[0001] 本发明属于光学测量仪器技术领域，具体涉及一种光学系统及预制棒分析系统。

[0002] 光纤(optical fiber)是光导纤维(可以传导光的纤维)的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。光纤通过对光纤预制棒进行一系列处理获得，而光纤预制棒通常通过轴向气相沉积法(Vapour phase Axial Deposition，VAD)、外部化学气相沉积法(Outside Chemical Vapour Deposition，OVD)、等离子体化学气相沉积法(Plasma activated Chemical Vapour Deposition，PCVD)等工艺制作。图1是常规预制棒的制作示例图。如图1所示，锗化合物、硅化合物燃烧气化后进行气相沉积，沉积过程中预制棒固定在支架上以一定速度旋转，并且燃烧物相对于预制棒以一定速度做往复运动，通常旋转速度和往复运动的速度恒定。通过这种方式制造获得预制棒成品。然而，由于旋转速度和往复运动的速度恒定，造成预制棒的每一层厚度也是恒定的，这种情况使得参杂浓度发生周期性波动，即参杂浓度不均匀，导致预制棒存在周期性条纹16。图2是图1中的预制棒产生的周期性条纹的示例图。如图2所示，在预制棒的端面，可以看到规律的周期性条纹16。

[0003] 光纤是光缆的重要组成部分，并且光纤预制棒的几何参数对光缆的性能影响很大，因此在预制棒拉制之前必须严格测量光纤预制棒的几何参数。目前光纤预制棒的检测方法主要是通过预制棒分析仪进行分析，预制棒分析仪通过对光纤预制棒横向扫描，得到光束每次横向移动后的偏转信息，利用该偏转信息得到光纤预制棒的几何参数。然而，在使用预制棒分析仪对图1中的预制棒进行分析时，预制棒激发的光束会发生衍射，且高阶衍射光与零阶衍射光发生干涉，导致无法准确获得光纤预制棒的几何参数，影响预制棒品控，严重降低光缆质量。

[0032] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0033] 在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0034] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

[0035] 尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

[0036] 针对现有的预制棒分析存在光束衍射以及光束干涉，无法准确获得预制棒的几何参数，影响预制棒品控，进而严重降低光缆质量的问题，本发明提供了一种光学系统及预制棒分析系统。基于本发明提出的技术方案可精确获得预制棒的几何参数，有效提高对预制棒的品质把控，进而极大提高光缆质量。

[0037] 现结合图3对本发明提出的技术方案进行详细描述。图3是本发明实施例提供的光学系统的结构框图。如图3所示，光学系统包括：无衍射光束生成模块，用于生成无衍射区域中心处的宽度为第一宽度的第一无衍射光束；反射模块，用于将第一无衍射光束反射至宽度调整模块；宽度调整模块，用于对入射的第一无衍射光束进行聚焦，生成无衍射区域中心处的宽度为第二宽度的第二无衍射光束；其中，第二宽度小于第一宽度，并且，第二无衍射光束用于照射到预制棒上，以确定预制棒的几何参数。

[0038] 此处，预制棒的几何参数包括：包层厚度、芯层半径、同心度、垂直度以及折射率分布。

[0039] 这里，无衍射光束可以是贝塞尔光束。贝塞尔光束作为一种典型的无衍射光束，在横向光场上表现为一个中心光束和一系列同心圆环，其中，每个波瓣的能量近似相等。无衍射光束保持横向光强分布，即遇到不透明障碍物后，也可以恢复到原来的横向光强分布。并且，无衍射光束在空间传输时，在非均匀介质中受到的散射影响也比高斯光束小的多。利用无衍射光束进行扫描检测，将大幅提高检测精度。图4是本发明实施例提供的无衍射光束生成示意图。如图4所示，通过激光源产生一路准直且强度一致的高斯光束，该激光光束经过锥透镜3(也可以称之为轴锥镜或圆锥棱镜)，在锥透镜内部发生反射和折射，生成一路无衍射光束，所述无衍射光束沿光轴方向汇聚再发散。其中，高斯光束的半径为R，锥透镜3的底角为α，无衍射光束的无衍射区域呈现为棱形，其无衍射区域的长度表示为Ldiff，其无衍射区域中心处的宽度表示为w，光环厚度表示为H，无衍射光束的光环直径表示为RL，无衍射光束的光环与光轴的夹角表示为β。

[0040] 在一种可能的实现方式里，锥透镜3的底角α与夹角β满足：nsinα＝sin(α+β)≈α+β，其中，n是指锥透镜3的折射率。进而，夹角β可表示为：β≈(n‑1)α。也就是说，选择已知的底角α和折射率n就可以确定夹角β。

[0041] 在一种可能的实现方式里，无衍射光束的无衍射区域的长度Ldiff满足：以及，无衍射光束的无衍射区域中心处的宽度w满
足： 并且，光环厚度H等同于高斯光束的半径为R。

[0042] 举例来说，若锥透镜底角为α，且α为5°，高斯光束的半径R为4mm，波长为632.8nm，锥透镜材料为融石英(也称为F_SILICA)，锥透镜的折射率为1.45702，基于上述参数，对应的无衍射光束的无衍射区域的长度Ldiff约为100mm，宽度w为2mm。

[0043] 需要说明的是，在本发明实施例中，无衍射光束的类型并不局限于贝塞尔光束，也可以是艾力光束、Mathieu光束或者可变曲率光束等。其中，艾力光束具有自加速的特点，即光束在自由空间中沿着抛物线轨迹传播的特点，艾力光束在横向方向不衍射，具有自加速和自修复的能力；Mathieu光束的横截面具有椭圆对称性，可以在椭圆坐标系中描述；可变曲率光束具有在不同的曲率下传播，同时保持无衍射特性的优点。

[0044] 这里，无衍射光束生成模块包括：激光器、扩束镜、锥透镜，其中，激光器，用于发射高斯光束；扩束镜，用于增加高斯光束的光束直径，以及减少高斯光束的发散角，以生成扩束光环；锥透镜，用于将扩束光环转换为第一无衍射光束。在一种可能的实现方式里，激光器为氦氖激光器。

[0045] 需要说明的是，在本发明实施例中并不局限于使用锥透镜来将扩束光环转换为第一无衍射光束。示例性地，在第一无衍射光束为贝塞尔光束的情况下，可以使用轴棱镜来将入射的高斯光束转换为贝塞尔光束，轴棱镜的工作原理是将入射的扩束光环折射成锥形波，以形成具有贝塞尔函数横截面的光束；也可以使用特殊设计的衍射光学元件来对扩束光环进行调制，以产生贝塞尔光束，其中，可以通过精确的光栅设计和制造生成特殊设计的衍射光学元件；也可以使用空间光调制器，通过编程控制的方式，将扩束光环转换为贝塞尔光束；也可以使用傅里叶透镜结合适当的振幅或相位掩膜，在傅里叶平面上利用扩束光环生成贝塞尔光束。此处，也可以使用上述方法将扩束光环转换为艾力光束、Mathieu光束或者可变曲率光束。

[0046] 这里，在第一无衍射光束为贝塞尔光束的情况下，由于第一无衍射光束在无衍射区域的横截面表现为一个中心光束和一系列同心圆环，在扫描时需要中心光束横向扫过预制棒，以记录中心光束偏离光轴的距离。虽然第一无衍射光束的能量集中在中心区域但周围同心圆环光过宽也会对测量结果造成影响，且造成后续计算过程复杂、对焦困难等问题，仅通过改变底角和材料折射率无法进一步减小周围同心圆环的宽度。因此，需要使用第一聚焦透镜与所述第二聚焦透镜来改变第一无衍射光束的光路走向，形成第二无衍射光束来减小周围同心圆环的宽度。具体地，宽度调整模块包括：第一聚焦透镜，用于对入射的第一无衍射光束进行聚焦，生成聚焦光束；第二聚焦透镜，用于对聚焦光束进行聚焦，生成第二无衍射光束。其中，第一聚焦透镜的焦距大于第二聚焦透镜的焦距，并且，第二聚焦透镜的焦距与第二宽度正相关。并且第一聚焦透镜与第二聚焦透镜之间的间距为第一距离和第二距离之和，其中，第一距离是指与第一聚焦透镜的焦距的数值相等的距离，第二距离是指与第二聚焦透镜的焦距的数值相等的距离。此外，第二宽度大于预制棒的棒芯层的半径。

[0047] 这里，所述反射模块为全反射镜。全反射镜可相对于光轴19倾斜45°放置。

[0048] 图5是本发明实施例提供的光学系统的组成示意图。如图5所示，氦氖激光器1发射一路准直且强度一致的高斯光束，该高斯光束经扩束镜2扩束后入射锥透镜3，形成第一无衍射光束4，该第一无衍射光束4为贝塞尔光束，该第一无衍射光束4的无衍射区域的最小宽度(即无衍射区域中心处的宽度)表示为w1，以及长度为Ldiff1，第一无衍射光束的光环与光轴19的夹角为β1，第一无衍射光束4经全反射镜5改变光路走向，入射第一聚焦透镜6，经第一聚焦透镜6聚焦，第一无衍射光束4沿光轴19在第一聚焦透镜6与第二聚焦透镜7之间先汇聚形成细光环后发散为厚光环，该厚光环入射第二聚焦透镜7，经第二聚焦透镜7再次聚焦，形成第二无衍射光束，第二无衍射光束的光环厚度为H2，该第二无衍射光束的无衍射区域的最小宽度表示为w2，以及长度为Ldiff2，第二无衍射光束与光轴的夹角为β3。

[0049] 在一种可能的实现方式里，第一无衍射光束的光环直径RL满足下式：

[0050]

[0051] 其中，L是指从第一无衍射光束4的无衍射区域的中心处沿光轴19到达全反射镜5再到第一聚焦透镜6的直线距离，β1是指第一无衍射光束的光环与光轴19的夹角，α是指锥透镜3的底角，n是指锥透镜3的折射率。

[0052] 在一种可能的实现方式里，细光环的发散角β2满足下式：

[0053]

[0054] 其中，H1是指第一无衍射光束的光环厚度，f1是指第一聚焦透镜6的焦距。

[0055] 在一种可能的实现方式里，细光环的光环厚度Rlf满足：Rlf＝f1tanβ1。其中，f1是指第一聚焦透镜6的焦距，β1是指第一无衍射光束的光环与光轴19的夹角。

[0056] 在一种可能的实现方式里，第二无衍射光束的光环厚度H2满足：H2≈2tanβ2*f2。其中，β2是指细光环的发散角，f2是指第二聚焦透镜7的焦距。

[0057] 在一种可能的实现方式里，第二无衍射光束与光轴的夹角β3满足：其中，Rlf是指细光环的光环厚度，f2是指第二聚焦透镜7的焦距。

[0058] 在一种可能的实现方式里，第二无衍射光束的无衍射区域的长度Ldiff2满足：其中，H2是指第二无衍射光束的光环厚度，β3是指第二无衍射光束与光轴
的夹角。

[0059] 在一种可能的实现方式里，第二无衍射光束的无衍射区域的最小宽度w2满足：其中，β3是指第二无衍射光束与光轴的夹角，Ldiff2是指第二无衍射
光束的无衍射区域的长度。

[0060] 结合上述公式可知，预制棒尺寸与第二聚焦透镜7的焦距成正相关，选择合适的聚焦透镜7就能有效缩小第二无衍射光束的无衍射区域的最小宽度w2，其中，在第一聚焦透镜6的焦距f1固定，且第一聚焦透镜6的焦距f1大于第二聚焦透镜7的焦距f2时，第二聚焦透镜7的焦距f2越小，第二无衍射光束的无衍射区域的最小宽度w2越小。若需要更小的w2，可通过增大第一聚焦透镜6的焦距f1，以及减小第二聚焦透镜7的焦距f2来实现。其中，w2的减小，伴随着Ldiff2的减小。

[0061] 通过使用本发明提供的光学系统来对预制棒进行扫描，可以获得无衍射的窄光束，也就意味着不存在光束衍射和高阶衍射光与零阶衍射光发生干涉的现象，通过使用专门的设备采集该无衍射的窄光束，就可以获得准确的光束偏转光轴的距离信息，从而获得误差极小的预制棒的几何参数。

[0062] 在另一实施例中，本发明还提供了一种预制棒分析系统，系统包括：平台、设置在平台上的光学系统、设置在平台上的探测模块和分析模块；光学系统，用于在平台的带动下沿着垂直于预制棒的轴向的方向采用第二无衍射光束对预制棒进行上下扫描，其中，第二无衍射光束的无衍射区域位于预制棒的棒芯层内，且第二无衍射光束的无衍射区域的中心对准预制棒的轴线；探测模块，用于接收预制棒激发出的无衍射光束，并根据无衍射光束的能量获取无衍射光束的位移信息，并将无衍射光束的位移信息发送给分析模块，无衍射光束的位移信息是指无衍射光束偏移光轴的距离信息；分析模块，用于利用无衍射光束的位移信息，确定并输出预制棒的几何参数。

[0063] 这里，探测模块包括：线性相机，其中，线性相机，用于接收无衍射光束，并在无衍射光束的能量大于预设阈值时，获取无衍射光束的位移信息，并将无衍射光束的位移信息发送给分析模块。

[0064] 在一种可能的实现方式里，探测模块还包括第三聚焦透镜和柱透镜。其中，第三聚焦透镜用于改变激发的无衍射光束，将其光路方向修改为平行光轴的方向，柱透镜用于对无衍射光束进行压缩，进而压缩后的无衍射光束被线性相机捕获。

[0065] 此处，由于是使用贝塞尔光束的中心光束对预制棒进行扫描，在中心光束还未进入预制棒边缘时，中心光束周围的同心光环已经入射到预制棒，进行探测时会产生误差，所以在获取无衍射光束的位移信息之前，需要先判断线性相机捕获的光束的能量是否大于预设阈值，在大于的情况下，认为是中心光束入射到了预制棒，线性相机捕获的无衍射光束呈现为边缘非常陡峭的窄光束，利用该窄光束的光束边缘即可获取到无衍射光束的位移信息；在小于的情况下，认为是中心光束并未入射预制棒，不进行任何操作。

[0066] 这里，预制棒固定放置于匹配液容器内，匹配液容器中的匹配液的折射率与预制棒的包层的折射率相同。

[0067] 现结合图6‑图8描述第二无衍射光束的扫描过程。图6是本发明实施例提供的线性相机捕获的在X方向的第二无衍射光束的非相干辐照度的截面示意图。图7是本发明实施例提供的第二无衍射光束部分入射预制棒时在X方向的非相干辐照度的截面示意图。图8是本发明实施例提供的第二无衍射光束完全入射预制棒时在X方向的非相干辐照度的截面示意图。在图6‑图8中，锥透镜材料为F_SILICA，锥透镜的折射率为1.45702，底角为5°，扩束后的高斯光束的半径为4mm，配液折射率为1.514，预制棒为半径为20mm、包层折射率为1.526的阶跃折射率预制棒。

[0068] 如图6所示，第二无衍射光束尚未对预制棒进行扫描，线性相机上捕获的无衍射光束显示光束的边缘位置分别为‑7.061mm和7.062mm，调用偏转函数计算获得光束的中心位置在0.001mm处(约等于0mm处)。光束中心位置位于0mm处，表示光束并没有任何偏转。

[0069] 如图7所示，在第一无衍射光束为贝塞尔光束的情况下，使用第二无衍射光束(即贝塞尔光束)对预制棒进行扫描，使用第二衍射光束对预制棒进行扫描，在第二无衍射光束的中心光束未入射预制棒之前，第二无衍射光束的部分同心圆环进入预制棒，同心圆环的能量要明显低于中心光束的能量，从而线性相机捕获的光束分布为光束的边缘位置的非相干辐照度要远低于中心位置的能量，并且光束的边缘模糊。这种情况下并不采集光束的位移信息采集。

[0070] 如图8所示，第二无衍射光束的中心光束入射预制棒，捕获的光环的边缘陡峭且光环边缘清晰，且光环的能量大于预设阈值，此时光束的边缘位置分别为‑4.249mm和9.873mm，调用偏转函数计算获得光束的中心位置大致在2.811mm处。

[0071] 图9是本发明实施例提供的预制棒分析系统的示意图。如图9所示，本发明提供的光学系统设置在平台12上，在平台12的带动下，以预设步长在垂直于预制棒轴线18的平面，对放置在匹配液容器10内的预制棒进行多次扫描，每次扫描线性相机15均获得一组无衍射光束的位移信息。

[0072] 在获得无衍射光束的位移信息后，线性相机15将其发送至分析模块进行进一步处理，包括：调用偏转函数，对无衍射光束的位移信息进行计算，获得无衍射光束的偏转角度，利用该无衍射光束的偏转角度进行计算，获得预制棒的几何参数。

[0073] 针对现有的预制棒分析存在光束衍射以及光束干涉，无法准确获得预制棒的几何参数，影响预制棒品控，进而严重降低光缆质量的问题，本发明提供的一种光学系统及预制棒分析系统，具有以下效果：

[0074] (1)使用无衍射光束对预制棒进行扫描，激发的光束仍为无衍射光束，避免了光束衍射以及高阶衍射光与零阶衍射光发生干涉的现象，极大提高预制棒扫描的精确度，有效提高对预制棒的品质把控，进而极大提高光缆质量。

[0075] (2)可以避免使用更长波长或多波长光束进行扫描时，需要更换其他激光器或使用多个激光器，造成系统复杂且成本昂贵等问题，具有极大降低投入成本，避免引入人为误差，更易于操作的优点。

[0076] (3)传统的分析方式需要根据预制棒条纹进行计算波长，并且需要找出两种波长光束在探测器中衍射条纹峰值位置一致的位置，而本发明中使用无衍射光束进行扫描，获得的光束仍为无衍射光束，不存在光束衍射和光束干涉的问题，即无需寻找衍射条纹峰值位置一致的位置，这种方式无需增加额外计算，并且计算过程与传统的计算方法一致，具有计算复杂度低的特点。

[0077] (4)传统的分析方式由于存在光束衍射和光束干涉的问题对预制棒条纹宽度有一定要求，而本发明获得的光束不存在光束衍射和光束干涉的问题，进而无需限制预制棒条纹宽度，可以有效提高预制棒的生产效率。

[0078] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。