本发明涉及光纤测量技术领域，具体涉及一种双包层光纤纤芯损耗的测试装置及方法。
背景技术：
在光纤激光器中，将高能泵浦激光注入到仅有数十微米的纤芯中非常困难，这限制了光纤激光器的进一步发展。上世纪90年代，研究人员提出了双包层光纤结构，将高能泵浦激光注入到内包层中，泵浦激光在内包层传输的过程中穿过纤芯，从而被纤芯中的增益离子吸收进而激光被放大。目前，双包层光纤已经成为高能光纤激光器的主要器件，并推动光纤激光器的快速发展，光纤激光器的单模激光输出已达到了10kw。
在高功率光纤激光器中，激光在传输过程中的损毁会以热的形式释放在光纤中，造成光纤温度升高，并引发一系列不利的光学现象(例如：模式劣化，模式不稳定阈值下降等)，严重的甚至会引起光纤激光器烧毁。因此，双包层光纤的纤芯损耗是双包层光纤的关键参数，纤芯损耗的精确测试是双包层光纤研发和使用的重要条件。
纤芯损耗的测试一般采用截断法的测试方法，通过对比截断前后的功率值，进而分析由于被截断的这一段光纤产生的功率衰减，从而计算出光纤的纤芯损耗。双包层光纤的纤芯和内包层都能传播光，因此，测试双包层光纤的纤芯损耗需要将内包层中的光滤除。而将内包层中的光彻底滤除是准确测试双包层光纤纤芯损耗的关键。
现有技术1(cn103616165a,清华大学，2014)提供了一种光纤损耗测量系统，通过将激光注入到被检测光纤的纤芯中，通过光纤输出组件分离纤芯光场和包层光场，从而计算被检测光纤的纤芯损耗和包层损耗。该方法的缺点:(1)只能检测单色激光光的纤芯损耗，测试效率低。激光波长不同，数值孔径也不同。因此，不同波长的激光其纤芯光场和包层光场也不同。该损耗测量系统对于无法分辨出多色激光的纤芯光场和包层光场。因此，无法测量多个波长的纤芯损耗。(2)测量精度低。该方法的关键是通过成像组件将纤芯光场和包层光场分离，进而测量和计算纤芯损耗和包层损耗。然而，双包层光纤往往存在着一些缺陷，例如光纤不圆度高，纤芯折射率不平整等，以及多模光纤模式含量多等，导致成像光斑并不规则，光斑模式之间的界面并不清晰，从而造成纤芯光场和包层光场在分离过程中存在较大的误差，导致测试结果不准确。
现有技术2(cn109342027a,华中科技大学，2019)将宽带光源的光信号经光纤合束器注入到待测光纤中红，经模场适配器后通过光谱仪检测光信号能量，通过比较截断前后的光信号能量计算光纤的吸收与损耗。该方法的缺点：(1)测量精度低。由于光纤合束器具有一定的耦合效率，经过光纤合束器后纤芯中的信号光会有一部分溢出到包层中，导致进入到待测光纤中的信号光不全为纤芯光。此外，经过待测光纤后，由于待测光纤波导损耗的存在，会有一部分纤芯中的信号光溢出到包层中，而光谱仪接收的信号光能量不仅包含有纤芯中的信号光，也包含有包层中的信号光。因此，由于信号光不仅存在于纤芯中，也有一部分存在于包层中，该方法测试的纤芯损耗不全为纤芯损耗，也包含了一部分包层损耗。因此，测试结果存在较大的误差。这种误差会因待测光纤波导结构的缺陷而被放大。(2)采用光谱仪作为光信号检测器，而光谱仪主要用于光谱的扫描，其对光谱能量的测试精度较低。因此，导致测试精度较低。
现有技术3(cn108931486a，长飞光纤光缆股份有限公司，2018)将宽带信号光注入到待测掺镱光纤中，在信号光进入到掺镱光纤之前和之后均进行滤模处理，通过光谱仪接收信号光能量，对比截断前后的信号光能量计算掺镱光纤的纤芯吸收。该方法的缺点：(1)滤模效率低。准确测试纤芯吸收或者纤芯损耗的关键在于高效地滤除包层光。该方法采用的滤模装置为多通道光纤耦合器，滤模效率低。(2)采用光谱仪作为光信号检测器，而光谱仪主要用于光谱的扫描，其对光谱能量的测试精度较低。因此，导致测试精度较低。
技术实现要素：
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供一种双包层光纤纤芯损耗的测试装置及方法，通过包层光滤除组件确保将包层光完全滤除，消除了因滤除包层光不彻底而造成的干扰，提高了纤芯损耗的测试精度；通过将光源发生装置发出的宽带信号光经过单色仪后耦合到前置单包层传能光纤中，实现连续检测，测试效率大幅度提高，能够快速地获得纤芯损耗谱。
本发明采用的技术方案如下：
一种双包层光纤纤芯损耗的测试装置，包括光源发生装置和能够检测并记录信号光功率的光电探测器，还包括包层光滤除组件，所述包层光滤除组件包括前置单包层传能光纤和后置单包层传能光纤；所述前置单包层传能光纤一端接收光源发生装置发出的信号光形成注入端，另一端与待测双包层光纤的始端连接形成连接端；所述后置单包层传能光纤一端向光电探测器传递信号光形成输出端，另一端与待测双包层光纤的末端连接形成连接端。
由于采用了上述技术方案，前置单包层传能光纤起到了滤除包层光的作用，使得注入到待测双包层光纤中的信号光仅存在于纤芯中；信号光在纤芯传输时有部分会溢出到内包层，故设置后置单包层传能光纤将内包层的信号光也彻底地滤除掉，从而杜绝了滤除包层光不彻底对纤芯损耗的测试的干扰，提高了纤芯损耗的测试精度。
进一步地，所述前置单包层传能光纤的连接端通过前置熔接点与待测双包层光纤始端熔接，所述后置单包层传能光纤的连接端通过后置熔接点与待测双包层光纤末端熔接；所述前置熔接点和后置熔接点处涂覆有高折射率胶水，所述高折射率胶水的折射率大于待测双包层光纤石英包层的折射率。
由于采用了上述技术方案，涂覆高折射率胶水是的作用是滤除前置熔接点和后置熔接点处产生的少许包层光。
进一步地，所述前置单包层传能光纤和后置单包层传能光纤的长度不少于1米。
由于采用了上述技术方案，通过限制前置单包层传能光纤和后置单包层传能光纤的长度，确保包层光被彻底滤除。若前置单包层传能光纤和后置单包层传能光纤的长度设置过短，则会影响包层光的滤除效果，进而降低纤芯损耗的测试精度。
进一步地，所述光源发生装置与前置单包层传能光纤之间设有单色仪，所述单色仪接收光源发生装置发出的宽带信号光，从中提取某一波长的单色信号光，并将提取的单色信号光传递给前置单包层传能光纤的注入端；所述单色仪能够对宽带信号光中不同波长的单色信号光分别进行提取。
由于采用了上述技术方案，通过将光源发生装置发出的宽带信号光经过单色仪后耦合到前置单包层传能光纤中，相比现有技术中一次只能检测一种波长的信号光，单色仪能够对宽带信号光中不同波长的单色信号光分别进行提取，实现连续检测，测试效率大幅度提高，能够快速地获得纤芯损耗谱；单色仪的器件成本低。
进一步地，还包括前置光纤夹具和调整前置光纤夹具位置的前置调整支架；所述前置单包层传能光纤的注入端限制于前置光纤夹具，所述前置调整支架调节前置光纤夹具的位置，使信号光注入到前置单包层传能光纤的纤芯中。
由于采用了上述技术方案，通过前置调整支架调节前置光纤夹具的位置，使得前置单包层传能光纤的注入端位置处于信号光的聚焦点上，使尽可能多的信号光注入到纤芯中。
进一步地，还包括后置光纤夹具和调整后置光纤夹具位置的后置调整支架；所述后置单包层传能光纤的输出端限制于后置光纤夹具，所述后置调整支架调节后置光纤夹具的位置，将信号光对准到光电探测器上。
由于采用了上述技术方案，通过后置调整支架调节后置光纤夹具的位置，使得后置单包层传能光纤输出端射出的信号光对准到的光电探测器上。
相应的，本发明还公开了一种双包层光纤纤芯损耗的方法，包括以下步骤：
a.将待测双包层光纤的始端与前置单包层传能光纤的连接端熔接形成前置熔接点，将待测双包层光纤的末端与后置单包层传能光纤的连接端熔接形成后置熔接点；
b.将前置单包层传能光纤的注入端固定于前置光纤夹具，调整前置调整支架使得注入端的光纤端口与光源发生装置对中，将后置单包层传能光纤的输出端固定于后置光纤夹具，调整后置调整支架使得输出端的光纤端口与光电探测器对中；
c.打开光源发生装置、单色仪和光电探测器，输入待测双包层光纤纤芯损耗的波长信息，使得单色仪射出的单色信号光根据输入的波长信息连续改变，使用光电探测器连续接收信号光功率，并记录下不同波长处的信号光功率p0(λ)；
d.以待测双包层光纤末端处为起点，截断一段长度为l的待测双包层光纤，并将剩余的待测双包层光纤重新与后置单包层传能光纤熔接形成新的后置熔接点；
e.重复步骤c，记录不同波长处的信号光功率p1(λ)，并计算待测双包层光纤的纤芯损耗。
进一步地，纤芯损耗α根据下式(1)计算得出：
在式(1)中，α为待测双包层光纤的纤芯损耗，需要根据式计算得出，单位为db/m；l为步骤d中截断的待测双包层光纤长度；p0(λ)为步骤c中记录的信号光功率；p1(λ)为步骤e中记录的信号光功率。
进一步地，在步骤a中，在前置熔接点处和后置熔接点处涂覆高折射率胶水，再进行熔接。
进一步地，前置单包层传能光纤的注入端和后置单包层传能光纤的输出端需要进行切割，使注入端和输出端的端面平整。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明采用前置单包层传能光纤和后置单包层传能光纤对包层光进行滤除，杜绝了滤除包层光不彻底对纤芯损耗的测试的干扰，提高了纤芯损耗的测试精度，相较于现有技术，其滤模效率更高、效果更好、成本更低。
2、本发明通过限制前置单包层传能光纤和后置单包层传能光纤的长度，确保包层光被彻底滤除。
3、本发明通过涂覆高折射率胶水对前置熔接点和后置熔接点处产生的少许包层光进行滤除，确保纤芯损耗的测试精度。
4、本发明能够对宽带信号光中不同波长的单色信号光分别进行提取，实现连续检测，测试效率大幅度提高，能够快速地获得纤芯损耗谱。
附图说明
图1是本发明的双包层光纤纤芯损耗的测试装置结构示意图；
图2是本发明实施例2测得的纤芯损耗谱。
图中标记：1-光源发生装置，2-单色仪，3-前置调整支架，4-前置光纤夹具，5-前置单包层传能光纤，6-前置熔接点，7-待测双包层光纤，8-后置熔接点，9-后置单包层传能光纤，10-后置光纤夹具，11-后置调整支架，12-光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种双包层光纤纤芯损耗的测试装置，如图1所示，包括光源发生装置1和能够检测并记录信号光功率的光电探测器12，还包括包层光滤除组件，所述包层光滤除组件包括前置单包层传能光纤5和后置单包层传能光纤9；所述前置单包层传能光纤5一端接收光源发生装置1发出的信号光形成注入端，另一端与待测双包层光纤7的始端连接形成连接端；所述后置单包层传能光纤9一端向光电探测器12传递信号光形成输出端，另一端与待测双包层光纤7的末端连接形成连接端。具体地说，前置单包层传能光纤5起到了滤除包层光的作用，使得注入到待测双包层光纤7中的信号光仅存在于纤芯中；信号光在纤芯传输时有部分会溢出到内包层，故设置后置单包层传能光纤9将内包层的信号光也彻底地滤除掉，从而杜绝了滤除包层光不彻底对纤芯损耗的测试的干扰，提高了纤芯损耗的测试精度。
所述前置单包层传能光纤5的连接端通过前置熔接点6与待测双包层光纤7始端熔接，所述后置单包层传能光纤9的连接端通过后置熔接点8与待测双包层光纤7末端熔接；所述前置熔接点6和后置熔接点8处涂覆有高折射率胶水，所述高折射率胶水的折射率大于待测双包层光纤7石英包层的折射率。具体地说，涂覆高折射率胶水是的作用是滤除前置熔接点6和后置熔接点8处产生的少许包层光。
所述前置单包层传能光纤5和后置单包层传能光纤9的长度不少于1米。具体地说，若前置单包层传能光纤5和后置单包层传能光纤9的长度设置过短，则会影响包层光的滤除效果，进而降低纤芯损耗的测试精度。故通过限制前置单包层传能光纤5和后置单包层传能光纤9的长度，确保包层光被彻底滤除。
所述光源发生装置1与前置单包层传能光纤5之间设有单色仪2，所述单色仪2接收光源发生装置1发出的宽带信号光，从中提取某一波长的单色信号光，并将提取的单色信号光传递给前置单包层传能光纤5的注入端；所述单色仪2能够对宽带信号光中不同波长的单色信号光分别进行提取。具体地说，通过将光源发生装置1发出的宽带信号光经过单色仪2后耦合到前置单包层传能光纤5中，相比现有技术中一次只能检测一种波长的信号光，单色仪2能够对宽带信号光中不同波长的单色信号光分别进行提取，实现连续检测，测试效率大幅度提高，能够快速地获得纤芯损耗谱；单色仪2的器件成本低。
还包括前置光纤夹具4和调整前置光纤夹具4位置的前置调整支架3；所述前置单包层传能光纤5的注入端限制于前置光纤夹具4，所述前置调整支架3调节前置光纤夹具4的位置，使信号光注入到前置单包层传能光纤5的纤芯中。
还包括后置光纤夹具10和调整后置光纤夹具10位置的后置调整支架11；所述后置单包层传能光纤9的输出端限制于后置光纤夹具10，所述后置调整支架11调节后置光纤夹具10的位置，将信号光对准到光电探测器12上。
相应的，本实施例还公开了一种双包层光纤纤芯损耗的方法，包括以下步骤：
a.将待测双包层光纤7的始端与前置单包层传能光纤5的连接端熔接形成前置熔接点6，将待测双包层光纤7的末端与后置单包层传能光纤9的连接端熔接形成后置熔接点8；
b.将前置单包层传能光纤5的注入端固定于前置光纤夹具4，调整前置调整支架3使得注入端的光纤端口与光源发生装置1对中，将后置单包层传能光纤9的输出端固定于后置光纤夹具10，调整后置调整支架11使得输出端的光纤端口与光电探测器12对中；
c.打开光源发生装置1、单色仪2和光电探测器12，输入待测双包层光纤7纤芯损耗的波长信息，使得单色仪2射出的单色信号光根据输入的波长信息连续改变，使用光电探测器12连续接收信号光功率，并记录下不同波长处的信号光功率p0(λ)；
d.以待测双包层光纤7末端处为起点，截断一段长度为l的待测双包层光纤7，并将剩余的待测双包层光纤7重新与后置单包层传能光纤9熔接形成新的后置熔接点8；
e.重复步骤c，记录不同波长处的信号光功率p1(λ)，并计算待测双包层光纤7的纤芯损耗。
纤芯损耗α根据下式(1)计算得出：
在式(1)中，α为待测双包层光纤7的纤芯损耗，需要根据式(1)计算得出，单位为db/m；l为步骤d中截断的待测双包层光纤7长度；p0(λ)为步骤c中记录的信号光功率，p1(λ)为步骤e中记录的信号光功率。
在步骤a中，在前置熔接点6处和后置熔接点8处涂覆高折射率胶水，再进行熔接。
前置单包层传能光纤5的注入端和后置单包层传能光纤9的输出端需要进行切割，使注入端和输出端的端面平整。
实施例2
采用实施例1中的双包层光纤纤芯损耗的测试装置及方法对测试20/400型yb-dcf光纤的纤芯损耗谱。
(1)光纤与光学器件选择
待测双包层光纤7为20/400型yb-dcf光纤，芯包直径：20/400μm，纤芯数值孔径：0.065，内包层数值孔径：0.46。
光源发生装置1发出的宽带信号光为宽带白光，覆盖波长：400-2400nm，总功率:10w。
单色仪2的工作波长：800-1600nm。
前置单包层传能光纤5/后置单包层传能光纤9的芯包直径：20/400μm，纤芯数值孔径：0.065，内包层数值孔径：0.46。
光电探测器12的工作波长：800-1600nm。
(2)光纤与光学器件连接
将待测双包层光纤7以40cm直径均匀盘绕，将待测双包层光纤7始端和末端分别与前置单包层传能光纤5和后置单包层传能光纤9单包层传能光纤熔接。将前置单包层传能光纤5的注入端和后置单包层传能光纤9的输出端的端面切断，并分别置于前置光纤夹具4和后置光纤夹具10上。
(3)纤芯损耗谱测试
调整前置调整支架3使得注入端的光纤端口与光源发生装置1对中，调整后置调整支架11使得输出端的光纤端口与光电探测器12对中。输入待测光谱范围为800-1450nm，单色仪2扫描波长5nm。打开光源发生装置1、单色仪2和光电探测器12，使用光电探测器12探测信号光功率值p0(λ)。
截断一段长度为200米的待测双包层光纤7，并将剩余的待测双包层光纤7与后置单包层传能光纤9熔接。调整后置调整支架11使得输出端的光纤端口与光电探测器12对中，再次测试截断后的信号光功率值p1(λ)。
(4)纤芯损耗计算
根据式(1)计算纤芯损耗谱。测得的纤芯损耗谱如图2所示。
本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
1.一种双包层光纤纤芯损耗的测试装置，包括光源发生装置(1)和能够检测并记录信号光功率的光电探测器(12)，其特征在于：还包括包层光滤除组件，所述包层光滤除组件包括前置单包层传能光纤(5)和后置单包层传能光纤(9)；所述前置单包层传能光纤(5)一端接收光源发生装置(1)发出的信号光形成注入端，另一端与待测双包层光纤(7)的始端连接形成连接端；所述后置单包层传能光纤(9)一端向光电探测器(12)传递信号光形成输出端，另一端与待测双包层光纤(7)的末端连接形成连接端。
2.如权利要求1所述的双包层光纤纤芯损耗的测试装置，其特征在于：所述前置单包层传能光纤(5)的连接端通过前置熔接点(6)与待测双包层光纤(7)始端熔接，所述后置单包层传能光纤(9)的连接端通过后置熔接点(8)与待测双包层光纤(7)末端熔接；所述前置熔接点(6)和后置熔接点(8)处涂覆有高折射率胶水，所述高折射率胶水的折射率大于待测双包层光纤(7)石英包层的折射率。
3.如权利要求1或2所述的双包层光纤纤芯损耗的测试装置，其特征在于：所述前置单包层传能光纤(5)和后置单包层传能光纤(9)的长度不少于1米。
4.如权利要求1所述的双包层光纤纤芯损耗的测试装置，其特征在于：所述光源发生装置(1)与前置单包层传能光纤(5)之间设有单色仪(2)，所述单色仪(2)接收光源发生装置(1)发出的宽带信号光，从中提取某一波长的单色信号光，并将提取的单色信号光传递给前置单包层传能光纤(5)的注入端；所述单色仪(2)能够对宽带信号光中不同波长的单色信号光分别进行提取。
5.如权利要求1所述的双包层光纤纤芯损耗的测试装置，其特征在于：还包括前置光纤夹具(4)和调整前置光纤夹具(4)位置的前置调整支架(3)；所述前置单包层传能光纤(5)的注入端限制于前置光纤夹具(4)，所述前置调整支架(3)调节前置光纤夹具(4)的位置，使信号光注入到前置单包层传能光纤(5)的纤芯中。
6.如权利要求1所述的双包层光纤纤芯损耗的测试装置，其特征在于：还包括后置光纤夹具(10)和调整后置光纤夹具(10)位置的后置调整支架(11)；所述后置单包层传能光纤(9)的输出端限制于后置光纤夹具(10)，所述后置调整支架(11)调节后置光纤夹具(10)的位置，将信号光对准到光电探测器(12)上。
7.一种双包层光纤纤芯损耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将待测双包层光纤(7)的始端与前置单包层传能光纤(5)的连接端熔接形成前置熔接点(6)，将待测双包层光纤(7)的末端与后置单包层传能光纤(9)的连接端熔接形成后置熔接点(8)；
b.将前置单包层传能光纤(5)的注入端固定于前置光纤夹具(4)，调整前置调整支架(3)使得注入端的光纤端口与光源发生装置(1)对中，将后置单包层传能光纤(9)的输出端固定于后置光纤夹具(10)，调整后置调整支架(11)使得输出端的光纤端口与光电探测器(12)对中；
c.打开光源发生装置(1)、单色仪(2)和光电探测器(12)，输入待测双包层光纤(7)纤芯损耗的波长信息，使得单色仪(2)射出的单色信号光根据输入的波长信息连续改变，使用光电探测器(12)连续接收信号光功率，并记录下不同波长处的信号光功率p0(λ)；
d.以待测双包层光纤(7)末端处为起点，截断一段长度为l的待测双包层光纤(7)，并将剩余的待测双包层光纤(7)重新与后置单包层传能光纤(9)熔接形成新的后置熔接点(8)；
e.重复步骤c，记录不同波长处的信号光功率p1(λ)，并计算待测双包层光纤(7)的纤芯损耗。
8.如权利要求7所述的双包层光纤纤芯损耗的测试方法，其特征在于：纤芯损耗α根据下式(1)计算得出：
在式(1)中，α为待测双包层光纤(7)的纤芯损耗，需要根据式(1)计算得出，单位为db/m；l为步骤d中截断的待测双包层光纤(7)长度；p0(λ)为步骤c中记录的信号光功率；p1(λ)为步骤e中记录的信号光功率。
9.如权利要求7所述的双包层光纤纤芯损耗的测试方法，其特征在于：在步骤a中，在前置熔接点(6)处和后置熔接点(8)处涂覆高折射率胶水，再进行熔接。
10.如权利要求7所述的双包层光纤纤芯损耗的测试方法，其特征在于：前置单包层传能光纤(5)的注入端和后置单包层传能光纤(9)的输出端需要进行切割，使注入端和输出端的端面平整。
技术总结