11. Схема разрывной машины, для испытания оптического кабеля на сопротивление к тяговому усилию:

I — электрораспределительный блок (панель управления); 2 — тяговая тележка; 3 — тяговые шкивы; 4 — возвратное колесо; 5 — буферные упоры; 6 — тяговый червяк; 7 — держатели кабеля; 8 — зажим для кабеля; 9 — плечо консоли; 10 — измерительный блок тяги

ется отсутствие механического напряжения в ОВ кабеля. Испытания ОК со свободной укладкой волокон в оптические модули на сопротивление к тяговому усилию проводят на разрывной машине (рис. 8.11), которая обеспечивает максимальное растяжение 100 кН.

Испытания кабелей на стойкость к длительным изгибам проводят путем его намотки на цилиндрический шаблон. Испытания на кратковременные изгибы выполняют на специальных установках для многократных изгибов. Если целью испытания является определение стойкости при заданном числе изгибов и величине изгиба, то после осуществления этого числа изгибов испытуемый образец снимают с установки и исследуют на соответствие критериям годности. Если целью испытания является определение допустимого числа изгибов, то образец изгибают до наступления отказа — изменения затухания, обрыва одного из волокон, повреждения элементов конструкции кабеля.

Испытание кабеля на допустимое поперечное сжатие (раздавливающее усилие) выполняют на той же машине, что и испытание на сопротивление к тяговому усилию путем размещения кабеля между двумя плоскими металлическими пластинами. Для испытаний на стойкость к ударным воздействиям наиболее часто применяют метод падающего груза.

Проверку ОВ на соответствие критериям годности выполняют после каждого вида испытания.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >