Обзор системы измерения профиля показателя преломления волокна Arden Photonics nPA-400

  

2. Комплектность оборудования

В комплект поставки оборудования входит:

• оптическая система nPA-400;
• комплект для залива жидкости (10 мл флакон иммерсионной жидкости для измерения показателя преломления, шприц и насадки);
• набор стеклянных подложек 100 шт;
• 3 образца волокна в качестве эталонов;
• жёсткий кейс для транспортировки;
• 2 обжимных штифта (nPA-F0270 – для диаметра волокна по кварцу 230 – 270 и nPA-F0440 – для диаметра волокна по кварцу 270-440);
• USB кабель;
• Кабель питания;
• Мини ПК (с клавиатурой и мышью).

Стоит отметить, что монитор не входит в комплект поставки, его необходимо приобретать отдельно.

 
3. Оптический модуль

Определяющие части оптического модуля это передняя и задняя панели. Каждая отвечает за свой функционал, который мы рассмотрим подробнее.

На передней панели (рис. 2) располагаются порт измерительной ячейки и система фокусировки изображения. 

Рисунок 2 – Передняя панель nPA-400

Порт измерительной ячейки используется для вставки и удержания измерительной ячейки. Порт имеет прижимную планку для захвата ячейки и жесткий упор, когда ячейка полностью вставлена.

Настройка грубого фокуса позволяет выполнять грубую ручную регулировку положения фокуса с помощью шестигранной отвертки на 2 мм. Грубая регулировка позволяет переместить положение фокуса волокна в середину диапазона.
Задняя панель оснащена разъемами для подключения и включения питания системы (рис. 3). 

Рисунок 3 – Задняя панель nPA-400

Важной составляющей является измерительная ячейка системы (рис. 4).

Рисунок 4 – Измерительная ячейка

Корпус измерительной ячейки содержит светодиоды, отражатели, рассеиватель и оптическую диафрагму, необходимые для обеспечения точного освещения торца волокна. В корпусе также имеется резьбовое отверстие для электрических разъемов и короткий провод для электрического соединения с основным корпусом nPA.

4. Принцип работы

Система nPA-400 использует модифицированный метод преломленного ближнего поля (refracted near-field technique или RNF) для определения полного двухмерного распределения показателя преломления. Общий принцип работы метода схож с RNF, но оптический путь перевернут, так что свет на торце волокна собирается линзой объектива и обнаруживается камерой CCD (charge-coupled device – прибор с зарядовой связью, ПЗС камера). Метод не требует сканирования по торцу волокна. Таким образом, система работает быстрее и менее чувствительна к вибрациям и внешним условиям по сравнению со стандартным RNF, кроме того, она позволяет выполнять усреднение для улучшения отношения сигнал/шум.  

Рисунок 5 – Модифицированный метод преломленного ближнего поля

Пространственное разрешение системы определяется числовой апертурой объектива и разрешением приемной камеры.

5. Примеры измерения волокон

На рисунке 6 представлены результаты измерения волокон с нестандартной геометрией.  

   Волокно типа Панда, Øclad = 80 мкм
 
Волокно типа Эллипс, Øclad = 80 мкм
 
7-сердцевинное волокно Øclad = 125 мкм
 
Активное 8-гранное волокно Øclad = 250 мкм
  
Многомодовое волокно стандарта ОМ1 Øcore = 62,5 мкм; Øclad = 125 мкм
      
Волокно с тремя оболочками, Øclad = 125 мкм
Рисунок 6 – ППП оптических волокон с разной геометрией

В качестве наглядных результатов рассмотрим сравнительный анализ результатов измерения между Arden Photonics nPA-400 и Photon Kinetics S-14.

5.1. Сравнение результатов nPA-400 и S-14

Три образца оптических волокон измерены на системах измерения показателя преломления волокна nPA-400 и S-14.

 
1) Волокно одномодовое типа Панда, сердцевина легирована германием, диаметр по кварцевой оболочке 80 мкм. 

nPA-400

S-14

Рисунок 7 – ППП волокна типа Панда, сердцевина легирована германием

Исходя из полученных изображения графиков зависимости изменения показателя преломления от позиции можно сделать вывод о том, что nPA-400 строит график четче, нет плавных переходов по позиции. Видны малейшие изменения формы показателя преломления, следовательно, и его значения.

Системы nPA-400 и S-14 сохраняют данные по-своему, поэтому прямую аналогию результатов провести затруднительно. Поэтому обособлено представим результаты измерений.

В свою очередь, система nPA-400 представляет данные в следующем виде (рис. 8). Красные линии – это точки в которых замеряется показатель преломления. Позиция 0 отсчитывается от начала координат. 

Рисунок 8 – Результаты измерения ППП волокна типа Панда, сердцевина легирована германием на nPA-400

nPA-400 выводит данные о диаметре кварцевой оболочки измеряемого волокна, температура при которой сделаны измерения, показатели преломления на разных участках профиля, разница показателей преломления относительно соседних точек, а также максимальные, минимальные и средние значения показателя преломления.

Система S-14 в свою очередь предоставляет следующие результаты (рис. 9). В данном случае желтые линии служат точками измерения показателя преломления. Позиция 0 отсчитывается относительно пика показатели преломления, т.е. от сердцевины. 

Рисунок 9 – Результаты измерения ППП волокна типа Панда, сердцевина легирована германием на S-14

В данном случае S-14 результатами измерения служат измерения диаметра сердцевины, диаметра оболочки, неконцентричность сердцевины, неконцентричность оболочки, ошибка концентричности, разница показателей преломления и числовая апертура. Как можно увидеть по результатам некоторые параметры дублируются. Это происходит из-за разницы методов расчета, в первом случае измерения проводятся по торцу волокна, а во втором по графику изменения профиля показателя преломления.

 2) Волокно одномодовое типа Панда, сердцевина из кварцевого стекла, диаметр по кварцевой оболочке 80 мкм. 

nPA-400

S-14

Рисунок 10 – ППП волокна типа Панда, сердцевина из кварцевого стекла

Здесь также видно, что график профиля показателя преломления на nPA-400 более четче, относительно результатов на S-14.

На рисунке 11 представлены результаты измерения с nPA-400. В данном случае результаты представлены в виде диапазонов.

Рисунок 11 – Результаты измерения ППП волокна типа Панда, сердцевина из кварцевого стекла на nPA-400

На рисунке 12 представлены результаты измерения волокна на S-14.

Рисунок 12 – Результаты измерения ППП волокна типа Панда, сердцевина из кварцевого стекла на S-14

Зная разницу показателей преломления в волокне можно самостоятельно вычислить числовую апертуру волокна. Формула для расчета числовой апертуры следующая:

где n_core – показатель преломления сердцевины и n_clad – показатель преломления оболочки.

3)  Волокно многомодовое градиентное, диаметр по кварцевой оболочке 125 мкм.

nPA-400

S-14

Рисунок 13 – ППП волокна типа Панда, сердцевина легирована германием

Система S-14 измеряя некоторые волокна, сильно сглаживает профиль, и тогда визуально не видно всех слоев производственного процесса. В этом случае очень сложно делать оценку и поправки технологического процесса.

На рисунке 14 представлены результаты измерения ППП на nPA-400. Для волокон с круговой симметрией (такие как градиентные) лучшим инструментом для использования nPA-400 является инструмент «Radial Average» (Радиальное усреднение). С помощью этого инструмента система находит центр волокна, а затем отображает изменение среднего показателя преломления (то есть среднего показателя преломления всех пикселей на определенном радиусе) по мере удаления от центра. Из-за неидеального перехода между слоями сердцевины и оболочки волокна, использование этой функции позволяет усреднить наклон и представить идеальный вид профиля.

Рисунок 14 – Результаты измерения ППП многомодового волокна на nPA-400

Результаты для градиентного волокна, измеренного на S-14 представлены на рисунке 15. В данных измерениях можно увидеть величину неконцентричности сердцевины и оболочки.

Рисунок 15 – Результаты измерения ППП многомодового волокна на S-14

Системы от Arden Photonics nPA-400 и Photon Kinetics S-14 являются по-своему уникальными инструментами. Система nPA-400 позволяет качественно и количественно оценить профиль показателя преломления волокна, тогда как S-14 в некоторых моментах сильно усредняет графики. В это же время S-14 измеряет геометрические параметры волокна, при этом дублируя своего «собрата» по измерению геометрических параметров в волокне (Photon Kinetics 2550), nPA-400 же фиксирует только кварцевую оболочку оптического волокна.

 

S-14 автоматически рассчитывает числовую апертуру измеряемого образца, однако зная стандартную формулу расчета, нет ничего сложного сделать это самостоятельно измерив показатель преломления волокна на nPA-400.

АО «ЛЛС» является официальным дистрибьютором компании Arden Photonics на территории Российской Федерации и стран Таможенного Союза, и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции, полную техническую поддержку, а также поставку образцов.

При наличии дополнительных вопросов – просим обратиться к специалистам ЛЛС.