(57)【要約】【課題】光ファイバの残留応力測定装置の提供。【解決手段】本発明の光ファイバの残留応力測定装置は、 光ファイバの残留応力測定のための光を発生する光源と、発生された光を平面波に変換するレンズ系と、平面波に変換された光を所望の入力偏光に変換して光ファイバに入射する偏光系と、偏光された光が、光ファイバの様々な方向に透過するように光ファイバを回転させる回転式測定部と、光ファイバを透過した光の位相変化から光ファイバの円形非対称応力分布を持つ残留応力を検出する検出系とを含めて構成されたことを特徴とする。　本発明によれば、光ファイバを回転させながら残留応力を測定できるため、円形非対称応力(stress)分布を持つ光ファイバの残留応力分布とその大きさを正確に測定することができる。【選択図】図３
2004138618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　光ファイバの残留応力測定のための光を発生する光源と、
　前記発生された光を平面波に変換するレンズ系と、
　前記平面波に変換された光を所望の入力偏光に変換して前記光ファイバに入射する偏光系と、
　前記偏光された光が、前記光ファイバの様々な方向に透過するように該光ファイバを回転させる回転式測定部と、
　前記光ファイバを透過した光の位相変化から該光ファイバの円形非対称応力分布を持つ残留応力を検出する検出系とを含めて構成されることを特徴とする光ファイバの残留応力測定装置。
【請求項２】
　光ファイバの残留応力測定のための光の経路を移動させる少なくとも一つ以上の反射鏡をさらに備えた請求項１に記載の光ファイバの残留応力測定装置。
【請求項３】
　回転式測定部が、
　光ファイバがその間に介在するスライドガラスとカバーガラス、及び前記光ファイバの一端を保持する第１ジグで構成された光ファイバ固定部と、
　前記第１ジグを回転させることによって前記光ファイバを回転させるようにするモータ部とを備えた請求項１に記載の光ファイバの残留応力測定装置。
【請求項４】
　光ファイバ固定部が、
　光ファイバの他端を保持する第２ジグと、
　前記光ファイバの正確な回転のために第１ジグ及び第２ジグにモータ部の回転力を同一に伝達する駆動部とをさらに備えた請求項３に記載の光ファイバの残留応力測定装置。
【請求項５】
　スライドガラスとカバーガラスとの間に、光ファイバの屈折率と同じ屈折率を有するインデックスマッチングオイルが塗布された請求項３に記載の光ファイバの残留応力測定装置。
【請求項６】
　光ファイバ固定部が、
　光ファイバを垂直に立てて回転させるために該光ファイバの上端を保持するジグと、
　前記光ファイバが垂直に介在され、内部にインデックスマッチングオイルが充填されたセルとを備えた請求項１に記載の光ファイバの残留応力測定装置。
【請求項７】
　光ファイバの回転に際して応力が付加されない程度にインデックスマッチングオイルの粘度を高くした請求項６に記載の光ファイバの残留応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、光ファイバの残留応力測定装置に関し、特に、円形非対称応力(stress)分布を持つ光ファイバの残留応力を測定するための光ファイバの残留応力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　一般に、光ファイバの生産過程のうち高温の線引き工程において発生する応力は、光ファイバが製造された後にも除去されず、その一部が光ファイバ中に残ってしまう。これを残留応力(residual stress)という。この残留応力は、光ファイバの光散乱による光損失を増加させ、光弾性(photoelastic)効果により屈折率の変化をもたらす。そこで、このような光ファイバ中の残留応力の分布とその大きさを正確に測定し、最適に調節する技術が必要である。
【０００３】
　通常、光ファイバの残留応力は、光弾性効果を用いて測定する。光弾性効果とは、媒質に残っている応力の方向にしたがって屈折率が変化する現象である。そして光ファイバまたは光ファイバ母材(preform)は、光弾性効果により光の偏光方向にしたがってその屈折率値を変化させる性質を持つ。その変化を観察して残留応力を測定することができるのである。
【０００４】
　図１は、従来の光ファイバの残留応力を測定する装置の概略図であり、図２は光の進行経路に従う位相変化を示す図である。以下、図１及び図２を参照して従来の一般的な光ファイバにおける残留応力を測定する原理及び装置について説明する。
【０００５】
　図１に示すように、従来の残留応力測定装置は、レーザーなどの光源１０と、発生した光を整列させるレンズ系３０と、整列された光を偏光させる偏光系５０と、残留応力測定部６０と、残留応力による光弾性効果から発生する位相変化を測定する光検出系７０とから構成される。
【０００６】
　ヘリウム-ネオンレーザーなどの光源１０から出射された光１は、反射鏡(mirror)２０に反射してビーム拡散器３１、レンズ３２、絞り３３から構成されたレンズ系３０を通過しながら平面波に変換される。平面波に変換された光は再び反射鏡４０に反射して偏光器５１、波長板５２、集光器５３から構成された偏光系５０に入射される。この時、反射鏡２０、４０は、進行光の経路を変えることによって残留応力測定装置の全体サイズをコンパクトにする為にある。偏光系５０で所望の入力偏光に偏光された光は、スライドガラス６１とカバーガラス６３とから構成された残留応力測定部６０に位置した光ファイバ６２に入射される。光ファイバ６２を通過した光は、光ファイバ内の応力分布による位相差を持ち、そのまま、対物レンズ７１、偏光分析器(analyzer)７２を通過することによりその位相差が光の強度で表現される。感知器７３は、偏光分析器７２により変換された通過光の強度を電気信号に変換し、これにより、光ファイバの残留応力を測定する。
【０００７】
　この光ファイバの残留応力は下記の数式１で示される。
【０００８】
【数１】
2004138618.tif 000003
【０００９】
　ここで、I0は背景強度(background intencity)を、Φ(y)は残留応力に起因した位相変化(phase shift induced by residual stress)を意味する。
【００１０】
　図２に示すように、ｘ軸に平行に入射した光は二つに分けられ、入射光の位相変化は、下記の数式２のように示される。
【００１１】
【数２】
2004138618.tif 000004
【００１２】
　したがって、残留応力により発生する位相差は、光弾性効果により下記の数式３のように示される。
【００１３】
【数３】
2004138618.tif 000005
【００１４】
　全体的な残留応力と光弾性効果に対するプロファイルは、下記の数式４のように示される。
【００１５】
【数４】
2004138618.tif 000006
【００１６】
　上記数式４において、C0は溶融シリカの光弾性係数(photoelastic coefficient of fused silica)を示し、上記の式を適用できる条件は、下記の通りである。
【００１７】
　１．入射光が光ファイバ内を経路変化無しに一直線に通る。
【００１８】
　２．入射方向、つまり、直径方向にブリュースタ係数(Brewster coefficient)が一定でなければならない(材料組成が一定なので複屈折が起こらず、したがって、残留応力によってのみ位相変化が起こる)。
【００１９】
　３．半径及び角度に対する残留応力は下記数式５に示すように、軸方向応力に比べ無視出来る程度である。
【数５】
2004138618.tif 000007
【００２０】
　しかし、上記の従来技術では、光ファイバ内の単一方向の残留応力のみが測定可能であり、円形非対称応力分布を持つ光ファイバやフォトニック結晶光ファイバについては、その光ファイバ内の残留応力分布とその大きさを正確に測定し難いという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
　したがって、本発明の目的は、円形非対称応力分布を持つ光ファイバの残留応力を測定できる光ファイバの残留応力測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
　上記の目的を達成するために、本発明の光ファイバの残留応力測定装置は、光ファイバの残留応力測定のための光を発生する光源と、発生した光を平面波に変換するレンズ系と、平面波に変換された光を所望の入力偏光に変換して光ファイバに入射する偏光系と、偏光された光が光ファイバの様々な方向に透過するように光ファイバを回転させる回転式測定部と、光ファイバを透過した光の位相変化から光ファイバの円形非対称応力分布を持つ残留応力を検出する検出系と、を含めて構成される。すなわち回転式測定部で光ファイバを回転させることによって円形非対称応力分布を持つ光ファイバの残留応力が正確に測定できるようにする。
【００２３】
　光ファイバの残留応力測定のための光の経路を移動させる少なくとも一つ以上の反射鏡をさらに備えても良い。
【００２４】
　回転式測定部は、光ファイバが介在されるスライドガラスとカバーガラス、及び光ファイバの一端を保持する第１ジグで構成された光ファイバ固定部と、第１ジグを回転させて光ファイバを回転させるモータ部とを備えることができる。
【００２５】
　光ファイバ固定部は、光ファイバの他端を保持する第２ジグと、光ファイバの正確な回転のために第１ジグ及び第２ジグにモータ部の回転力を同一に伝達する駆動部とをさらに備えても良い。
【００２６】
　スライドガラスとカバーガラスとの間に、光ファイバの屈折率と同じ屈折率を有するインデックスマッチングオイルを塗布しても良い。
【００２７】
　光ファイバ固定部が、光ファイバを垂直に立てて回転させるために光ファイバの上端を保持するジグ、及び光ファイバが垂直に介在され、内部にインデックスマッチングオイルが充填されたセルを備える構造にすることも可能である。
【００２８】
　光ファイバの回転に際し、応力が付加されない程度にインデックスマッチングオイルの粘度を高くしても良い。
【発明の効果】
【００２９】
　本発明に係る光ファイバの残留応力測定装置は、光ファイバを回転させながら残留応力を測定する構成となるため、円形非対称応力分布を持つ光ファイバの残留応力分布とその大きさを正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
　まず、以下に本発明の技術的原理について述べる。
【００３１】
　非対称応力分布を持つ光ファイバの応力を測定するためには、０゜から１８０゜までの様々な方向における測定結果が必要である。任意の角度αで測定する場合、残留応力による各軸の位相変化差は、下記の数式６で示される。
【００３２】
【数６】
2004138618.tif 000008
【００３３】
　ここで、λは入射光の波長であり、nz、ntは光ファイバで屈折率の基本軸を示す。ｓはビームが通過する方向を示す。つまり、数式６は、ｚ、ｔ方向の位相変化差を示している。ここで求めた位相変化差を、下記の数式７で示されたインバースラドン変換(inverse Radon transformation)を通じて２次元的な軸上残留応力分布(residual stress distribution、σzz)を求めることができる。
【００３４】
【数７】
2004138618.tif 000009
【００３５】
　ここで、σzz(x,y)は光ファイバの長さ方向であるzz方向の残留応力、Ｃは光弾性定数、iradonはインバースラドン変換(inverse Radon transformation)を示す。上記の数式７によれば、光ファイバ回転測定装置を用いて光ファイバの長さ方向の応力を求めることができる。
【００３６】
　本発明に係る光ファイバの残留応力測定装置は、図１に示したような従来の残留応力測定装置における原理と同一の原理を持つ。ただし、光ファイバを回転させながら測定できるように光ファイバを回転させる装置が追加構成される。
【００３７】
　以下、本発明に係る好ましい実施例を添付の図３ないし図６を参照して詳細に説明する。本発明を説明するにあたり、関連した公知の機能あるいは構成に対する説明は適宜省略するものとする。
【００３８】
　図３は、本発明に係る光ファイバの残留応力測定装置の実施例の全体構成を概略的に示す図である。
【００３９】
　図３に示したように、本発明の第１実施例による光ファイバの残留応力測定装置は、光源１０と、発生した光を整列させるレンズ系３０と、整列された光を偏光をさせる偏光系５０と、光ファイバを回転させながら残留応力を測定する回転式測定部１００と、残留応力による位相差を電気的信号に変換する光検出系７０と、を含めて構成される。本発明を構成する光源１０、レンズ系３０、偏光系５０及び光検出系７０の構成及び動作は、上記の図１に基づいて説明された従来の一般光ファイバの残留応力測定装置の構成及び動作と同一なので、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
　本発明は、光ファイバを回転させることにより、円形非対称応力分布を持つ光ファイバの残留応力測定を可能にする回転式測定部１００にその特徴があり、以下では回転式測定部１００の構成を中心に本発明を説明する。
【００４１】
　図４は、本発明に係る光ファイバの残留応力測定装置の回転式測定部の第１実施例を示す図であり、本発明の第１実施例による回転式測定部１００は、光ファイバ固定部１０５とモータ部１０６とで構成される。
【００４２】
　光ファイバ固定部１０５は、光ファイバ１０２がその間に介在するスライドガラス１０１とカバーガラス１０３の他、光ファイバの一端を保持しうるジグ１０４を備え、残留応力を測定する光ファイバ１０２を固定させる。この時、スライドガラス１０１とカバーガラス１０３との間にインデックスマッチングオイルが塗布されるが、これは、残留応力測定に際して外部から加えられる応力を防止するとともに、入射光の回折を防止するためのものである。
【００４３】
　モータ部１０６は、光ファイバを保持しているジグ１０４を回転させることによって測定する光ファイバ１０２を回転させる。
【００４４】
　図５は、本発明に係る光ファイバの残留応力測定装置の回転式測定部の第２実施例を示す図であり、本発明の第２実施例による回転式測定部２００は、第１実施例と同様に、光ファイバ固定部２０６とモータ部２０７とから構成される。第１実施例との相違点は、光ファイバを垂直に立てて回転させながら測定するという点であり、このため、測定される光ファイバ２０１は、インデックスマッチングオイル２０２の充填されたセル２０８に浸漬される。セル２０８は、石英などのチューブ２０３とキャップ２０４とから構成され、光ファイバ２０１は、キャップ２０４に固定されてチューブ２０３内に位置することになる。この実施例もまた、光ファイバの一端を保持するジグ２０５を備え、モータ部２０７がジグ２０５を回転させることによって測定する光ファイバ２０１が回転するようになっている。この時、セル２０８は光ファイバの回転とは無関係に固定されている。
【００４５】
　図６は、本発明に係る光ファイバの残留応力測定装置の回転式測定部の第３実施例を示す図であり、本発明の第３実施例による回転式測定部３００は、第１実施例と同様に、光ファイバ固定部３１０とモータ部３２０とから構成される。但し、第１実施例は、光ファイバの一端をジグで保持して回転させながら残留応力を測定する構成としたが、本実施例は、光ファイバの両端をジグで保持して回転させる構成とすることによって、光ファイバの偏心やフォーカシングエラーを防止し、正確な回転制御を可能にしている
【００４６】
　このため、光ファイバ固定部３１０は、図６に示すように、光ファイバ３０２がその間に介在するスライドガラス３０１とカバーガラス３０３の他、光ファイバの両端を保持しうる１対のジグ３０４を備える。またモータ部３２０は、その両側のジグ３０４を同時に回転させるために、１対のプーリ３０５とベルト３０６、軸受３０７及び回転軸３０８で構成された駆動部をさらに備える。この実施例においても、スライドガラス３０１とカバーガラス３０３との間にインデックスマッチングオイルが塗布される。また何れの実施例においても、光ファイバ回転の際、光ファイバに応力が付加されない程度にインデックスマッチングオイルの粘度が高くなくてはならない。
【００４７】
　本発明の詳細な説明では具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が当該技術分野における通常の知識を持つ者により可能なのは明らかである。したがって、本発明の範囲は、説明された実施例に限定されることはなく、特許請求の範囲のほか、この特許請求の範囲と均等なものによって定められなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来の光ファイバの残留応力を測定する装置の概略的構成図。
【図２】光の経路に従う位相変化を示す図。
【図３】本発明に係る光ファイバの残留応力測定装置の実施例の構成を示す図。
【図４】本発明に係る光ファイバの残留応力測定装置の回転式測定部の第１例示図。
【図５】本発明に係る光ファイバの残留応力測定装置の回転式測定部の第２例示図。
【図６】本発明に係る光ファイバの残留応力測定装置の回転式測定部の第３例示図。
【符号の説明】
【００４９】
１　光
１０　光源
２０、４０　反射鏡
３０　レンズ系
３１　ビーム拡散器
３２　レンズ
３３　絞り
５０　偏光系
５１　偏光器
５２　波長板
５３　集光器
７０　光検出系
７１　対物レンズ
７２　偏光分析器
７３　感知器
１００、２００、３００　回転式測定部
１０１、３０１　スライドガラス
１０３、３０３　カバーガラス
１０２、２０１、３０２　光ファイバ
１０４、２０５、３０４　ジグ
１０５、２０６、３１０　光ファイバ固定部
１０６、２０７、３２０　モータ部
２０２　インデックスマッチングオイル
２０３　チューブ
２０４　キャップ
２０８　セル
３０５　プーリ
３０６　ベルト
３０７　軸受
３０８　回転軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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