(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの残留応力及び光弾性効果を測定する装置において、
光源から放出された光の空間的コヒーレンスを抑制して完全に散乱させることによって、時間的に平均化した均一のイメージを提供する回転性光拡散器と、
前記回転性光拡散器を通過した光を光ファイバの長さ方向に整列させる整列レンズと、
前記整列レンズから入力された前記整列された光の偏光状態を線形的に調節する直線複屈折変換装置と、
前記直線複屈折変換装置を通過した前記光を前記光ファイバが配列された位置に集光する集光器と、
前記直線複屈折変換装置から放出された光が光ファイバを透過することによって、前記  光ファイバを通過した光の偏光状態を強度分布に転換する固定偏光器と、
前記光ファイバを透過した光の強度分布を有する拡大された光ファイバイメージを得るための対物レンズと、
前記拡大された光ファイバイメージの透過率の変化を測定することによって、前記光ファイバに沿って複数の位置で前記光ファイバの透過率の変化を測定する装置と、
を含み、
前記光ファイバを引っ張る光ファイバ引っ張り装置をさらに備え、
前記光ファイバに所定の張力を提供する前記光ファイバ引っ張り装置は、収集されたｓｉｎ２θ(ｙ)形態の透過率変化データ及び前記張力を利用して、下記の式によって得られた値ｙに対する正確な張力による位相変化Ｗ(ｙ)及び残留応力によって誘導される位相変化δ０(ｙ)を求める手段をさらに備えることを特徴とする測定装置。
【数１】
0003579025.tif 000006
ここで、ε１は、前記光ファイバの張力による歪みを示し、δ０(ｙ)は、前記残留応力によって誘導される位相変化を示し、Ｗ(ｙ)は、前記光ファイバの外部張力による位相変化を示す。
【請求項２】
前記光源は、ヘリウムネオンレーザー及びアルゴンイオンレーザーのいずれか１つから構成されることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
前記直線複屈折変換装置は、回転偏光器と前記回転偏光器から離隔して配置される波長板とから構成され、前記波長板は、前記回転偏光器の光進行方向下流側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項４】
前記波長板は、１／４波長板であることを特徴とする請求項３記載の測定装置。
【請求項５】
前記固定偏光器に前記光ファイバを密着させるために、マイクロスコープスライドガラスカバーをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項６】
前記整列レンズと前記直線複屈折変換装置との間にミラー（Ｍ１）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項７】
前記対物レンズと前記光ファイバに沿って複数の位置で透過率の変化を測定する装置との間にミラー（Ｍ２）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項８】
前記回転性光拡散器は、１０００ｒｐｍの以上に回転することを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項９】
光ファイバの残留応力及び光弾性効果を測定する装置において、
光源と、
前記光源から、時間的に平均化した均一のイメージに散乱される光を回転的に拡散する手段と、
前記回転的な拡散手段から出力された前記散乱された光の方向を整列することによって、整列手段に入力される前記散乱された光を整列された光として出力する整列手段と、
前記整列手段から出力された前記整列された光の偏光状態を線形的に調節する調節手段と、
前記調節手段から出力された前記光を光ファイバの縦方向のセクションに集光する光集光手段と、
前記光ファイバの縦方向のセクションから出力された前記光の偏光状態を強度分布に定める固定手段と、
前記光ファイバの縦方向のセクションから透過された前記光の強度分布を有する拡大された光ファイバイメージを得るための対物レンズと、
前記光ファイバの前記拡大された光ファイバイメージの透過率の変化を前記光ファイバに沿って複数の位置で測定する測定装置と、
を有し、
前記光ファイバを引っ張る光ファイバ引っ張り装置をさらに備え、
前記光ファイバに所定の張力を提供する前記光ファイバ引っ張り装置は、収集されたｓｉｎ２θ(ｙ)形態の透過率変化データ及び前記張力を利用して、下記の式によって得られた値ｙに対する正確な張力による位相変化Ｗ(ｙ)及び残留応力によって誘導される位相変化δ０(ｙ)を求める手段をさらに備えることを特徴とする測定装置。
【数２】
0003579025.tif 000007
ここで、ε１は、前記光ファイバの張力による歪みを示し、δ０(ｙ)は、前記残留応力によって誘導される位相変化を示し、Ｗ(ｙ)は、前記光ファイバの外部張力による位相変化を示す。
【請求項１０】
前記調節手段は、回転偏光器と前記回転偏光器から離隔して配置される波長板とを有し、前記波長板は、前記回転偏光器の光進行方向下流側に配置されていることを特徴する請求項９記載の測定装置。
【請求項１１】
前記波長板は、１／４波長板であることを特徴とする請求項９記載の測定装置。
【請求項１２】
光ファイバの残留応力及び光弾性効果を測定する方法において、
回転偏光器及び１／４波長板を有する直線複屈折変換装置を利用して、前記光ファイバに入射されるビームの偏光状態を線形的に複屈折させる過程と、
前記光ファイバ引っ張り装置を利用して前記光ファイバを引っ張らせつつ前記光ファイバに張力を提供し、電荷結合素子カメラアレイによって検出されるビームの透過率変化データを収集する過程と、
前記収集されたｓｉｎ２θ(ｙ)形態の透過率変化データ及び前記張力を利用して、下記の式によって得られる値ｙに対する正確な張力による位相変化Ｗ(ｙ)及び残留応力によって誘導される位相変化δ０(ｙ)を求める過程と、
を有することを特徴とする測定方法。
【数３】
0003579025.tif 000008
ここで、ε１は、前記光ファイバの張力による歪みを示し、δ０(ｙ)は、前記残留応力によって誘導される位相変化を示し、Ｗ(ｙ)は、前記光ファイバの外部張力による位相変化を示す。
【請求項１３】
前記残留応力σ(ｒ)及び前記光弾性効果Ｃ(ｒ)Ｅ(ｒ)は、前記得られた位相変化Ｗ(ｙ)及び前記残留応力によって誘導される前記位相変化δ０(ｙ)による位相変化を持って、下記の式のアーベル変換を使用して数量的に得られることを特徴とする請求項１２記載の測定方法。
【数４】
0003579025.tif 000009
【数５】
0003579025.tif 000010
ここで、σ(ｒ)は、前記残留応力を示し、Ｃ(ｒ)は、ガラスの光弾性係数を示し、Ｅ(ｒ)は、ヤング率を示し、Ｃは、前記光ファイバの外径を示し、ｒは、前記光ファイバの半径座標を示し、ｙは、前記光ファイバを通過する光の前記光ファイバの中心からの距離を示す。
【請求項１４】
光ファイバの残留応力及び光弾性効果を測定する方法において、
(ａ)光源を設ける過程と、
(ｂ)前記光源から光を回転的に拡散させることによって、前記光が時間的に平均化した均一のイメージに散乱させる過程と、
(ｃ)前記散乱された光を整列された光として出力するために、段階(ｂ)における前記回転的な拡散の後、前記散乱された光の方向を整列する過程と、
(ｄ)段階(ｃ)で整列された光の偏光状態を線形的に調節する過程と、
(ｅ)段階(ｃ)で出力された前記光を光ファイバの縦方向のセクション上に集光する過程と、
(ｆ)前記光ファイバの縦方向のセクションから出力された前記光の偏光を強度分布に定める過程と、
(ｇ)前記光ファイバの縦方向のセクションから伝達された前記光の強度分布を有する拡大された光イメージを得る過程と、
(ｈ)前記光ファイバの前記拡大された光イメージの透過率の変化を前記光ファイバに沿って複数の位置で測定する過程と、
前記光ファイバを所定の張力まで引っ張らせて前記光ファイバに張力を提供する段階をさらに備え、
下記の過程をさらに備えることを特徴とする測定方法。
(ｉ)ｓｉｎ２θ(ｙ)形態の前記収集された透過率変化データ及び前記張力を利用して、下記の式による値ｙに対する所定の張力における前記光ファイバの位相変化Ｗ(ｙ)及び前残留応力によって誘導される位相変化δ０(ｙ)を得る過程。
【数６】
0003579025.tif 000011
ここで、ε１は、前記光ファイバの張力による歪みを示し、δ０(ｙ)は、前記残留応力によって誘導される位相変化を示し、Ｗ(ｙ)は、前記光ファイバの外部張力による位相変化を示す。
【請求項１５】
前記残留応力σ(ｒ)及び前記光弾性効果Ｃ(ｒ)Ｅ(ｒ)は、前記得られた位相変化Ｗ(ｙ)及び前記残留応力によって誘導される前記位相変化δ０(ｙ)による位相変化を持って、下記の式のアーベル変換を使用して数量的に得られることを特徴とする請求項１４記載の測定方法。
【数７】
0003579025.tif 000012
【数８】
0003579025.tif 000013
ここで、σ(ｒ)は、前記残留応力を示し、Ｃ(ｒ)は、ガラスの光弾性係数を示し、Ｅ(ｒ)は、ヤング率を示し、Ｃは、前記光ファイバの外径を示し、ｒは、前記光ファイバの半径座標を示し、ｙは、前記光ファイバを通過する光の前記光ファイバの中心からの距離を示す。
【請求項１６】
過程(ａ)で設けられる光源は、ヘリウムネオンレーザー及びアルゴンイオンレーザーのいずれか１つから構成されることを特徴とする請求項１４記載の測定方法。
【請求項１７】
過程(ｄ)において、直線複屈折変換装置によって偏光させることを特徴とする請求項１４記載の測定方法。
【請求項１８】
前記直線複屈折変換装置は、回転偏光器及び波長板を有し、前記波長板は、前記回転偏光器の光進行方向下流側に配置されていることを特徴とする請求項１４記載の測定方法。
【請求項１９】
前記波長板は、１／４波長板であることを特徴とする請求項１４記載の測定方法。
【請求項２０】
段階(ｃ)で前記整列された光を反射する第１ミラーを、段階(ｄ)において偏光を起こさせる前記直線複屈折変換装置に設ける段階をさらに備えることを特徴とする請求項１４記載の測定方法。
【請求項２１】
段階(ｇ)における前記拡大された光ファイバイメージは対物レンズによって得られ、前記透過率の変化は電荷結合素子カメラアレイによって測定され、前記拡大された光ファイバイメージを反射する第２ミラーを前記電荷結合素子カメラアレイに設ける過程をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバの測定装置に関し、特に、光ファイバの残留応力及び光弾性効果を測定する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、光ファイバの製作工程は、光ファイバプリフォーム製作工程及び製作された光ファイバプリフォームを１つのストランド（ｓｔｒａｎｄ）状の光ファイバに線引する工程から構成される。光ファイバの製作過程においては応力が発生する。前記応力は、前記光ファイバの製作の後に除去されずにその一部が前記光ファイバの内に残ることがある。この場合、前記応力を残留応力（ｒｅｓｉｄｕａｌ  ｓｔｒｅｓｓ）と言う。前記残留応力の測定は、高品質の光ファイバの製作、光ファイバ格子、及び特殊の光ファイバの開発及び研究のために重要である。
【０００３】
高温での光ファイバの線引過程において発生する残留応力は、前記光ファイバの散乱による損失を増加させ、光弾性効果（ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ  ｅｆｆｅｃｔ）による屈折率変化を生じさせる。従って、高品質の光ファイバを製作するためには、前記残留応力を抑制させる光ファイバ製作（線引）技術が開発されるべきである。このため、前記光ファイバの残留応力を測定できる測定装備の開発が必須である。
【０００４】
さらに、最近、ＣＯ２レーザーを利用して光ファイバの残留応力の一部分を周期的に除去する方法として、長周期ファイバ・グレーティング格子（ｌｏｎｇ  ｐｅｒｉｏｄ  ｆｉｂｅｒ  ｇｒａｔｉｎｇ）が開発されている。また、ＵＶ照射により長周期型のファイバ・ブラッグ・グレーティングが提供される。前記長周期型のファイバ・ブラッグ・グレーティングの原理を分析する手段として、残留応力分布の測定装置が、ＵＶ照射によるガラスの圧密化の効果（ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ  ｅｆｆｅｃｔ）を分析するために使用される。
【０００５】
前記ブラッグ格子のスペクトルの透過特性の研究及びその向上のために、前記残留応力変化による屈折率の変化による影響及び、前記光ファイバの残留応力が縦方向に周期的に解消される、その分布を測定する必要がある。
さらに、前記残留応力による屈折率の変化、つまり光弾性効果によりドーピング物質が変化する現象、に対する深い研究が必要である。このために、光ファイバの残留応力及び光弾性効果を３次元的に測定及び観察できる装備の開発が必要である。
【０００６】
光ファイバまたは光ファイバプリフォームの残留応力は、光弾性効果を利用して測定される。この光弾性効果とは、媒質に残っている応力の方向に依存して媒質の屈折率が変化することを指す。前記光ファイバまたは光ファイバプリフォームの屈折率は、光の偏光方向によってその値が変化する。前記光ファイバプリフォームまたは光ファイバの軸方向に平行である側面に２つの直交する偏光成分の光を通過させる時、前記残留応力による光弾性効果のため、偏光方向によって、前記通過した光の位相差が発生する。偏光器（ｐｏｌａｒｉｓｃｏｐｅ）を利用して前記位相差を測定することによって、前記残留応力の範囲を確認することができる。下記は、前記のような従来の方法によって、前記光ファイバプリフォーム及び前記光ファイバの残留応力を測定した例を説明する代表的な論文である。
１．Ｐ．Ｌ．  Ｃｈｕ  ａｎｄ  Ｔ．  Ｗｈｉｔｅｂｒｅａｄ，  “Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｓｔｒｅｓｓｅｓ  ｉｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ  ａｎｄ  ｐｅｒｆｏｒｍ”，  Ａｐｐｌ．  Ｏｐｔ．，  １９８２，  ２１，  ｐｐ  ４２４１〜４２４５．
前記論文においては、光弾性効果を利用して光ファイバの残留応力を光学的に測定する方法及び理論を初めて具体的に提案し、光ファイバ及びそのプリフォームの残留応力プロフィールが測定された。
２．  Ｔｈ．  Ｒｏｓｅ，  Ｄ．  Ｓｐｒｉｅｇｅｌ  ａｎｄ  Ｊ．  Ｒ．  Ｋｒｏｐｐ，  “Ｆａｓｔ  ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ  ｓｔｒｅｓｓ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｍｏｎｏｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒｓ  ａｎｄ  ｓｐｌｉｃｅｓ”，  Ｍｅａｓ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  ４，  ４３１〜４３４，  （１９９３）．
前記２番目の論文においては、単一モード光ファイバの残留応力に基づくとともに、及び融着接続（ｆｕｓｉｏｎ  ｓｐｌｉｃｅ）の時に発生する応力を照射するために使用される光弾性効果に基づく光学的測定装置が開発された。
３．  Ｋ．  Ｗ．  Ｒａｉｎｅ，  “Ａ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｆｏｒ  ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ａｘｉａｌ  ｓｔｒｅｓｓ  ｐｒｏｆｉｌｅｓ  ｉｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｒｅｓ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｓｐａｔｉａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｌｏｗ  ｎｏｉｓｅ”，  ４ｔｈ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｒｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＮＰＬ  Ｔｅｄｄｉｎｇｔｏｎ  ＵＫ），  ２６９，  （１９９７）．
前記３番目の論文において、既存の光弾性効果を利用する測定方法に、電荷結合素子（ｃｈａｒｇｅ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）及びハーフシェード（Ｈａｌｆ−ｓｈａｄｅ）方法を応用することによって、分解能に優れた光ファイバの残留応力測定方法及び装置を提案している。
【０００７】
光ファイバの残留応力を測定するために、前記光ファイバより大きい断面積を有する光ファイバプリフォーム（直径４ｃｍ）の残留応力を測定することによって、前記光ファイバの残留応力を類推する。しかしながら、前記光ファイバプリフォームは、熱的な残留応力（ｔｈｅｒｍａｌ  ｒｅｓｉｄｕａｌ  ｓｔｒｅｓｓ）のみを有するので、光ファイバの製作の時に発生する力学的な残留応力は測定できないという問題がある。従って、前記力学的な残留応力を測定するためには、前記光ファイバを直接測定するべきであり、そのサイズ（クラッド直径１２０μｍ、コア直径８μｍ）を考慮すると、高分解能及び超精密の条件が要求される。
【０００８】
しかしながら、上述した既存の測定方法は、前記光ファイバプリフォームより小さい位相差、イメージ拡大の困難さ、及びイメージ背景の相対的な光強度によるイメージング（ｉｍａｇｉｎｇ）誤差などのような様々な技術的な問題点がある。
前記光ファイバプリフォームの残留応力を測定する時、前記光ファイバプリフォームを通過する光の光学経路（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐａｔｈ）の長さが長いので、２つの直交する偏光された光の間の位相差は、１８０°またはそれ以下であることが予想される。しかしながら、前記光ファイバの残留応力を測定する時、前記光学距離は前記光ファイバプリフォームに比べて１／１００の長さを有するので、前記光ファイバにおいて、光の位相差は、２°またはそれ以下であることが予想される。従って、前記光ファイバの残留応力を測定するために、最小０．１°程度の偏光分解能を有する測定装置が要求される。
【０００９】
前記光ファイバの直径は１２５μｍであるので、イメージを形成するためには、前記直径を拡大する必要がある。前記光ファイバプリフォームの残留応力を測定する既存の方法においては、前記光ファイバを通過した光が入射される１／４波長板（ｑｕａｒｔｅｒ  ｗａｖｅ  ｐｌａｔｅ）及び偏光分析器の回転装置のため、対物レンズ（ｏｂｊｅｃｔ  ｌｅｎｓ）を前記光ファイバに密着させることが困難である。しかも、倍率を高めることが技術的に難しい。その結果、前記光ファイバの拡大されたイメージが偏光器によって歪む結果になる。従って、前記光ファイバを通過した光の波長板歪み及び偏光誤差を最小化する測定装置を開発する必要がある。
【００１０】
【本発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、光ファイバを通過した光の波長板歪み及び偏光誤差を最小化することができる残留応力及び光弾性効果の測定装置及び方法を提供する。
本発明の他の目的は、安価で、構成が簡単である残留応力及び光弾性効果の測定装置及び方法を提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、光源から放出された光の空間的コヒーレンスを抑制して完全に散乱させることによって、時間的に平均化した均一のイメージを提供する回転性光拡散器と、前記回転性光拡散器を通過した光を光ファイバに整列させる整列レンズ（ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ  ｌｅｎｓ）と、前記整列レンズから入力された前記整列された光の偏光状態を線形的に調節する直線複屈折（ｌｉｎｅａｒ  ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）変換装置と、前記直線複屈折変換装置を通過した前記光を、前記光ファイバが配置された位置に集光する集光器と、前記直線複屈折変換装置から放出された光が前記光ファイバを透過することによって、前記光ファイバを通過した前記光の偏光状態を、前記光ファイバから放出された前記光の強度分布に転換する固定偏光器と、前記光ファイバを透過した光の強度分布を有する拡大された光ファイバイメージを得るための対物レンズと、前記光ファイバに与えられた透過率の変化を位置によって測定する装置とを有する光ファイバの残留応力及び光弾性効果を測定する装置を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の望ましい実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。下記説明において、本発明の要旨を明確にするために関連した公知の機能または構成に対する具体的な説明は省略する。
【００１３】
〔１．残留応力の測定〕
一般に、光ファイバの側面を通過する光の強度の変化は、偏光器が回転させられながら測定されるのではなく、偏光器が固定された状態で、入力ビームの偏光状態を線形的に複屈折（ｌｉｎｅａｒ  ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）させることによって測定される。このような測定装置の例として、バビネ補償板（Ｂａｂｉｎｅｔ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）がある。前記バビネ補償板は、補償板の開口（ａｐｅｒｔｕｒｅ）のサイズによってビームの入射角及びサイズが制限され、さらに、高価で、自動化ができないという問題を有している。従って、本発明において、自動化ができる簡単な装置が提案される。上述したような本発明による装置は、回転偏光器（ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）及び１／４波長板から構成される。
【００１４】
図１は、直線複屈折（ｌｉｎｅａｒ  ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）変化を発生させることのできる理想的な装置の構成を示す図である。図２は、本発明による直線複屈折変化を発生させることのできる実際的な装置の構成を示す図である。図３は、図１及び図２に示す装置によって入力光の偏光状態が変化される軌跡間の差を、ポアンカレ球（Ｐｏｉｎｃａｒｅ  Ｓｐｈｅｒｅ）を通して示す図である。
【００１５】
図１に示す理想的な装置は、固定偏光器を利用して、光ファイバの軸と４５°になるように光源の偏光状態を維持した後、複屈折を起こさせる。さらに、図１に示す装置は、線形的に調節できる装置であり、例えば、バビネ補償板（Ｂａｂｉｎｅｔ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）及びベレック補償板（Ｂｅｒｅｋ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）がある。
【００１６】
偏光が変化しうるビームが前記光ファイバを通過すると、前記偏光状態は、複屈折装置の位相差を前記光ファイバによる位相差に加えることによって得られる。その後、光強度は、１番目の固定偏光器と直交する２番目の固定偏光器を利用して決定される。前記装置による偏光状態の変化軌跡は、図３の下段に示す軌跡１を通して球の下段部分に移動し、図３に示す楕円形偏光状態（ｅｌｌｉｐｔｉｃ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｓｔａｔｅ）を有する。
【００１７】
図２に示す実際的な装置は、図１の理想的な装置と同一の偏光状態を生成することのできる装置の構成を示す。まず、ポアンカレ球において、前記楕円形偏光状態を形成することのできる前記軌跡１と同一の他の軌跡２を見つけることができる。この軌跡２は、１／４波長板によって実現することができる。前記１／４波長板を通過した後、前記偏光状態は、前記軌跡２の最初の開始点状態に維持される。つまり、１番目の回転偏光器の角度をその開始点に合わせる。次に、前記１／４波長板を前記光ファイバ軸と４５°になるように配置すると、前記偏光状態は、前記軌跡２と同一の経路で円の１／４に該当する回転状態に維持される。前記偏光状態は、前記軌跡１における偏光状態と同一であることが分かる。従って、前記１／４波長板の次に光ファイバを配置して光を透過させると、光の強度は、固定偏光器によって決定される。その後、図２に示す装置は、図１に示す理想的な装置の結果と同一の結果を有することができる。
【００１８】
検出される光の最小強度を作る回転偏光器の偏光角度を探すために、前記回転偏光器を線形的に回転させて、前記光の強度をＰＣに貯蔵する。それによる光ファイバの半径に対するそれぞれの変化曲線を２次曲線に近似して最小値を得る。ここで、位相はδ１(ｙ)＝２θ(ｙ)、前記残留応力によって誘導される前記位相変化をδ０(ｙ)、前記光ファイバの外部的な張力による位相変化をＷ(ｙ)ε１にすると、下記のような＜式１＞を得ることができる。
〔式１〕
【数９】
0003579025.tif 000002
ここで、ε１は、前記光ファイバの張力による引張率（strain）を示し、Ｗ(ｙ)は、ドーパント分布(dopant distribution)及び前記光ファイバの断面形の関数であり、ビームの透過によって蓄積される光弾性効果による複屈折値である。従って、前記光ファイバの外部張力がない場合(ε１＝０)、δ１(ｙ)の値は前記のような測定方法を利用して得られる。その結果、前記光ファイバの残留応力の分布は、アーベル変換によって得ることができる
〔式２〕
【数１０】
0003579025.tif 000003
【００１９】
〔２．光弾性効果の分布測定〕
前記光ファイバの内部にドーピングされている物質によるガラス構造の変化及び結合エネルギーによって、特定のドーピング物質は、前記光弾性効果と同一の分布を有する。一般的に、ドーピングされたバルクガラス（ｂｕｌｋ  ｇｌａｓｓ）の光弾性係数を測定することによって、前記光弾性効果の程度を量的に予測してきた。前記光弾性効果の測定結果として、ドーピング物質としてホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはアルカリ基礎の物質（ａｌｋａｌｉ  ｂａｓｅｄ  ｍａｔｅｒｉａｌ）が使用される場合、大幅の変化が発生することが判明した。本発明において、前記のような特定のドーピング物質が添加された時、前記光弾性効果の変化分布を測定することのできる方法を提供する。前記光弾性効果の変化分布の例としては、下記のような２つの例がある。
【００２０】
第１は、静的現象であり、前記光ファイバを引っ張らせた時に該当する。前記引っ張られた光ファイバは、前記光ファイバの半径方向（ｒａｄｉａｌ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に屈折率を減少させる。前記減少された屈折率は、前記光ファイバ内に導波される光に影響を与える。前記光弾性効果が前記光ファイバ内で前記分布を有する場合、前記引っ張られた光ファイバ内で相違する屈折率分布が発生する。そういうわけで、前記光ファイバの本来の屈折率分布に相対的な変化が発生する。
【００２１】
第２は、音響波（ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｗａｖｅ）の特性によって説明することができる。前記音響波は、ガラスの密度及び光弾性係数（ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）に関連する。前記音響波の特性を理解することは、ブリルアン散乱（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）または音響光学波長可変フィルタ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｆｉｌｔｅｒ：  ＡＯＴＦ）の研究において大事である。さらに、残留応力の正確な測定及び応力による屈折率の変化の正確な測定のために必須的な要素である。
【００２２】
本発明において、残留応力の測定装置として、前記引っ張られた光ファイバの複屈折分布を測定することによって、前記第１の例で説明した効果を得ることのできる方法を提供する。つまり、前記引っ張られた光ファイバの複屈折分布を見つける場合、前記位相分布は、＜式３＞によって同じように表現することができる。
〔式３〕
【数１１】
0003579025.tif 000004
ここで、ε２は、前記光ファイバを引っ張らせた時の歪みを示し、δ２(ｙ)は、前記引っ張られた光ファイバから出力される光の最小強度を有する偏光角によって得られる。Ｗ(ｙ)は、＜式１＞及び＜式３＞によって得ることができる。この分布は、アーベル変換を使用して極座標(polar coordinate)に変換されることができ、その結果は、＜式４＞のようになる。
〔式４〕
【数１２】
0003579025.tif 000005
ここで、Ｃ(ｒ)は、ガラスの光弾性係数を示し、Ｅ(ｒ)は、ヤング率(Young’s module)を示し、Ｃは、前記光ファイバの外形を示し、ｒは、前記光ファイバの半径座標を示し、ｙは、前記光ファイバを通過する光の前記光ファイバの中心からの距離を示す。
【００２３】
〔３．本発明の実施形態による測定装置の構成〕
図４に示すように、本発明による測定装置は、光源１０、回転拡散器（ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｄｉｆｆｕｓｅｒ）１２、整列レンズ（ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ  ｌｅｎｓ）１４、第１ミラーＭ１、直線複屈折変換装置（ｌｉｎｅａｒ  ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ  ｄｅｖｉｃｅ）１６、集光器（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）１８、前記光ファイバＦに張力を提供する光ファイバ引っ張り装置（ｆｉｂｅｒ  ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅ）２２、固定偏光器（ｆｉｘｅｄ  ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）２０、対物レンズ（ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ  ｌｅｎｓ）２４、第２ミラーＭ２、及びＣＣＤカメラアレイ（ＣＣＤ  ｃａｍｅｒａ  ａｒｒａｙ）２６を有している。前記光源１０としては、ヘリウムネオンレーザー（ＨｅＮｅ  ＬＡＳＥＲ）またはアルゴンイオンレーザー（Ａｒ−ｉｏｎ  ＬＡＳＥＲ）を使用する。
【００２４】
ランダム偏光（Ｒａｎｄｏｍ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を有する前記光源１０から放出された光は、前記回転拡散器１２を通して完全に散乱されて拡散される。この時、前記ヘリウムネオンレーザー１０を短波長の光源として使用する理由は、寿命が長く、スペクトルが狭いからである。さらに、前記ヘリウムネオンレーザー１０を使用する理由は、短波長性質の光が前記光ファイバＦを通過する時、それぞれ固有の位相変化値を得ることができるからである。
【００２５】
前記回転拡散器１２の使用理由は、前記光ファイバＦのイメージに示される前記光源１０の空間コヒーレンス（ｓｐａｔｉａｌ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）による多様な回折の柄を前記回転拡散器１２によって抑制または除去することができるからである。前記回転拡散器１２は、高速で回転できるように設置される。前記回転拡散器１２を高速（だいたい１０００ｒｐｍの以上）に回転させることによって、時間的に平均化した均一のイメージを得ることができる。前記散乱された光が前記整列レンズ１４を通して整列された後、前記直線複屈折変換装置１６を利用して前記光ファイバＦに入射されるビームの偏光状態を調節するようになる。前記直線複屈折変換装置１６は、回転偏光器１６ａ及び１／４波長板１６ｂから構成される。前記集光器１８を通過した前記光は、前記光ファイバＦが設置された位置に集光される。この時、前記光ファイバＦは、マイクロスコープスライドガラスカバー（ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｓｌｉｄｅ  ｇｌａｓｓ  ｃｏｖｅｒ）Ｓと固定偏光器２０との間に、屈折率マッチングゲル（ｍａｔｃｈｉｎｇ  ｇｅｌ）やグリセリンのような類似した屈折率を有する物質が充填された位置に挟まれて設置される。前記光ファイバＦは、前記固定偏光器２０を前記光ファイバＦと最大限に密着させることができるので、偏光誤差を低減させることができる。前記光ファイバＦと前記対物レンズ２４との間の距離が狭くなることによって、拡大されたイメージを得ることができる。さらに、前記光ファイバＦは、断面の３次元分布及び前記光ファイバＦの長さ方向の変化を検出するにおいて、技術的な問題を解決するに役に立つ。さらに、前記光ファイバＦは、前記光ファイバ引っ張り装置２２と結合されるので、引っ張られた状態でも測定されることができる。
【００２６】
その次に、前記光ファイバＦを通過した光は、前記固定偏光器２０を通してＹ軸に対して前記光の強度分布を有する。前記光は、前記対物レンズ２４を通して前記光ファイバＦのイメージが前記ＣＣＤカメラアレイ２６に捕らえられるフレームグラバー（ｆｒａｍｅ  ｇｒａｂｂｅｒ）（図示せず）によってラインスキャン（ｌｉｎｅ−ｓｃａｎ）される。次に、前記光は、コンピュータに前記回転偏光器１６ａの偏光角に関連させて記憶される。この時、前記光ファイバＦと前記対物レンズ２４との間の距離は拡大倍率が約１００になるように調節される。前記光は、前記光ファイバＦの直径座標によって相違する値を有することができる。従って、前記直径座標に対して光透過変調を測定及び計算することによって、前記光ファイバの残留応力及び光弾性効果を測定することができる。さらに、前記光ファイバＦの長さ方向に複数のラインスキャンデータが得られる場合、前記光ファイバ格子の長さ方向分布を測定することができる。さらに、前記光ファイバＦの軸を基準にして回転角によって前記位相分布を測定することによって、偏光維持光ファイバ（ＰＭ  ｆｉｂｅｒ）の断面構造が分かる。
【００２７】
結果的に、本発明において、高品質の光ファイバの生産技術の向上及び特殊光ファイバの開発のために、前記光ファイバＦの軸に垂直な面に対する長さ方向に、前記光ファイバＦの残留応力分布及び前記光弾性効果を、前記ＣＣＤカメラアレイ２６を利用して３次元に正確に測定することができる。さらに、本発明において、狭い線幅を有するヘリウムネオンレーザーまたはアルゴンイオンレーザーが使用される。また、本発明において、前記複屈折分布を測定するための入力ビームの直線複屈折装置１６、前記光弾性効果分布を測定するための前記光ファイバ引っ張り装置２２、及びイメージ分析及び迅速で正確なデータの収集のための前記ＣＣＤカメラアレイ２６及び前記フレームグラバー（ｆｒａｍｅ  ｇｒａｂｂｅｒ）が使用される。
【００２８】
本発明において、位相差を測定するために既存の偏光器を回転させるの代わりに、前記直線複屈折装置１６を利用して入力ビームの偏光状態を変化させることによって、前記光ファイバの複屈折分布をフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）によって検出することができる。また、張力による前記光ファイバの前記光弾性効果の分布を検出することができる。従って、本発明は、安価で簡単な構造の装置を提供する。前記ＣＣＤカメラアレイと前記偏光器との間に、前記光ファイバのイメージを歪ませ得る偏光装置が存在しないので、高分解能及び３次元高倍率のイメージを得ることに関して、本発明の装置は、一般の顕微鏡と同一の条件を有する。これは、他の残留応力測定装置によっては得られない一つの長所である。
【００２９】
一方、本発明において、直線複屈折変換装置と同様に使用されることのできる光源として、ランダム偏光（Ｒａｎｄｏｍ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を有するレーザーを使用することができる。また、直線偏光（ｐｌａｎｅ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を有するレーザー及び１／４波長板を使用することができる。従って、前記直線複屈折変換装置に入力される光の偏光状態は円形偏光になる。
【００３０】
さらに、本発明の測定装置は、前記直線偏光を有するレーザー及び可変性波長板（ｖａｒｉａｂｌｅ  ｗａｖｅ  ｐｌａｔｅ）が使用されることができる。従って、前記直線複屈折変換装置に入力される光の偏光状態は円形偏光に維持される。
【００３１】
さらに、前記直線複屈折変換装置を構成することのできる他の例として、前記１／４波長板のみを回転させてｓｉｎ２θ（ｙ）フィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）を使用して前記位相値を計算することができる。他の波長板またはファラデーローテーター（Ｆａｒａｄａｙ  ｒｏｔａｔｏｒ）を利用して入力ビームの偏光状態を調節することができる。
【００３２】
結果的に、本発明による装置は、前記得られたＷ（ｙ）及びδ０（ｙ）を持って、＜式２＞及び＜式４＞を使用して、前記残留応力σ（ｒ）及び前記光弾性効果Ｃ（ｒ）Ｅ（ｒ）を数値的に得ることができる。
【００３３】
また、本発明において、前記ＣＣＤカメラアレイが使用される時、ＣＣＤカバーガラスを除去して、センサーアレイとカバーガラスとの間の干渉を除去する。
【００３４】
一方、上述の本発明の詳細な説明では具体的な実施形態を挙げて説明してきたが、本発明の範囲内で様々な変形が可能であるということは勿論である。従って、本発明の範囲は前記実施形態によって限られるべきでなく、特許請求の範囲とそれに均等なものによって定められるべきである。
【００３５】
【発明の効果】
前述してきたように、既存の測定方法による前記光ファイバの残留応力測定方法は、多数の論文に開示されたが、精密度が劣り、商業化に適しなかった。しかしながら、本発明による測定装置によれば、安価で、高品質の光ファイバを製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】直線複屈折変化を発生させることのできる理想的な装置の構成を示す図である。
【図２】本発明による直線複屈折変化を発生させることのできる本発明による実際的な装置の構成を示す図である。
【図３】図１及び図２に示す装置によって、入力光の偏光状態が変化される軌跡間の差をポアンカレ球を用いて示す図である。
【図４】本発明の好適な実施形態による残留応力及び光弾性効果の測定装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０  光源
１２  回転拡散器
１４  整列レンズ
１６  直線複屈折変換装置
１６ａ  回転偏光器
１６ｂ  １／４波長板
１８  集光器
２０  固定偏光器
２２  光ファイバ引っ張り装置
２４  対物レンズ
２６  ＣＣＤカメラアレイ
Ｍ１  第１ミラー
Ｍ２  第２ミラー
Ｓ  マイクロスコープスライドガラスカバー
【図１】
0003579025.tif 000014
【図２】
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【図３】
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【図４】
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