AsS玻璃红外光纤传像束

第20卷　第1期

1999年

应　用　光　学

V ol.20,N o.1

1999 As-S玻璃红外光纤传像束

杨克武　魏国盛　吴佩兰

(北京玻璃研究院,北京,100062)

【摘要】　介绍用A s-S芯包光纤制备1-6L m波段应用的红外光纤传像束。该传像束与热像仪连接,得到一组人体面部的热像照片,同时测试和评估红外光纤传像束的特性。

关键词　A s-S玻璃红外光纤　传像束　测试

红外光纤传像束作为传输波导,与红外成像探测器连接,可用于探测强电磁场、危险环境、狭窄空间或小孔内物体的热分布。As-S玻璃红外光纤作为1-6L m波段良好的传输介质,其有序排列构成的传像束的实际应用已有报导[1][2]。组成这种光纤波导光缆的单光纤的结构是以As40S60作芯,T eflon 作包层。

作者曾报道过用氩气压力Py rex玻璃双坩埚法拉制As-S芯包结构光纤[3],并用这种光纤制作出1000和4000像元的传像束[4]。本文将介绍适用于传像束的As-S芯包光纤几何尺寸的设计,以及1万像元、长70m m传像束的制作,并对其性能做了测试和评估。

1　传像束的制作和性能测试

1.1　As-S光纤和传像束的制作

选择As38S62为芯玻璃、As35S65为包层玻璃,将纯化处理后的高纯单质原料密封在石英安瓿中,以真空熔融法合成玻璃坯棒。设计As-S芯包结构光纤直径为60L m,包层厚为7L m,用经过改进的氩气压力Pyrex玻璃双坩埚法拉制As-S芯包光纤。为了提高单光纤透过率的一致性,扩大玻璃熔制和拉丝的批量是必要的。现一次拉丝可制得直径为60L m的As-S芯包光纤30km以上。

使用排丝设备将直径60L m的As-S芯包光纤密绕在直径为22.3cm的可拆卸拼装的收丝鼓上,制成圈数为100匝的单层丝片。然后,遴选出100片丝片,叠排于特殊夹具内,制成带有一段胶合体的圆环,沿着圆环的法线方向切开胶合体,并铠装于金属蛇皮管保护套之中。最后再将两个端头进行适当的研磨抛光处理,制得100×100像元、长70cm的传像束。该传像束的有效端面尺寸为6.4×6.3mm2。由于中间部位的光纤是松散柔软的,使传像束具有良好的弯曲性能。1.2　传像束透过率和有效孔径角的测试

以合金裸丝作红外光源,使用一块3～5L m的带通滤光片进行波段选择,以配有量热式探头的光功率计作接收装置,分别记下传像束置于光路前后的功率计示值,得到传像束在端面未镀减反射膜的条件下3～5L m 波段的平均透过率为28%。

将红外光源发出的辐射经斩波器调制后汇聚到传像束的输入端,出射能量由距输出端适当距离的Hg CdT e单元探测器接收,得到轴线上的最大示值。然后,沿垂直于轴线的方向左右移动探测器,当信号强度降至最大值的一半时,得到传像束的有效孔径角为

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16°。

1.3　传像束单光纤间的串扰

用CH -901型红外光学传递函数测试仪在3～5L m 波段对传像束进行光学串扰检测。将传像束一个端面调整到仪器照明系统的焦点位置上,焦点处照明光斑直径约为40L m ,传像束的输出端经过耦合透镜(放大倍数为2倍)和会聚透镜与红外探测器连接,两透镜间有一活动刀口。先仔细调整像束输入端的活动微调架,找出最大能量输出的位置,此时认为光斑照明在一根光纤的纤芯上。然后,使刀口横向和纵向扫描,可得到耦合透镜像面处的光斑曲线,如图1

所示。扫描

(a )刀口在2mm 范围横向扫描的光斑

曲线,光斑宽度为133L

m

(b)刀口在2mm 范围纵向扫描的光斑

曲线,光斑宽度为136L m 图1　耦合透镜像面处的光斑曲线

范围为2m m,测出横向扫描光斑宽度为

133L m ,纵向扫描光斑宽度为136L m ,扫描曲

线峰谷的下沿两侧未出现其它小幅度的次峰,说明光斑是在一根光纤中传输,周围的光纤中没有明显的串扰。1.4　经过传像束传输的热像

将长70cm 、1万个像元的红外光纤传像束前端放置一焦距为33mm 的红外成像镜头作物镜,传像束的输出端与AGEMA 900型双通道热像仪(瑞典制造)连接,选用响应波段为2～5.6L m 的探测头,直接用探测头前仪器配置的显微透镜作耦合透镜。把人体面部的热辐射经红外物镜成像在传像束输入端面上,像束传输的热像经显微透镜耦合到InSb 单元探测器上,通过光学扫描和信号处理,在计算机屏幕上显示出人体面部的连续彩色或连续黑白的热像,用照相机拍摄出热像照片。图2a 是由热像仪直接显示的人体面部的连续黑白热像,图2b 是经传像束传输的人体面部连续黑白热像。由于物镜成的是

(a )由热像仪直接显示的人体面部的连续黑白热像

(b )经过传像束传输的人体面部的连续黑白热像

图2　人体面部热像照片

倒像,为了便于观察,出现了图2a 的温度色标倒置现象,而图2b 的近似正像,则是传像束柔软性的一种体现。另外,由于热像仪配备的显微透镜视场较大,两者的对比仅限于照片中央的面部影像才有意义。

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1.5　传像束温度分辨率的测试

用与测量热像相同的装置,以黑体炉取代人体的位置,测量传像束在30℃的温度分辨率。其装置如图3所示。首先,在光路中未使用光纤传像束时,测量32℃和30℃黑体对热像仪探测系统产生的电信号差值$P 0(它表示在这个温度区间黑体平均辐射值的差别)。然后增加传像束后,再测量32℃和30℃黑体对热像仪探测系统产生的电信号差值$P 1,则$P 0/$P 1是加入光纤传像束后测量系统温度灵敏度下降的倍数。AGEMA900型热像仪的30℃温度分辨率为0.1℃,经传像束传输的热像仪系统在30℃时温度分辨率为0.5

℃。

图3　传像束的温度分辨率测试

装置示意图

2　分析和讨论

As-S 玻璃有较宽的形成范围,砷在20～39摩尔百分浓度范围变化,而硫在80～61摩尔百分浓度范围变动,都适合坩埚法拉制成裸光纤[5]

。所以,当改变As-S 芯玻璃和包层玻璃对相应组份的摩尔百分浓度差值,就可以改变芯包玻璃对的折射率差值,达到改变光纤和传像束数值孔径的目的,以满足不同的使用要求。选择适当硬度的粘结剂,用As -S 芯包光纤制作传像束,有利于端面的研磨抛光,可得到好的光洁度。

用于制作3～5L m 波段使用的As-S 光纤传像束,单光纤的包层厚度为7±1L m ,即略大于1个工作波长。由传递函数仪试验看出,光纤间无明显串扰。纤维光学元件中光纤芯的面积之和S 和元件端部面积S 0之比定义为填充系数K 。对于六边形排列的光学纤维束,填充系数表示为

K =S /S 0=P /23(d /D )2

=0.91(d /D )2

式中d 为单光纤芯体的直径;D 为单光纤的直径。在实际制作传像束时,纤维不可能做到理想六边形排列,会有一部分四边形排列,使填充系数减小。所以,上式中的常数实际上要小于0.91。如果常数为0.91,假定拉制的As -S 单光纤包层厚度固定在7L m ,只改

变单光纤的直径,那么光纤传像束的填充系数如表1所示。

表1　包层厚度为7L m ,不同直径A s -S 光纤制作的传像束的填充系数A s-S 光纤直径(L m)

1007060504030填充系数K

0.67

0.58

0.53

0.47

0.38

0.26

从表1看出,当光纤直径较粗时,填充系数较大,有利于提高有效传光面积;当光纤直径过细,有效传光面积明显减小,会使透过率严重下降。但是,像束的分辨率与单位长度上排列的光纤线对数相关,单光纤直径越细,分辨率越高,传像束越柔软。综合评估两者的关系,用于制作传像束的As-S 光纤直径为50～60L m 较合适。采用As -S 芯包光纤以排丝叠片法制作传像束,单光纤包层厚度是否还可减小,例如等于工作波长或

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