Измерение геометрических параметров волоконных световодов.

Важным параметром волокна является его внешний диаметр (диаметр светоотражающей оболочки), который строго контролируется и автоматически поддерживается в заданных пределах в процессе вытяжки. В промышленных установках чаще всего используются теневой метод и метод измерения картины рассеяния вперед

Теневой метод применялся и ранее для измерений диаметра при вытяжке тонкой металлической проволоки. Прибор, реализующий этот метод, представлен на рис. 5.11. Сфокусированный на волокно лазерный пучок диаметром мкм сканирует с помощью колеблющегося зеркала в угле

Рис. 5.10. Схема установки для измерения профиля показателя заготовки: 1 — лазер, 2 — расширитель луча, 3 — зеркало, 4 — шаговый двигатель, 5,7 — линзы, 6 — заготовка в кювете с иммерсионной жидкостью; 8 — линейка фотоприемников ПЗС; 9 - микроЭВМ

Рис. 5 11. Схема установки для измерения диаметра теневым методом: 1 — лазер, 2 — расширитель пучка; 3 — сканирующее зеркало, 4 — лииза, 5 — фотоприемиик; 6 — микропроцессор, 7 — волокно

За волокном расположен фотодетектор, размер фоточувствительной области которого существенно больше диаметра волокна, это обеспечивает устойчивую работу датчика при неизбежных в процессе вытяжки поперечных смещениях световода. В интервал времени, когда сфокусированный пучок пересекает волокно, ток фотодетектора резко уменьшается, длительность такого «теневого» импульса прямо пропорциональна измеряемому диаметру. Микропроцессор выдает сведения о диаметре на дисплей или печатающее устройство и вырабатывает необходимые сигналы управления механизмами подачи заготовки, вытяжки и намотки. Ошибка датчика лежит в пределах 2 %, минимальный измеряемый диаметр ограничивается размером пятна в фокусе [126].

Существенно более точным, но и более сложным, является метод измерения картины рассеяния вперед [348]. При рассеянии лазерного излучения от волокна вперед в диапазоне углов 6—68 от направления распространения луча образуется интерференционная картина с периодом, зависящим от диаметра волокна

(рис. 5.12). Число максимумов в распределении интенсивности света в диапазоне углов равно

Величины и к известны, диаметр волокна легко определить, измерив Из формулы (5.5) понятно, что при уменьшении длины волны к увеличивается точность измерений» поэтому очень часто в качестве источника излучения применяется гелий-кадмиевый лазер с длиной волны мкм.

Рис. 5.12. Распределение интенсивности света при рассеянии вперед

Рис. 5.13. Схема установки для измерения диаметра методом рассеяния вперед: 1 — лазер; 2 — волокно, 3 — линейка фотоприемников ПЗС, 4 — микропроцессор

В датчиках диаметра, использующих рассеяние вперед, для подсчета применяются линейки фотодиодов или, что рациональнее, фотоприемников ПЗС и микропроцессоры для обработки сигналов; с линейки формирования управляющих сигналов (рис. 5.13). Разрешающая способность датчика такого типа и погрешность измерений составляют 0,25 мкм, быстродействие — Картина рассеяния вперед содержит и информацию о диаметре сердцевины волокна, который определяет период «медленной» пространственной модуляции (рис. 5.12). Так что в принципе возможно, хотя и с невысокой точностью, одновременно измерять и диаметр сердцевины.

Метод рассеяния вперед в силу своих достоинств является основным из используемых при производстве волокон. С помощью простой и доступной аппаратуры его возможности и особенности могут быть продемонстрированы в учебном процессе. Существенно, что эта аппаратура легко унифицируется для измерения всех тех параметров волоконных световодов, информация о которых содержится в пространственном распределении интенсивности света. В лабораторном практикуме кафедры оптических систем передачи информации ЛЭИС для этих целей используется набор стандартных приборов: малогабаритная телевизионная камера, телевизор и телевизионный осциллограф с выбором строки [29].

На рис. 5.14 приведена схема учебной установки для исследования рассеяния вперед и измерения диаметра волокна. Набор волокон с различным диаметром закреплен в специальной оправке вертикально и освещается лучом гелий-неонового лазера. Углы, под которыми луч падает на волокна, несколько различны, поэтому в плоскости полупрозрачного матового экрана и соответственно на экране телевизора наблюдается набор картин, соответствующих рассеянию вперед от каждого из волокон. Выбирая соответствующую строку телевизионного изображения, на экране осциллографа можно наблюдать распределение интенсивности света в заданной картине.

Рис. 5.14. Учебная установка для измерения диаметра методом рассеяния вперед: 1 — осциллограф с выбором строки; 2 — телевизор; 3 — телевизионная камера; 4 — полупрозрачный матовый экран; 5 — волокна; 6 — зеркало; 7 — лазер

Рис. 5.15. Автоматизированная система контроля геометрии волоконного световода и качества подготовки его торцов: 1 — источник слабокогерентного оптического излучения; 2 — исследуемый световод; 3 — микроскоп; 4 — телевизионная камера; 5 — аналого-цифровой преобразователь; 6 — микроЭВМ; 7 — дисплей; 8 — печатающее устройство

Диапазон углов, в котором производится наблюдение, известен, поэтому определение диаметра не представляет особого труда. По аналогичному принципу построены учебные установки, в которых измеряются числовая апертура волокна, профиль его показателя преломления, диаграммы направленности излучения светодиодов и лазерных диодов и т. п.

Телевизионное оборудование широко используется и в промышленности для контроля таких параметров, как диаметр сердцевины, эллиптичность, концентричность сердцевины и оболочки, качество торцов световода перед заделкой их в разъемные соединители, при сварке и т. п. Схема автоматизированной системы контроля перечисленных параметров [257] представлена на рис. 5.15. С помощью микроскопа на видиконе формируется изображение торца волокна. Изображение анализируется в микроЭВМ, наблюдается на экране дисплея, результаты анализа распечатываются на печатающем устройстве.

Числовую апертуру волоконного световода чаще всего определяют, измеряя диаграмму направленности излучения на выходе световода при возбуждении его слабокогерентным источником

света. Такие измерения проводятся в дальней зоне с помощью сканирующего по поперечным координатам фотодиода, линейки фотоприемников ПЗС или телевизионной камеры. Для быстрой обработки результатов перечисленные устройства сопрягаются с микроЭВМ.