[发明专利]一种保偏光纤包层直径测量方法及装置

说明书

一种保偏光纤包层直径测量方法及装置，属于分布式光纤传感领域，目的是为了解决现有的保偏光纤直径测量方法无法兼顾非破坏、高精度、以及分布式测量。本发明的方法包括：向保偏光纤的一端先后注若干组频率间隔为f_m的线偏振激发脉冲光和频率间隔为f_m的线偏振读取脉冲光，且二者偏振方向垂直；向保偏光纤另一端先后注入频率为或者以及频率为或者的连续探测光，其中，ν_B为保偏光纤的后向布里渊频移理论值；在包含保偏光纤前向布里渊频移理论值的预设频率范围内对f_m进行扫描，并测量读取脉冲光中的高频分量和低频分量的光功率，获得与预设频率范围相对应的前向受激布里渊信号谱线；根据该谱线获得保偏光纤的包层直径。

技术领域

本发明涉及光纤基本参数的分布式测量技术，属于分布式光纤传感领域。

背景技术

光纤作为感知外界环境变化的传感单元，通过光纤中的散射，获取光纤每个位置的传感信号，实现分布式传感。近年来，随着现代化工业和农业生产中对传感器的巨大需求，分布式光纤传感被大量应用于桥梁道路结构健康监测、管道安全监控以及气体测量等领域。

实际上，光纤不仅是一种性能良好的光波导，也可以作为一种声波导，利用声波可以与外界直接接触的特点完成对外界环境物质性质的感知。前向布里渊散射是指，沿光纤轴向同向传输的泵浦光和散射光相互作用产生横向声波，而横向声波场通过包层-涂覆层或者涂覆层-外界环境等界面反射回来形成稳定声波模式，携带外界信息的横向声波场返回光纤纤芯同光波进行光声耦合，从而影响散射光的传输。近年来，一种基于前向受激布里渊散射(Forward Stimulated Brillouin Scattering,FSBS)的分布式光纤传感被研究人员提出，并成为了传感领域的热点。其基本原理是通过瑞利散射或者后向受激布里渊散射来探测前向受激布里渊散射谱，然后通过数据处理解调出分布式物质信息。利用这一原理，也可以进行光纤包层直径的分布式测量。

光纤的直径测量对于超高灵敏度传感和高速光通信等领域至关重要。目前，光纤直径的测量依赖于点式测量方案。例如，在工业上，扫描电子显微镜或光学显微镜由于其良好的空间分辨率被广泛采用，即通过获取截面图像以测量光纤直径。然而，测量过程中切割光纤会对其造成不可逆的损伤，并且显微镜测量法的分辨率和视场无法同时优化。自20世纪70年代以来，非破坏性的光纤直径测量方法包括基于后向散射(Presby,H.M.“Refractive index and diameter measurements of unclad optical fibers”.OpticalSociety of America.64,280-284(1974))和前向散射(Smithgall,D.H.,Watkins,L.S.andFrazee,R.E.“High-speed noncontact fiber-diameter measurement using forwardlight scattering”.Applied Optics.16,2395-2402(1977))产生的相干边缘图案的分析，在50μm-150μm的光纤直径范围内，最佳精度为250nm，该技术已被用于商业制备的光纤直径测量。然而，上述方法所达到的直径分辨率不足以满足更高要求的应用。而光谱干涉测量法(Jasapara,J.,Monberg,E.,DiMarcello,F.and Nicholson,J.W.“Accurate noncontactoptical fiber diameter measurement with spectral interferometry.”OpticsLetters.28,601-603(2003))等方法的引入可以实现高于10nm的精度。精度高于10nm的测量可以通过近场共振在后向散射光实现(Ashkin,A.,Dziedzic,J.M.and Stolen,R.H.“Outer diameter measurement of low birefringence optical fibers by a newresonant backscatter technique”.Applied Optics.20,2299-2303(1981))。另一个高精度的方案利用了由辅助微纤维产生的回音壁模式，以实现1/10⁴的分辨率(T.A.Birks,J.C.Knight,and T.E.Dimmick,“High-resolution measurement of the fiber diametervariations using whispering gallery modes and no optical alignment”IEEEPhotonics Technology Letters 12,182-183(2000))。