基于圆偏振仪的相位补偿方法进行的光纤轴向残余应力分布测量

《Optical Fiber Technology》：Optical fiber axial residual stress distribution measurement based on phase compensation using circular polariscope

光纤残余应力分布的相位补偿测量方法研究。基于环形偏振器与琼斯矩阵分析，结合最小二乘多项式拟合和分层模型算法，实现了单模光纤轴向残余应力分布及多模光纤截止区应力变化的测量，相关系数达0.99以上，误差±0.3MPa。通过CT算法重构偏振保持光纤横截面应力分布，分析了结构特征与折射率分布的关联性。

　　光学纤维在现代通信网络、数据中心、传感系统、生物医学成像、激光等众多领域中得到了广泛应用。其制造过程中，诸如材料的热膨胀系数、施加的张力等因素会导致纤维内部产生残余应力。这种残余应力会引发折射率各向异性，从而影响传输信号的光束散射以及波导性能的变化。此外，残余应力还可能导致纤维弯曲和疲劳强度下降，进而影响其使用寿命。因此，对各种类型光学纤维的残余应力分布进行准确、可靠的测量，对于优化制造工艺、提高性能评估和调控技术具有重要意义。

当前，测量光学纤维的轴向残余应力分布通常依赖于通过应力双折射所引起的相位延迟分布。常见的方法包括相位移光弹性法、相位补偿法、偏振数字全息法和光弹性调制法。其中，相位移光弹性法通过精确控制多个偏振组件的旋转角度，获取不同相位移下的强度图像，进而分析强度变化并计算相位延迟分布。这种方法依赖于相对强度，对噪声和组件旋转误差较为敏感。相位补偿法则利用补偿器来抵消由光纤残余应力引起的相位延迟，通过构建补偿器或者使用专门设计的补偿器进行测量。然而，该方法的分辨率相对有限，设备设计较为复杂。偏振数字全息法则使用数字全息显微镜，从正交偏振参考光波与物体光波的干涉中生成单个全息图，进而分离和重构物体光波的相位延迟分布。这种方法需要控制三束光的偏振状态，使得光学路径较为复杂。光弹性调制法则利用相位调制器控制光场强度，通过已知的信号光调制幅度和相位，分析光通过样品后的偏振状态变化，进而获取相位延迟。这种方法同样需要专门设计的调制器，限制了其应用范围。

本文提出了一种基于圆偏振光的相位补偿方法，用于测量光学纤维的轴向残余应力分布。该方法通过圆偏振光的强度分布特性，结合琼斯矩阵分析光场分布特征。使用非相干光源对样品进行横向照明，以减少衍射效应的影响，提高强度分辨率。通过最小二乘多项式拟合强度信息，获取补偿相位并计算相位延迟分布。对于具有圆对称结构的光纤，构建分层模型算法以获取一维轴向残余应力分布。而对于非圆对称结构的光纤，则通过基于计算机断层扫描（CT）的滤波反投影算法进行二维应力分布的重建。通过分析应力与折射率分布之间的结构关系，可以进一步优化光纤的制造工艺，提高其性能。

在实验中，选取了一根直径为125微米、长度为15厘米的单模光纤作为样品。剥离光纤涂层后，将其浸入折射率为1.462的匹配油中，以减少折射率差异对测量的影响。通过旋转偏振器，获取不同转角下的强度图像。使用最小二乘多项式拟合强度信息，获得补偿相位并计算相位延迟分布。该方法能够准确测量单模光纤的轴向残余应力分布，并在多模光纤的截止区域以及熊猫型偏振保持光纤的横截面中，测量其应力分布情况。实验结果表明，该方法与商用仪器IFA-100的测量结果具有高度一致性，相关系数超过0.99，残余应力测量误差控制在±0.3兆帕范围内。这表明所提出的方法在精度和可靠性方面均具有显著优势。

通过使用圆偏振光进行相位补偿，能够有效提取光纤内部的应力信息。圆偏振光的特性使其在不同偏振状态下对光场的干涉具有较强的稳定性，从而提高了测量的准确性。琼斯矩阵用于描述光场在不同偏振状态下的传播特性，结合强度分布分析，能够更全面地理解光场的变化。这种方法不仅适用于单模光纤，还可扩展到多模光纤和偏振保持光纤等不同结构类型的光纤，从而满足多种应用场景的需求。

在测量过程中，非相干光源的使用对提高强度分辨率起到了关键作用。非相干光源相比相干光源具有更宽的光谱范围和更低的相干长度，能够有效减少由于光干涉引起的衍射效应。此外，横向照明方式使得光能够均匀地照射在光纤的横截面上，提高了光场分布的测量精度。通过滤波反投影算法，结合计算机断层扫描技术，能够实现对非圆对称结构光纤的二维应力分布的精确重建。这种方法不仅提高了测量效率，还增强了对复杂结构光纤的适应能力。

对于具有圆对称结构的光纤，构建分層模型算法能够有效提取一维轴向残余应力分布。该模型基于光纤的结构特性，通过分层分析和多项式拟合，能够准确获取不同深度处的应力分布情况。对于非圆对称结构的光纤，则采用滤波反投影算法进行二维应力分布的重构。该算法通过将不同角度下的强度图像进行投影和反投影，能够有效提取光纤内部的应力分布特征。这种方法不仅适用于单模光纤，还可用于多模光纤和偏振保持光纤等不同类型的光纤，从而实现更广泛的测量应用。

通过分析残余应力与折射率分布之间的关系，可以更深入地理解光纤内部的物理特性。折射率的分布直接影响光纤的传输性能，而残余应力则可能改变折射率的分布，进而影响光的传播路径。因此，测量残余应力分布不仅有助于优化制造工艺，还能为光纤的性能评估和调控提供重要依据。实验结果表明，该方法在单模光纤的轴向残余应力测量中具有较高的精度和可靠性，相关系数超过0.99，残余应力测量误差控制在±0.3兆帕范围内。这表明所提出的方法在实际应用中具有显著优势。

此外，该方法在多模光纤的截止区域和偏振保持光纤的横截面中也表现出良好的适应性。通过测量这些区域的应力分布，可以更全面地了解光纤的结构特性，为优化其性能提供有力支持。实验过程中，采用非相干光源进行横向照明，结合圆偏振光的特性，能够有效减少衍射效应的影响，提高强度分辨率。通过最小二乘多项式拟合强度信息，获取补偿相位并计算相位延迟分布，使得测量结果更加精确。

综上所述，本文提出了一种基于圆偏振光的相位补偿方法，用于测量光学纤维的轴向残余应力分布。该方法结合琼斯矩阵分析光场分布特性，使用非相干光源进行横向照明以提高测量精度，通过最小二乘多项式拟合获取补偿相位，进而计算相位延迟分布。对于具有圆对称结构的光纤，构建分层模型算法以获取一维轴向残余应力分布；对于非圆对称结构的光纤，则采用滤波反投影算法进行二维应力分布的重建。实验结果表明，该方法在单模光纤的轴向残余应力测量中具有较高的精度和可靠性，相关系数超过0.99，残余应力测量误差控制在±0.3兆帕范围内。该方法不仅适用于单模光纤，还可扩展到多模光纤和偏振保持光纤等不同类型的光纤，从而满足多种应用场景的需求。通过测量残余应力分布，可以为优化制造工艺和提高光纤性能提供重要参考，具有广阔的应用前景。