透射式微分干涉显微镜测量光纤折射率分布

　　1　引　言

　　光纤的折射率分布是表征它性能的重要指标之一,直接影响光纤的带宽与损耗,在光纤加工与焊接过程中检测尤为重要。

　　已有的测量方法主要分两大类:折射近场法[1,2]和干涉法。前者已有成熟产品,测量精确分辨率高,缺点是需专门设备将光纤切断,端面抛光,且每次只能测量一个截面。应用较早的干涉法,大都借助干涉显微镜实现[3],此法需对光纤进行复杂的切薄片及抛光等处理,干涉条纹处理也比较烦琐,因属于分光路结构,易受干扰光路调整要求高。其它的干涉法,大都在相衬显微镜的基础上进行测量[4],该法可同时测量光纤芯径和内部折射率分布,因受光晕效应的影响,精度难以提高,存在干涉条纹难处理的问题。近年来干涉法发展很快,大都建立在双光束干涉、多光束干涉原理的基础上,这些方法的共同特点是不破坏光纤,且可测量预制棒的折射率,被广泛关注。同样,需要分析处理干涉条纹,分辨率难以提高。

　　埃及人提出侧向投影干涉法,用经过柱面镜形成的平板状激光照明,通过分析光束经光纤后的干涉图像,从而得到光纤折射率分布。该法也很有特点,但仅限于理论研究阶段[5]。

　　本文介绍另一种干涉法,利用透射式微分干涉显微镜测量光纤内部折射率分布。该法不破坏光纤,测量范围大,图像清晰分辨率高,且有很强的抗干扰能力。

　　2　透射式微分干涉测量原理

　　光路原理如图1所示。与反射式光路的主要区别是增加一个副Nomarski(简写为N)棱镜1组,使来自起偏器的线偏振光通过副N棱镜时,被微分剪切成振动方向互相垂直的两个偏振光,经过聚光镜产生一平行的剪切量(图中s),进入到被测物体,再经过物镜及主N棱镜光重新复合,从1/4波片和检偏器出射后发生干涉。由于两束偏振光之间的间距小于显微镜的分辨率,使视场中看不到干涉条纹(即干涉条纹间距很大),在此状态下,可将物体表面细节分辨出来。用CCD摄像机可记录到干涉光强,该光强信息中包含的相位差,不仅与被测样品因光程变化产生的相位有关,还与检偏器的方位角成线性关系。

　　如果对两束相干光的相位差引入一个时间调制,即可从接收到的干涉光强方程组中解算出被测相位,相位提取采用五步算法[6]。即检偏器的方位角分别取-90°,-45°,0°,45°,90°,对应干涉光强分别为Ii(i =1~5)。最后被测相位计算公式为

　　此相位差与光程的变化率的关系可用下式表示

　　从光程分布中解算出折射率分布的数学算法,是本测量原理的关键部分。以渐变折射率光纤为例,算法的原理参考图2。