(57)【要約】いくつかの実施形態によれば、円筒状表面を有する圧密化ガラス体の屈折率プロファイルを測定する方法は、（ａ）スリットの像をガラス体の後方に形成するステップ、（ｂ）試験ガラス体または基準ガラス体の円筒状表面を随意的にプレスキャンし、さらに固定窓内のデータを分析して、ゼロ次の非回折光ビームの可能性のある位置を、他の回折ビームを無視しながら判定するステップ、（ｃ）分析を向上させるために、光パワーを随意的に調整して、固定窓内のデータの強度を向上させるステップ、（ｄ）母材を通るゼロ次ビームの軌道を、円筒状表面に当たる光のサンプリング位置ｘi（入射位置）とゼロ次ビームが検出器上で当たる位置とに基づいて、予測するステップ、（ｅ）ゼロ次ビームの見積位置と調整された光パワーとを用いて、浮動窓の中心と夫々の測定点でのビームパワーとを設定しながら、ガラス体の円筒状表面を測定するステップ、（ｅ）サンプリング位置の夫々で、浮動窓内の出射ゼロ次ビームの偏角を判定するステップ、（ｅ）測定されたビームの偏角関数に基づいて各位置での屈折率を判定する、変形関数を利用することによって、ガラス体の屈折率プロファイルを計算するステップを含む。
2018500542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状表面を有する圧密化ガラス体の屈折率プロファイルを測定する方法において、
ａ．開口から発する光ビームを用いて前記圧密化ガラス体の前記円筒状表面を、前記開口の像が前記圧密化ガラス体の下流において前記圧密化ガラス体と少なくとも１つの光検出器との間で形成されるように、走査し、さらに前記光ビームで前記円筒状表面を、複数のサンプリング位置ｘiでサンプリングするステップ、
ｂ．前記サンプリング位置ｘiに対応するゼロ次光ビームが前記圧密化ガラス体を通過した後に前記少なくとも１つの光検出器上で当たる位置を、検出するステップ、
ｃ．前記複数のサンプリング位置ｘiに対応する前記ゼロ次ビームの、偏角を判定するステップ、
ｄ．前記複数のサンプリング位置に対応する前記ゼロ次光ビームの前記偏角に基づいて、前記圧密化ガラス体の屈折率プロファイルを計算するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記圧密化ガラス体を通る前記ゼロ次光ビームの軌道を、（ｉ）前記圧密化ガラス体の前記円筒状表面に当たる前記光ビームの前記サンプリング位置ｘi、および（ｉｉ）対応する前記ゼロ次ビームが前記少なくとも１つの光検出器上で当たる位置、に基づいて予測するステップ、をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記圧密化ガラス体の前記屈折率プロファイルを計算するステップが、あるサンプリング位置ｘiに対応する前記ゼロ次光ビームの前記偏角と、それより前のサンプリング位置に対応する前記ゼロ次光ビームの前記偏角とに基づいて前記圧密化ガラス体内の複数の位置での屈折率を判定する、変形関数を利用することによって行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記開口の像が幅ｗを有し、このとき前記圧密化ガラス体の前記円筒状表面に亘る測定サンプリング間隔Δｘがｗ以下であり、さらに、
ｘi＝ｘi-1＋Δｘである前記走査の前記サンプリング位置ｘiの夫々に対し、前記圧密化ガラス体を通る前記ゼロ次ビームの軌道を、前記円筒状表面に当たる前記光ビームの前記サンプリング位置ｘiと前記ゼロ次ビームが前記少なくとも１つの光検出器上で当たると予想される位置とに基づいて、予測し、さらに、
最終的な解析データから、前記検出器によって検出された、より高次の回折ビームおよび／または小角度の回折ビームに対するものを、破棄することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
円筒状表面を有する光ファイバ母材の屈折率プロファイルを測定する方法において、
ａ．スリットであって、該スリットの像が前記光母材の後方で形成されるように照射されるスリットを用いて、前記光ファイバ母材の前記円筒状表面の、ｘi＝ｘi-1＋Δｘとなるように距離Δｘだけ離れている複数のサンプリング位置ｘiを、走査するステップであって、前記スリットの像が幅ｗを有し、かつΔｘ＜ｗである、ステップ、
ｂ．前記サンプリング位置ｘi＝ｘi-1＋Δｘの夫々に対し、前記母材を通るゼロ次ビームの軌道を、前記光母材の前記円筒状表面に当たる光ビームの前記サンプリング位置ｘiと前記ゼロ次ビームが少なくとも１つの光検出器上で当たると予想される位置とに基づいて、予測するステップ、
ｃ．前記サンプリング位置ｘiに対応する出射ゼロ次ビームが前記少なくとも１つの光検出器上で当たる位置を、検出し、さらに前記サンプリング位置ｘiの夫々に対して前記少なくとも１つの光検出器により検出された、より高次の回折ビームと小角度の回折ビームとに関するデータを破棄するステップ、
ｄ．前記走査の前記サンプリング位置ｘiの夫々に対応する、前記出射ゼロ次ビームの偏角を判定するステップ、
ｅ．前記サンプリング位置ｘi夫々での屈折率を、該位置ｘiと、ｘiに隣接しているが前記母材の中心からの距離がより大きい他の走査されたサンプリング位置とに対応するビームの偏角に基づいて判定する、変形関数を利用することによって、前記母材の屈折率プロファイルを計算するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
中心軸と円筒状表面とを有する光母材の屈折率プロファイルを測定する方法において、
ａ．前記光母材の前記円筒状表面を通して、前記母材の前記軸に対し１０°から８０°の間の角度で配向された照射されたスリットの像を、該スリットの像が前記光母材の後方に形成されるように、光学的に投影するステップ、
ｂ．前記照射されたスリットの像を、該照射されたスリットの像が前記光母材の後方で形成された位置で、検出するステップ、
ｃ．前記照射されたスリットが前記光母材の全幅を通って投影されるように、前記スリットが構成されている、ステップ、
ｄ．検出された前記像を処理して、前記光母材の前記全幅に亘ってゼロ次ビームの位置を判定するステップ、
ｅ．検出された前記像において、サンプリング位置ｘiの夫々に対応する前記ゼロ次ビームの偏角を判定するステップ、
ｆ．前記光母材から出射する前記ゼロ次ビームの前記偏角に基づいて屈折率を判定する、変形関数を利用することによって、前記母材の前記屈折率プロファイルを計算するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記走査が、幅ｗのスリット像およびサンプリング間隔Δｘで、ｗ／８≦Δｘ≦ｗ／２となるように行われることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の方法。
【請求項８】
Ｉ．前記開口の長さが１００μｍから２５ｍｍの間であり、さらに前記開口が、前記母材の軸の方向ｚに沿ってテーパした、５０μｍ≦ｗ´≦２００μｍである幅ｗ´（ｚ）を有し、かつ前記開口の像が幅ｗ（ｚ）を有し、さらに、前記複数のサンプリング位置ｘi間のサンプリング間隔Δｘが、（最小開口幅の１／８）≦Δｘ≦（最小開口幅の１／２）となるようなものである、または、
ＩＩ．前記開口の像の幅ｗが５０μｍ＜ｗ＜２００μｍでありかつ連続したサンプリング位置ｘiが距離Δｘだけ隔てられ、Δｘ＜ｗ／２であり、および／または、前記光源によって提供される前記光パワーが前記サンプリング位置ｘiの夫々で動的に調整される、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記光源が、０．４μｍ≦λ≦２μｍである波長λを有する近赤外（ＮＩＲ）または可視光で動作し、さらに前記光源が、コヒーレンス長０．００１ｍｍ≦ｌ≦１０ｃｍの低コヒーレンスを有するものであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
（ｉ）前記母材が、前記母材内の半径方向位置ｒで、またはｒに隣接する位置で、１から１５μｍの脈理間隔ｄを有する圧密化ガラス母材であり、このとき１／３≦ｒ／ａ≦２／３でありかつａが前記母材の外半径であり、さらに、前記圧密化ガラス母材がＧｅドープシリカを含むことを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、その内容が引用され、その全体が参照することにより本書に組み込まれる、２０１４年１０月３１日に出願された米国仮特許出願第６２／０７３，３６９号の優先権の利益を米国特許法第１１９条の下で主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、一般に円筒状ガラス体の屈折率プロファイル測定に関し、より具体的には、屈折率脈理、すなわち屈折率が急速に変化する多数のガラス薄層を含む、円筒状ガラス体の屈折率プロファイルの精密測定に関する。
【背景技術】
【０００３】
円筒状ガラス体を通過する光ビームは、薄いガラス層により屈折率の脈理に起因して複数の回折次数へと回折され得る。これは既存の屈折率測定技術の確度および精度に悪影響を与えるものであり、あるいは屈折率プロファイルの測定を不可能な状態にさえすることがある。
【０００４】
本書で引用されるいずれの参照も、従来技術を構成すると承認されたものではない。本出願人は、引用されたいずれの文献の正確さおよび適切性にも、意義を申し立てる権利を明確に有する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
少なくともいくつかの実施形態によれば、円筒状表面を有する圧密化ガラス体の屈折率プロファイルを測定する方法であって、この方法は、
ａ．開口から発する光ビームを用いて圧密化ガラス体の円筒状表面を、開口の像が圧密化ガラス体の下流において圧密化ガラス体と少なくとも１つの光検出器との間で形成されるように、走査し、さらに光ビームで円筒状表面を、複数のサンプリング位置ｘiでサンプリングするステップ、
ｂ．サンプリング位置ｘiに対応するゼロ次光ビームが圧密化ガラス体を通過した後に少なくとも１つの光検出器上で当たる位置を、検出するステップ、
ｃ．複数のサンプリング位置ｘiに対応する（圧密化ガラス体から出射した）ゼロ次ビームの、偏角を判定するステップ、
ｄ．複数のサンプリング位置に対応するゼロ次光ビームの偏角に基づいて、圧密化ガラス体の屈折率プロファイルを計算するステップ、
を含む。
【０００６】
いくつかの実施形態によれば、この方法は、圧密化ガラス体を通るゼロ次光ビームの軌道を、（ｉ）圧密化ガラス体の円筒状表面に当たる光ビームのサンプリング位置（入射位置）ｘi、および（ｉｉ）対応するゼロ次ビームが少なくとも１つの光検出器上で当たる位置、に基づいて予測するステップをさらに含む。
【０００７】
いくつかの実施形態によれば、圧密化ガラス体の屈折率プロファイルを計算するステップは、あるサンプリング位置ｘiに対応するゼロ次光ビームの偏角とそれより前のサンプリング位置に対応するゼロ次光ビームの偏角とに基づいて圧密化ガラス体内の複数の位置での屈折率を判定する、変形関数を利用することによって行われる。
【０００８】
いくつかの実施形態によれば、開口の像は幅ｗを有し、このとき圧密化ガラス体の円筒状表面に亘る測定サンプリング間隔Δｘはｗ以下であり、この方法はさらに、ｘi＝ｘi-1＋Δｘである走査のサンプリング位置ｘiの夫々に対し、圧密化ガラス体を通るゼロ次ビームの軌道を、円筒状表面に当たる光ビームのサンプリング位置ｘiとゼロ次ビームが少なくとも１つの光検出器上で当たると予想される位置とに基づいて、予測するステップ、および、最終的な解析データから、検出器によって検出されたより高次の回折ビームに対するものを破棄するステップを含む。
【０００９】
いくつかの実施形態によれば、開口の像は幅ｗを有し、このとき圧密化ガラス体の円筒状表面に亘る測定サンプリング間隔Δｘはｗ以下であり、この方法はさらに、ｘi＝ｘi-1＋Δｘである走査のサンプリング位置ｘiの夫々に対し、圧密化ガラス体を通るゼロ次ビームの軌道を、円筒状表面に当たる光ビームのサンプリング位置ｘiとゼロ次ビームが少なくとも１つの光検出器上で当たると予想される位置とに基づいて、予測するステップ、および、最終的な解析データから、検出器によって検出された小角度の回折ビームに対するものを破棄するステップを含む。
【００１０】
少なくともいくつかの実施形態によれば、光ファイバ母材の屈折率プロファイルを測定する方法であって、この方法は、
ａ．スリットであって、このスリットの像が光母材の後方で形成されるように照射されるスリットを用いて、光ファイバ母材の円筒状表面の、ｘi＝ｘi-1＋Δｘとなるように距離Δｘだけ離れている複数の走査（サンプリング）位置ｘiを、走査するステップであって、スリットの像が幅ｗを有し、かつΔｘ＜ｗである、ステップ、
ｂ．サンプリング位置ｘi＝ｘi-1＋Δｘの夫々に対し、母材を通るゼロ次ビームの軌道を、光母材の円筒状表面に当たる光ビームのサンプリング位置ｘiとゼロ次ビームが少なくとも１つの光検出器上で当たると予想される位置とに基づいて、予測するステップ、
ｃ．サンプリング位置ｘiに対応する出射ゼロ次ビームが、少なくとも１つの光検出器上で当たる位置を検出し、さらにサンプリング位置ｘiの夫々に対して少なくとも１つの光検出器により検出された、より高次の回折ビームと小角度の回折ビームとに関するデータを破棄するステップ、
ｄ．走査のサンプリング位置ｘiの夫々に対応する、出射ゼロ次ビームの偏角を判定するステップ、
ｅ．サンプリング位置ｘi夫々での屈折率を、その位置ｘiとｘiに隣接しているが母材の中心からの距離がより大きい他の走査されたサンプリング位置とに対応するビームの偏角に基づいて判定する、変形関数を利用することによって、母材の屈折率プロファイルを計算するステップ、
を含む。
【００１１】
一実施の形態によれば、軸と円筒状表面とを有する光母材の屈折率プロファイルを測定する方法であって、この方法は、
ａ．光母材の円筒状表面を通して、その母材の軸に対し１０°から８０°の間の角度で配向された照射されたスリットの像を、そのスリットの像が光母材の後方に形成されるように、光学的に投影するステップ、
ｂ．照射されたスリットの像を、この照射されたスリットの像が光母材の後方で形成された位置で、検出するステップ、
ｃ．照射されたスリットが光母材の全幅を通って投影されるように、スリットが構成されている、ステップ、
ｄ．検出された像を処理して、ゼロ次ビームの位置を判定するステップ、
ｅ．検出された像において、サンプリング位置ｘiの夫々に対応するゼロ次ビームの偏角を判定するステップ、
ｆ．偏角に基づいて屈折率を判定する変形関数を利用することによって、母材の屈折率プロファイルを計算するステップ、
を含む。
【発明の効果】
【００１２】
いくつかの実施形態によれば、偏向関数ベースの屈折率測定方法は、ＯＶＤ法による母材など圧密化ファイバ母材内に相当な脈理構造を含む場合の屈折率プロファイルの測定の、精度および能力に大きな改善をもたらす。
【００１３】
本発明の実施形態の利点の１つは、例えば光ファイバ母材の円筒状ガラス体の、正確な屈折率プロファイル測定を提供することであり、より具体的にはこれらの方法により、高帯域幅マルチモード光ファイバの作製に使用される母材の、屈折率プロファイルの精密測定が可能になることである。
【００１４】
本発明の実施形態の利点の１つは、例えば光ファイバ母材の円筒状ガラス体の正確な屈折率プロファイル測定を、走査ビームのエネルギーの大部分が脈理によって回折される場合でさえも提供することである。
【００１５】
本発明の実施形態の利点の１つは、例えば軸方向において均一（均質）な脈理構造を有する光ファイバ母材の円筒状ガラス体の、正確な屈折率プロファイル測定を提供することである。
【００１６】
さらなる特徴および利点は以下の詳細な説明の中に明記され、ある程度はその説明から当業者には容易に明らかになるであろうし、あるいは書かれた説明およびその請求項、並びに添付の図面において説明されたように実施形態を実施することにより認識されるであろう。
【００１７】
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、単なる例示であり、請求項の本質および特徴を理解するための概要または構成を提供することを意図したものであることを理解されたい。
【００１８】
添付の図面はさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれかつその一部を構成する。図面は１以上の実施形態を示し、そしてその説明とともに、種々の実施形態の原理および動作の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】ＯＶＤ法によって作製された例示的な光ファイバ母材の、計算による屈折率プロファイルを示した図
【図１Ｂ】光母材内の脈理を示している、図１Ａに示されている屈折率プロファイルの部分拡大図
【図２Ａ】光学的ＮＩＲ（近赤外波長）屈折率プロファイル測定システムの例示的な実施形態の概略図
【図２Ｂ】例示的なＮＩＲシステムでの両検出器に対する、母材および対物面の位置を示した拡大図
【図３Ａ】波長３．３９μｍで動作するように設計された光学的屈折率測定システムを使用したときの、光ファイバ母材の走査における全サンプリング位置ｘiでの積分強度プロファイルを示した等高線プロット
【図３Ｂ】波長３．３９μｍで動作するように設計された光学的屈折率測定システムを使用したときの、光ファイバ母材の走査における全サンプリング位置ｘiでの積分強度プロファイルを示した等高線プロット
【図３Ｃ】半径ｒ＝１／３ａ付近で捉えた図３Ａの断面に対応するデータを示した図
【図４Ａ】ＮＩＲ光ビームを利用したときの、カメラに当たる光の強度を示した図
【図４Ｂ】積分強度プロファイルを形成するために（スリット像の長軸および母材の軸に平行な）垂直画素の軸方向に沿って積分した後の、図４Ａからのカメラ画像データを示した図
【図５Ａ】０．９４０μｍのＮＩＲ波長で動作する測定システムの実施形態を使用したときの、厚いパスの母材の走査における全サンプリング位置ｘiでの積分強度プロファイルから成る等高線プロット
【図５Ｂ】例示的な厚いパスの母材に対し、０．９４０μｍの光源（実線）および３．３９μｍの光源（点線）を用いたときの、図５Ａ（ｒ／ａ＝１／２）の断面の位置に対応する検出器上の光の積分強度を示した図
【図６Ａ】ＯＶＤで薄いパスのプロセス（脈理の隔たりｄ＜１０μｍ）を利用して作製された例示的な母材上で、例示的なＮＩＲ測定システムの実施形態を用いて測定を実行したときに得られたデータを示した図
【図６Ｂ】薄いパスのプロセスに対応する母材に対し、中赤外測定システム（点線）およびＮＩＲ測定システム（実線）を使用したときの積分強度のデータを示した図
【図７】中赤外測定システム（上）およびＮＩＲ測定システム（下）を使用して薄いパスのプロセスに対して得られた、ゼロ次ビームの軸の偏角を示した図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
帯域幅は、ファイバの最大データ伝送能力の目安である。マルチモードファイバ（ＭＭＦ）の帯域幅は、光ファイバにおける屈折率プロファイルの変動に非常に敏感である。従ってファイバの屈折率プロファイルは、ファイバ製造の際に正確に制御されるべきである。ＭＭＦの製造時には、アップドープされたシリカスート（例えば、ＧｅＯ2ドープシリカスート）をファイバ母材上に堆積させる際に精密に積層させて、ファイバの屈折率プロファイルに可能な限り滑らかな勾配を作り出すことが望ましい。ＭＭＦの製造では、圧密化光ファイバ母材の屈折率プロファイルを正確に測定すること、また所望の屈折率プロファイルを有する母材のみを用いてファイバを線引きすることがさらに望ましい。さらに、無駄を最小限に抑えながら高品質のファイバ母材の生産率を最大にするべく、測定された屈折率プロファイルに関する情報を母材のスート積層プロセスにフィードバックしてもよい。これにより高品質の光ファイバの歩留まりを最大にすることができる。
【００２１】
円筒状圧密化ガラス体内の脈理のある構造、すなわち脈理は、屈折率が異なる複数のガラスの薄層である。圧密化光ファイバ母材は円筒状の圧密化ガラス体であり、これから光ファイバが線引きされる。ＯＶＤ（外付け蒸着）法によって作製される光ファイバ母材は、屈折率が異なる多数のガラスの薄層を含んでいる（異なる半径方向位置で異なる屈折率を有する）。ＯＶＤ法によって作製された圧密化光母材などの円筒状ガラス体を通過する光ビームは、この薄いガラス層により、屈折率の脈理に起因して複数の回折次数へと回折され得る。
【００２２】
圧密化ガラス内の屈折率変動の大きい振幅と、あるガラス（堆積）層から次の層へのこの屈折率変動の間隔との組合せで、特定の波長λの光ビームが例えばＯＶＤ法によって作製された光母材を通って伝播するときの、回折効果の存在および強度が決定される。ＯＶＤで製造された母材の脈理構造は、軸方向において実質的に均一（すなわち、母材の長さに沿って実質的に均質）であることに留意されたい。
【００２３】
例えば、前駆材料（例えば、シリカおよびＧｅ）をバーナーに供給し、このバーナーがスート母材の全長を移動して（通り過ぎて）、これまでに置かれたスート層上にガラススートを堆積させるようなやり方で以前のスート層上に高温のガラススートを薄層として堆積させると、光母材を生成することができる。しかしながらＧｅ／Ｓｉの堆積は各層内で不均一であり、圧密化ガラス母材内に（すなわちガラススート母材が十分に焼結された後に）異なる屈折率の薄い帯が生成される。従って、光母材を製造する複数パスのスート堆積プロセスは、典型的には、圧密化母材の断面全体に亘って屈折率の脈理を生じさせる。これは、例えば図１Ａおよび１Ｂに示されている。
【００２４】
より具体的には、脈理では、円筒状（圧密化）ガラス体の屈折率プロファイルが多くの局所的な最大値および最小値を有して、周期的な（または可変周期の）構造を形成する。図１Ａは、本実施形態では圧密化ガラス光ファイバ母材である円筒状ガラス体における屈折率変動を、母材の中心線からの半径方向位置の関数として示している。この例示的な光ファイバ母材はＯＶＤ法によって作製されたものであり、また屈折率プロファイルは、母材断面の組成分析においてＧｅＯ2の質量パーセントを測定して屈折率に関連付ける、破壊的マイクロプローブ測定技術によって取得した。図１Ｂは図１Ａの拡大した部分を描いたものであり、母材中心から半径方向に２〜３ｍｍの位置での屈折率変動を示している。図１Ｂにおいて屈折率変動は、純粋（すなわち非ドープ）シリカの屈折率に対する屈折率の差として描かれている。
【００２５】
圧密化ガラス母材（または類似の円筒状ガラス体）の屈折率プロファイルは、母材本体の圧密化ガラスに光ビームを通して走査し、母材から出射する屈折された光ビームの偏角を測定することによって判定することができる。しかしながら、圧密化ガラス母材（円筒状圧密化ガラス体）内の屈折率の脈理は、走査中に特定の横断するビームの開始位置で、偏角測定の確度および精度に影響を与え得る。これは、脈理が透過回折格子として機能するために起こる。すなわち、光母材を通る特定の光ビーム軌道に対し、光の波長は脈理の周期性と共鳴的に相互に作用し得、またこの相互作用の位相整合は、複数の強くまた弱く回折される異なる回折次数の光ビームにつながり得る。こういったビームの夫々は、母材を通る軌道に沿ってさらなる回折を受けることがあり、ビームは母材の断面を通り過ぎるとき、さらに様々な角度で脈理に直面する。最終結果として、多くの回折された光ビームが２以上の角度で母材から出射し得る。こういった回折された光ビームが生成されることがあり、単に屈折された非回折ビーム（ゼロ次ビーム）に加えて母材から出射し得る。いくつかの事例では、入射ビームにおける略全ての光パワーがより高次のビームへと回折されて、ゼロ次ビームの検出を困難にする。他の事例では（非回折ビームの角度に対する）回折ビームの角度が非常に小さいため、これらの回折ビームは検出器にゼロ次ビームとほとんど同じ位置で当たり、この回折ビームの有限幅がゼロ次ビームと重なり合う。従ってこれらの回折効果は、ゼロ次ビームの軸の判定される偏角のエラーにつながり得る。ゼロ次ビームが検出器に対して弱くなり過ぎて検出できない場合、偏角の判定を不可能な状態にすることもあり得る。こういった不確かさのために、一般的に利用されている屈折率測定システムを用いて得られた、測定された偏向関数データから、いくつかの母材の屈折率プロファイル全体を正確に構成することは非常に困難になり得ることを我々は見出した。
【００２６】
以下は、光母材の屈折率を測定するために利用される、測定される屈折率プロファイルの確度を向上させる光学系１００および方法の実施形態である。本書で説明される実施形態は、屈折率の脈理を有する光母材および他の円筒状体の、非侵襲的屈折率プロファイル測定のためにゼロ次ビームの光ビーム偏向関数を利用する。いくつかの例示的な実施形態によれば、この方法および光学系は可視波長光源を利用する。他の例示的な実施形態によれば、この方法および光学系は、インコヒーレントあるいは低コヒーレンスの近赤外（例えばλ＜２μｍ、またはλ＜１μｍ、例えば０．７８μｍから２μｍ、または０．７８μｍから１μｍなど）光源を利用し、脈理に起因する近赤外ビームの回折効果を十分に軽減して、より高い精度でゼロ次ビームの偏向関数を測定することができる。
【００２７】
光母材などの円筒状ガラス体の屈折率プロファイルを特徴付ける１つの方法は、ビーム偏向関数測定技術に基づくものである。この方法は、非回折光ビーム（本書ではゼロ次ビームとも称される）が母材の軸を横切る方向に円筒状体（例えば、圧密化光母材４１４）を通って伝播した後に、非回折光ビームの全偏角を測定または判定するものである。この偏角は、光ビーム４１３または母材４１４を、光母材の中心軸をさらに横切る方向に並進させてビームを母材の円筒状表面に亘って走査させるときに、複数の開始位置ｘi（本書では、ビーム入射位置、入射位置、走査位置、オフセット位置、またはサンプリング位置ｘiとも称される）で得られる。すなわち入射光ビームは、ガラス母材の円筒状表面に亘って走査し、母材の本体を通って屈折し、さらに異なるサンプリング位置ｘiに対応する異なる偏角で母材から出射する。本書で説明される実施形態において、並進はｘ軸に沿ったものであり、また母材に亘る入射走査ビームの位置（サンプリング位置ｘi）の増分量はΔｘである。累積された一連の偏角の測定値によって、横断するビームの開始位置に対する（すなわちｘi＝ｘi-1＋Δｘのサンプリング位置ｘiに対する）、母材から出射する非回折光ビームの偏角関数が生み出され、これを数学的変形、例えば本書ではアーベル変形（方程式（１））とも称されるアーベルの変形法を用いて、屈折率プロファイルに変形することができる。
【００２８】
【数１】
2018500542.tif 000003
【００２９】
ここで、ａは母材の外半径、ｎ（ａ）は圧密化光母材を包囲している媒体の屈折率、ｒ（ｘ）は母材の軸までの最接近距離、さらにθ（ｔ）は、オフセット位置ｔで測定された偏角であり、ｔはｘからａまで及ぶ積分変数である。特定の内側の半径方向位置ｘでの圧密化光母材の屈折率に対する測定値は、その点と母材の外半径ａとの間の測定された偏角に依存するため、その点での偏角の測定で起こる任意のエラーは、その点と母材の軸との間の残りの屈折率測定の確度にも影響を与える。屈折が弱い典型的な光ファイバ母材では、近似ｒ（ｘ）≒ｘ（ここでｘは、母材の軸に対する、母材に当たる光ビームのずれの位置である）が有効である。
【００３０】
図２Ａは、走査光ビーム４１３を利用して圧密化円筒状ガラス体、例えば光母材４１４の屈折率プロファイルを測定する、屈折率測定システム１００の１つの例示的な実施形態の概略図である。光ビーム４１３は圧密化ガラス体の円筒状表面に亘って走査し、距離Δｘだけ離れている複数の既定位置ｘiでこの表面に当たる。例えば本書で説明される少なくともいくつかの例示的な実施形態において、走査光ビームの中心は位置ｘiでガラス表面に入射する。（距離Δｘは走査に亘って一定でもよいし、あるいは母材の表面上のビームの位置次第で変化してもよいことに留意されたい。）ガラス（例えば母材４１４の本体）を通って伝播した後、光ビーム４１３はゼロ次ビームと回折されたより高次のビーム部分とを形成する。円筒状ガラス体（光母材など）から出射した（サンプリング位置ｘiに対応する）ゼロ次光ビームが光検出器（４２０および／または４２２、例えばカメラ）上で当たる位置を検出または判定し、次いで複数のサンプリング位置ｘiに対応するこれらの出射ゼロ次ビームの偏角を判定する。次いで、複数のサンプリング位置ｘiに対応するゼロ次光ビームのその測定された偏角に基づいて、圧密化ガラス体内の複数の位置での屈折率を判定することによって圧密化ガラス体の屈折率プロファイルを計算する。
【００３１】
いくつかの実施形態において、光学系１００はＮＩＲ（近赤外）システムである（すなわち走査光ビームの波長は、０．７から２μｍの間（例えば、０．７０５μｍ、０．７３μｍ、０．７８５μｍ、０．８５３μｍ、０．９４μｍ、０．９８μｍ、１．０６４μｍ、１．３１μｍ、１．５５μｍ、１．６５μｍ、またはそれらの間）である）。これらの波長で動作するレーザダイオード光源は、例えばニュージャージー州ニュートン所在のソーラボ社（Thorlabs, Inc）から市販されている。他の波長、例えば可視光（０．４μｍから０．７μｍ）または中赤外を利用してもよい。例えば光源は、ＮＩＲまたは可視波長で動作するものでもよく、このとき光源の波長は０．４μｍ≦λ≦２μｍである。また光源は、コヒーレンス長ＣＬが０．００１ｍｍ≦ＣＬ≦１０ｃｍ、例えば０．１ｍｍ≦ＣＬ≦１０ｃｍ、または１ｍｍ≦ＣＬ≦１ｃｍの、低コヒーレンスなものでもよい。このような低コヒーレンスは、屈折率測定システム１００の測定の確度を都合よく向上させることができる。
【００３２】
図２Ｂは、図２Ａに示されている実施形態における各検出器に対する、圧密化光母材４１４および対物面の位置の拡大図である。図２Ａおよび２Ｂに示されているように、この例示的な実施形態の光学系１００は、レンズ４０４と共に開口４０６に対して実質的にコリメートされた光ビームを提供して開口を照射する、光源４０２を備えている。本実施形態によれば、開口４０６の像は、（この開口の像を１以上の検出器４２０、４２２上に再結像させるレンズ４２４、４２６によって形成される）検出器の対物面４１０ａおよび／または４１０ｂに隣接した、対物面４１０またはこの付近で形成される。従って、光学系１００は開口の像を１以上の検出器４２０、４２２上に形成する。この実施形態においてレンズ４２４、４２６は、開口４０６の像が検出器上に形成されるように、互いに協働して再結像機能を実現する。母材（または類似の円筒状ガラス体）の屈折率プロファイルを判定するために、検出器上で非回折（ゼロ次）ビームによって提供される情報を使用して、出射した非回折ビームの偏角θ（ｘi）を計算する。１つの検出器が利用される場合、開口４０６の像は、この開口の像を検出器４２０上に再結像させるレンズの対物面４１０でもある、平面４１０付近で形成される。複数の検出器が利用される場合、開口４０６の像は、この開口の像を検出器４２０、４２２のアクティブ表面上に再結像させる、または中継する、レンズの対物面４１０ａまたは４１０ｂに隣接して、あるいは結像平面４１０付近で、形成され得る。図２Ａおよび２Ｂに示されている例示的な実施形態において、光源４０２は、０．３ｍｍ×０．３ｍｍの面積から中心波長９４０ｎｍで光を放出する、スペクトル幅４０ｎｍの正方形ＬＥＤ４０２´であり、すなわち中心が９４０ｎｍで９２０ｎｍから９６０ｎｍの波長範囲の照明を提供する（図２Ａ）。この実施形態において、ＬＥＤ４０２´からの発光角度は、ＦＷＨＭ強度レベルで１２０°である。この実施形態において、レンズ４０４の焦点距離は５０ｍｍである。レンズ４０４はこの光をコリメートして、本実施形態では幅１００μｍ×高さ（長さ）２５．４ｍｍのクロム・オン・ガラススリット４０６´である、開口４０６へとこの光を提供する。しかしながらスリットまたは開口は他の寸法を有するものでもよく、例えばスリットは１００μｍほどの短いものでもよい（例えばスリットの寸法は１００μｍ×１００μｍでもよい）。使用可能な最大の開口高さ、すなわちスリットから発する光の使用可能な最大長さは、検出器のアクティブ表面上に投影されるスリットの像の高さによって決定される。この実施形態においてスリット４０６´の照射される長さは、その像の高さ（およそ２５．４ｍｍ）が、およそ６．６ｍｍの高さの検出器のアクティブエリアの高さを大幅に上回るように意図的に設定される。これは、スリットの長さの中心エリアからの最も強い光のみを使用するために成される。
【００３３】
他の代わりの開口形状も利用可能である。スリットは、固定幅の空隙開口を有する物理的に光を遮断する構造も可能であるし、あるいは電子制御または手動の機械的手段によって変化させることができる、制御可能な幅を有するスリットでもよい。母材の軸に沿って単一の走査で複数の偏向関数を測定する目的で、上述したものなどの長いスリットを利用してもよいし、あるいは代わりに複数スリットの間にビームブロックを設けて一列に積み重ねたものを利用してもよい。
【００３４】
別の例示的な実施形態は、一方の端部で狭くかつ他方の端部で広くなっている、テーパしたスリットを利用するものである。これは、検出器で結果として得られるスリットの像が断面化されて区分的に分析され、スリットのエッジからの光パワーと回折との間で最も妥協できる像の一部を選択し得るであろうことから、検出器でのゼロ次ビームの検出および／または分解能の向上に有利な効果を提供するであろう。（検出器での光パワーを妥協することなく、またスリットによるエッジの回折を生じさせることなく、スリット幅を可能な限り小さくすることが望ましい。テーパした幅を有する開口またはスリットの、その幅の少なくとも一部は、そのエッジからの回折を最小限に抑えながら十分な光パワーを検出器に届かせることを可能にする十分な幅を有している。）単一のスリット４０６´がこのようなテーパした幅を有している場合には、ソフトウェアが像の小区分を分析することで、たった一回の走査を実行している間に母材の軸に沿った複数の点からデータを集めることが可能になるであろう。複数のスリットの積層体の場合、各スリットは異なる幅を有することも可能であり、このとき一般に幅は５０μｍから２００μｍの間で変化する。これは、スリットのエッジからの回折効果（ビームの発散を生じさせる）を最小限に抑える必要性と、母材内で可能な限り小さい空間的分解能を得るために狭ビームで測定したいという要求とのバランスを取ったものである。
【００３５】
例えば、テーパした幅を有する開口またはスリットの長さは１００μｍから２５ｍｍの間でもよく、また幅ｗ´（ｚ）は５０μｍ≦ｗ´≦２００μｍとなるように狭いものから広いものへと変化するものでもよい。例えばスリットの幅は、５０μｍの最小幅ｗ´から２００μｍの最大幅ｗ´へと徐々に増加するものでもよい。さらに例えばスリットの幅は、７５μｍの最小幅ｗ´から１５０μｍの最大幅ｗ´へと徐々に増加するものでもよい。
【００３６】
図２Ａおよび２Ｂに示されている実施形態における単一のスリット４０６´は、スリットの長軸が母材の軸に平行な状態で、コリメートされたビームにその中心が置かれており、また幅ｗ´（本実施形態では１００μｍ）を有している。光源、例えばＬＥＤ４０２´とレンズ４０４は、実質的にコリメートされた光ビームの発散角がスリット４０６´のエッジで生成される回折から生じる回折角よりも小さくなるように、選択されたものである。
【００３７】
図２Ａに示されているように本実施形態では、夫々有効長が１００ｍｍである２つのレンズ４０８が４ｆ系を形成し、これが、照射されたスリット４０６´の像を結像平面４１０上へとテレセントリックに中継する。より具体的には、図２Ａは、本実施形態においてスリットの像は光母材の内側に位置していないことを示している。開口４０６の像は、圧密化ガラス体（例えば母材４１４）の下流で、圧密化ガラス体と少なくとも１つの光検出器との間で形成される。スリットの像は幅ｗを有する。光学系１００のフットプリントを減少させるために、ミラー４１２を使用して光路を折り返す。光学系および圧密化光母材４１４を、光ビーム（走査光ビーム）が母材４１４の表面に亘って移動するように、互いに対して（例えば図２Ａに点線矢印で示されているように左右へと）移動させる。
【００３８】
この実施形態において、試験を受ける母材４１４は、空洞を有する測定セル４１６の内側に据え付けられており、セルと母材との間は屈折率整合オイル４１８で満たされている。このオイルの一例は、ニュージャージー州シーダー・グローブ（Cedar Grove）所在のCargille Laboratoriesによって供給されているものなど、シリカセルおよび母材に近い屈折率を有する液浸オイルとすることもできる。本実施形態の母材４１４は、１から１５μｍの範囲の平均脈理周期ｄ（または間隔ｄ）で構成されている（例えば、圧密化ガラスの層厚さが１から１５μｍ）。この脈理周期（間隔ｄ）は、パス毎の積層厚さを制御することによって達成することができ、これは、測定システムがゼロ次ビームの偏角を回折効果にかかわらず許容できるエラー限界内で測定するのを助けるように選択される。この脈理間隔ｄは、母材内の半径方向位置ｒあるいはこれに隣接する位置で測定され、このときｒは、母材の外半径ａに対し、１／３≦ｒ／ａ≦２／３、好適にはｒ／ａ＝１／２となる位置である。
【００３９】
この実施形態において測定セル４１６は、貫通するように開けられた円形孔４１６Ａを有する、溶融シリカから作製された正方形のプレートである。この孔の直径は母材４１４の直径よりも、わずかに数ミリメートルのみ大きい。光学的セルは平行な入口面と出口面とを有し、ビームが通過する全ての表面は光学的に研磨されている。
【００４０】
スリットの像が形成される平面４１０（結像面）は、母材を越え、さらに本実施形態ではセル４１６の孔よりも下流の場所に位置し、そのため母材を通過したビームの必然的な屈折は全て、ビームが結像面を横切る前に起こった。より具体的には、本実施形態において結像平面４１０は、孔の縁端をおよそ５ｍｍ越えた、セルの材料の内側に存在する。別の実施形態では測定セルを使用しないで、母材は屈折率整合オイルで充填されたチャンバ内に位置付けられる。その実施形態では、スリットの結像面の位置に対する要件は単に、母材を越えて（下流に）存在しているということである。
【００４１】
例示的な本実施形態では、スリットの結像平面４１０が物理的に溶融シリカセル内に存在しているため、その開口またはスリットの像を検出器４２０および４２２上へとさらに中継することが必要である。本実施形態において検出器４２０および４２２は、例えば１９３６×１４５８画素を有し個々の画素サイズが４．５４μｍである、近赤外波長（７００〜１０００ｎｍ）に対する応答に優れたカメラである。任意の検出方法による測定データの画素化の物理的な幅は、検出器でのゼロ次ビームの像の適切なサンプリングを確実にするために、十分に小さいものである必要があることを理解されたい。概して検出器の画素化は、検出平面（検出器面）でのゼロ次ビームの像の幅の１０分の１になるようにすることが望ましい。単一の検出器４２０または４２２が使用される場合には、偏角を計算するために、母材４１４または円筒状ガラス体の中心から結像平面４１０までの距離を正確に知ることが必要である（図２Ｂ）。
【００４２】
【数２】
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【００４３】
圧密化光母材（または他の円筒状ガラス体）は、その長さに沿って常に完全に真っ直ぐであるとは限らず、いくらか湾曲し得るため、母材の軸とスリットまたは開口４０６の結像面との間の距離は、母材（または別の円筒状ガラス体）がセル４１６内に挿入されるたびに変化し得る。精密位置決めシステムを使用すると、母材の軸を、母材が挿入されるたびに検出器から好ましい距離の位置に正確に設置することができる。この実施形態では、例えば２つの同一のＣＣＤカメラなど２つの同一の検出器を使用することによって、この問題は解決される。
【００４４】
この実施形態において、各カメラに対する中継レンズ系は２つのレンズを備え（図２Ａ）、一方のレンズ（レンズ４２４）の焦点距離は７５ｍｍであり、また他方のレンズ（レンズ４２６）の焦点距離は１５０ｍｍである。これらのレンズは、各カメラの検出平面（カメラ面、または検出器のアクティブ表面）の位置での開口（スリット）の像の、２：１の拡大を生み出すように位置付けられている。両方のカメラ（または検出器）でスリットの像を見ることができるように、ビームスプリッタ４２８が採用される。カメラの位置は、各カメラによって観察される対物面４１０ａ、４１０ｂの位置を分離させるように個々に調整される。この実施形態において、各カメラの対物面４１０ａおよび４１０ｂはセルの内側の異なる位置に存在する。母材に入射するビームの開口数は極小さく（開口４０６に当たる光はコリメートまたは略コリメートされたものであるため）、また光学系１００の被写界深度は非常に大きいため、スリットの像がいずれかのカメラの対物面に正確に位置付けられなくても、両方の検出器（カメラ）で観察されるスリットの像の歪みは極わずか（すなわち、取るに足りない程度）である。従って、両方の検出器（例えばカメラ４２０、４２２）でのゼロ次ビームの軸の位置（または重心）は、正確に判定することができる。カメラの結像面位置の差Ｄが分かると、ゼロ次ビームの偏角のより正確な判定が可能になる（例えば図２Ｂ参照）。
【００４５】
【数３】
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【００４６】
この例示的な実施形態において、２つのカメラの対物面間の距離は１ｍｍであるが、０ｍｍから５ｍｍの間の範囲のものでもよい。２つの検出器の対物面は、開口の結像面から０ｍｍから５ｍｍずれた位置にあり、かつ同じ位置にはないことが好ましい。これは、検出器の対物面の母材に対する距離が分からなくても、このことがゼロ次ビームの偏角を明確に測定する助けになるためである。
【００４７】
この実施形態では、散漫散乱からのスペックル干渉、およびゼロ次ビームと回折ビームとの間の干渉を、防ぐまたは最小限に抑えるために、低コヒーレンスのＬＥＤ光源が使用され、これが少なくともいくつかの実施形態において、測定の安定性および結果の確度を都合よく、また著しく向上させる。
【００４８】
上で論じたように、光ビームは狭いスリットを照射し、これがカメラセンサ（検出器４２０、４２２）上に結像される。本書で説明される方法の実施形態によれば、光学系１００はスリット４０６´などの開口４０６の像を円筒状圧密化ガラス体の後方に、例えば検出器の対物面４１０ａ、４１０ｂの位置またはこれに隣接する位置に形成し、従って光学系１００は、ガラス体から出射する光ビームの全てを、その最小サイズ（すなわち、最小の幅またはスポット径）へと集中させる（すなわち、焦点を合わせる）。これは、小角度の回折ビームを、検出器に当たるときにゼロ次ビームから分離させる助けになる。対照的に従来のシステムでは、光源の像は母材の軸の平面に位置することになり、従って従来のシステムにおいてゼロ次ビームおよび小角度の回折に関連する回折ビームはより幅広になり、本書で開示される光学系１００の実施形態よりも多くゼロ次ビームに重なり合うことになる。これは、従来の測定システムで回折ビームから非回折ビームを識別することをより困難にし、これが測定エラーの増加につながる。スリットの結像は、円筒状圧密化ガラス体（例えば母材）を通ったゼロ次ビームの伝送を、回折次数からよりよく区別する手法を提供する。
【００４９】
光学系１００の実施形態は、近赤外または可視波長の光源で使用すると、より薄いパス厚さと小さい脈理周期（または脈理の隔たり）ｄ≦１２μｍとを有する光母材の屈折率、特にｄ≦１０μｍの（従って、回折角がより小さい）光母材（および他の円筒状ガラス体）の屈折率を、従来のシステムで得ることができるものより正確に測定することができる。
【００５０】
少なくともいくつかの実施形態によれば、円筒状表面を有する圧密化ガラス体の屈折率プロファイルを測定する方法は、検出器でのゼロ次ビームのおおよその位置を判定する、プレスキャンステップ（本書ではプレスキャン段階とも称される）を利用する。測定のプレスキャン段階の際、いくつかの実施形態によれば、類似したサイズおよび屈折率プロファイルの母材または基準母材を、例えば約８０画素幅とされ得る固定ウィンドウイング法（図４Ｂの窓５０８参照）を用いて測定する。この窓の中心は、カメラの中央に置かれる。ゼロ次ビームはカメラまたは検出器に、この窓の範囲内で当たることが分かっているため、この窓の外側となる光ビームに起因する全てのデータは無視または破棄される。窓の最適な幅は、分析からの小角度および大角度の回折の排除のバランスを取ること、また確実にゼロ次ビームを除かないようにすることを主に重視して、試行錯誤しながら経験的に決定され得る。基準母材を利用する場合、各サンプリング位置ｘiに対応するゼロ次ビームの位置（例えば、ゼロ次ビームの軸の位置）を判定するためにこれを一回行い、次いでこのプレスキャンデータを他の同様に設計された母材に対して使用することができる。
【００５１】
プレスキャンが進行するとき、光源（例えばＬＥＤなど）の光パワーを変化させて、この窓内で例えば積分強度カウントの最大数を、検出器での画素飽和レベルのおよそ８０％で保つ。例えばこれは、検出器が２５５カウントで飽和するとしたら、積分強度データにおける水平画素当たり、およそ２００平均カウントになる。これは、強い回折がゼロ次ビームから光パワーのほとんどを取り除いてしまう場合でさえ、開口またはスリットの像を最もよく分解することを確実にし、さらにゼロ次ビームがカメラの画素深度を飽和させないことを確実にする。この実施形態では光源の（例えばＬＥＤの）駆動電流が、各オフセット測定位置（すなわち、各サンプリング位置ｘi）に対して、ゼロ次ビームの判定された中心軸と共に記録される。ゼロ次ビームの中心軸を判定する、ある例示的な方法は、窓内に存在しかつ最小閾値レベルを上回るデータのみを用いて、重心を計算するものである。この閾値レベルは、これを下回るデータを排除するように設定され、従って望ましくない小角度の回折５０４から低レベルの信号を排除する。名目上この閾値は、窓内の関連するピークカウントの最大値の５０％であり、この例では約１００カウントレベルになる。
【００５２】
測定走査段階の際（すなわち、例えば随意的なプレスキャン段階の後）には、その位置に対するＬＥＤまたは光源の駆動電流を読み込んで（ＬＥＤ）コントローラにセットし、ゼロ次ビームの光パワーを分析のための最適レベルに設定する。プレスキャン段階において見出されたビームの中心軸の位置を読み込み、あるいは別のやり方で計算し、さらにこれを使用して窓の中心位置を設定する。従って、測定走査では窓を浮動させることができ、これによりデータ分析用の窓の中にゼロ次ビームの中心を略集中させることを確実にする。この浮動窓による方法は、固定窓を用いて得られ得るものよりも正確な、ゼロ次ビームの中心軸測定につながる。測定走査の浮動窓は、プレスキャンの固定窓と同じ幅である必要はない。
【００５３】
プレスキャンステップの代替案は、偏向関数の全体形状に関する既存の知識を使用して、ゼロ次ビームの予想位置を判定するものである。これは、理論的手段によって判定された、あるいは測定される次の点の予想位置を判定するためにこれまでに測定された点に適合する予測曲線を用いて判定された、予想位置のアレイの形になり得る。
【００５４】
従って、円筒状表面を有する圧密化ガラス体（例えば、ＯＶＤ法によって作製された光母材）の屈折率プロファイルを測定する方法の例示的な実施形態は、
Ｉ．光源を用いて特定波長内の光を提供し、さらにこの光でスリットの像を、ガラス体の後方に形成するステップ、
ＩＩ．随意的なプレスキャンステップを利用するステップであって、（ａ）光源によって提供される光を利用して、試験ガラス体または基準ガラス体の円筒状表面を、光ビームでプレスキャンし、（ｂ）少なくとも１つの検出器上にスリットの像を形成し、さらに、この少なくとも１つの検出器上の固定窓内の（円筒状表面のプレスキャンの際に得られた）データを分析して、少なくとも１つの検出器上でゼロ次の非回折光ビームが当たる可能性のある位置を、他の回折ビームを無視しながら判定し、（ｃ）ゼロ次ビームを分解する能力および信号対ノイズ比を向上させるよう、（プレスキャンステップの際に）光源の光パワーを随意的に調整して、固定窓内のゼロ次ビームに対応する検出出力の強度を向上させることを含む、ステップ、
ＩＩＩ．母材を通るゼロ次ビームの軌道を、円筒状表面に当たる光の入射位置（すなわちサンプリング位置ｘi）とゼロ次ビームが検出器上で当たる位置とに基づいて、予測するステップ、
ＩＶ．ゼロ次ビームの予測位置を用いて浮動窓の中心をセットしかつ光パワーを各測定点（各サンプリング位置ｘi）に対応する予め決定された最適なレベルへと調整しながら、ガラス体に亘って走査するステップ、
Ｖ．各サンプリング位置ｘiで、浮動窓内の出射ゼロ次ビームの偏角を判定するステップ、および、
ＶＩ．測定された光学的（ゼロ次）ビームの偏角関数に基づいて各位置での屈折率を判定する変形関数を利用することによって、ガラス体の屈折率プロファイルを計算するステップ、
を含む。
【００５５】
従っていくつかの実施形態によれば、光源によって提供される光パワーは、例えばゼロ次ビームの強度を検出器で検出できるよう十分強く保ちながら、ゼロ次ビームが検出器の飽和に到達するのを回避するべく、各サンプリング位置ｘiで動的に調整される。例えば検出器での光強度は、２００ｎＷから２００ｍＷの間になるように調整され得る。
【００５６】
少なくともいくつかの実施形態によれば、円筒状表面を有する圧密化ガラス体の屈折率プロファイルを測定する方法は、
ａ．開口から発する光（光ビーム、本書では走査光ビームとも称される）を用いて圧密化ガラス体の円筒状表面を、開口の像が圧密化ガラス体の下流において圧密化ガラス体と少なくとも１つの光検出器との間で形成されるように、走査し、従って走査ビームで円筒状表面を、距離Δｘだけ隔てられた複数のサンプリング位置ｘiまたは走査位置ｘiで、サンプリングするステップ、
ｂ．サンプリング位置の夫々に対応するゼロ次光ビームが圧密化ガラス体を通過した後に光検出器上で当たる位置を、判定するステップ、
ｃ．圧密化ガラス体を通るゼロ次光ビームの軌道を、圧密化ガラス体の円筒状表面に当たる走査光ビームの入射位置ｘi（本書ではサンプリング位置とも称される）と、対応するゼロ次ビームが検出器上で当たる位置とに基づいて、予測するステップ、
ｄ．複数のサンプリング位置ｘiに対応する出射ゼロ次ビームの、偏角θ（ｘi）を判定するステップ、および、
ｅ．例えばあるサンプリング位置に対応するゼロ次光ビームの偏角とそれより前のサンプリング位置ｘiに対応するゼロ次光ビームの偏角θ（ｘi）とに基づいて圧密化ガラス体内の複数の位置での屈折率を判定する、変形関数を利用することによって、圧密化ガラス体の屈折率プロファイルを計算するステップ、
を含む。
【００５７】
いくつかの実施形態によれば、例えば円筒状表面を有する圧密化ガラス体の屈折率プロファイルを測定する方法は、
ａ．圧密化ガラス体の円筒状表面を、幅ｗ´を有する照射される開口に、入射する光ビームで、この開口の像が光母材の後方で形成されるように走査するステップであって、開口の像の幅がｗであり、さらに母材に亘る測定サンプリング間隔がΔｘであり、このとき光ビームが円筒状表面に亘って、ｘi＝ｘi-1＋ΔｘかつΔｘ≦ｗである複数の入射位置（サンプリング位置）ｘiで走査するステップ、
ｂ．走査のサンプリング位置ｘiの夫々に対し、母材を通るゼロ次ビームの軌道を、母材の円筒状表面に当たる（光ビームの）光の入射位置とゼロ次ビームが光検出器上で当たると予想される位置とに基づいて、予測するステップ、
ｃ．出射ゼロ次ビームが検出器上で当たる位置を検出し、好適には、サンプリング位置の夫々に対して検出器により検出され得る、任意のより高次の回折ビームを分析から破棄するステップ、
ｄ．走査のサンプリング位置ｘiの夫々に対応する、出射ゼロ次ビームの偏角を判定するステップ、および、
ｅ．サンプリング位置ｘi夫々での屈折率を、その位置ｘiと、ｘiに隣接しているが母材の中心からの距離がより大きい全ての測定された位置とに対応するビームの偏角に基づいて判定する、変形関数を利用することによって、母材の屈折率プロファイルを計算するステップ、
を含む。
【００５８】
いくつかの実施形態によれば、例えば円筒状表面を有する光母材の屈折率プロファイルを測定する方法は、
ａ．光母材の円筒状表面を、照射されたスリットで、スリットの像が光母材の後方で形成されるように走査するステップであって、スリットの像のサイズがｗであり、母材に亘る測定サンプリング間隔がΔｘであり、かつΔｘ＜ｗである、ステップ、
ｂ．走査のサンプリング位置ｘi＝ｘi-1＋Δｘの夫々に対し、母材を通るゼロ次ビームの軌道を、母材の円筒状表面に当たる（光ビームの）光の入射位置とゼロ次ビームが少なくとも１つの光検出器上で当たると予想される位置とに基づいて、予測するステップ、
ｃ．出射ゼロ次ビームが少なくとも１つの検出器上で当たる位置を検出し、サンプリング位置の夫々に対して少なくとも１つの検出器により検出され得る、任意のより高次の回折ビームを分析から破棄するステップ、
ｄ．走査のサンプリング位置ｘiの夫々に対応する、出射ゼロ次ビームの偏角を判定するステップ、
ｅ．サンプリング位置ｘi夫々での屈折率を、その位置ｘiと、ｘiに隣接しているが母材の中心からの距離がより大きい全ての測定された位置とに対応するゼロ次ビームの偏角に基づいて判定する、変形関数を利用することによって、母材の屈折率プロファイルを計算するステップ、
を含む。
【００５９】
例示的な実施形態によれば、走査での段階的なサイズΔｘ（距離Δｘ）は概して、スリット像の最小幅ｗの１／２から１／８の間になるように保たれる。これは、過剰な測定時間および追加費用を防ぎながら、母材に亘るサンプリング不足を回避するためのものである。
【００６０】
いくつかの実施形態において、変形関数はアーベル変形である。
【００６１】
サンプリング位置の数ｉは、例えば５００＜ｉ＜２０００でもよい。例えば、いくつかの実施形態では８００＜ｉ＜１５００である。
【００６２】
いくつかの実施形態において走査は、幅ｗのスリット像およびサンプリング間隔Δｘで、ｗ／８≦Δｘ≦ｗ／２となるように行われる。いくつかの実施形態において、スリットの長さは１００μｍから２５ｍｍの間であり、またその幅ｗは５０μｍから２００μｍであり、さらにサンプリング間隔Δｘはｗ／８≦Δｘ≦ｗ／２となるようなものである。
【００６３】
いくつかの実施形態において、スリットの長さは１００μｍから２５ｍｍであり、また母材の軸の方向ｚに沿って変動（変化）する幅ｗ´（ｚ）を有している。すなわちスリットは、例えば約５０μｍから約２００μｍまで変化して幅ｗ（ｚ）の像を形成する、テーパした幅を有している。走査におけるデータのサンプリング不足を避けるために、サンプリング間隔Δｘは、（最小スリット幅の１／８）≦Δｘ≦（最小スリット幅の１／２）となるようなものである。上述の例のように、スリット像の幅ｗは、５０μｍ＜ｗ＜２００μｍ、かつΔｘ＜ｗ／２でもよい。
【００６４】
いくつかの実施形態によれば、図２Ａおよび２Ｂに示されているものに類似した光学系１００を利用するが、圧密化母材の表面に亘る光ビームの走査は行われない。従って本実施形態は、光ビームと圧密化光母材とを互いに対して移動させる、移動台を利用しない。代わりにスリットの長さを、その長さを通って伝播する光ビームが光母材の全幅を同時にカバーすることができるように、選択する。本実施形態によれば、円筒状表面を有する光母材の屈折率プロファイルを測定する方法は、
ａ．光母材の円筒状表面を通して、その母材の軸に対し１０°から８０°の間の角度で配向された照射されたスリットの像を、スリットの像が光母材の後方に形成されるように、光学的に投影するステップであって、スリットが、スリットを通って伝播する光が母材全体の幅に広がるように、十分長いものである、ステップ、
ｂ．照射されたスリットの像を、この照射されたスリットの像が光母材の後方で形成された位置で、検出するステップ、
ｃ．スリットの像を、適切なソフトウェアを用いて分割し、その各部分を独立して分析するステップ、
ｄ．ゼロ次ビームの位置を判定するために、検出器に対するスリットの像を処理するステップ（および、好適にはその分析から、（ｉ）検出器上のスリットの像に存在し得る、任意のより高次の回折ビーム、および／または（ｉｉ）検出器上のスリットの像に存在し得る、小角度の回折ビーム、を破棄するステップ）、
ｅ．検出された像において、サンプリング位置ｘiの夫々に対応する（像の各部分に対応する）ゼロ次ビームの偏角を判定するステップ、
ｆ．光母材から出射するゼロ次ビームの偏角に基づいて屈折率を判定する、変形関数を利用することによって、母材の屈折率プロファイルを計算するステップ（例えば、像の各部分に対応する光母材からの出射ゼロ次ビームの偏角に基づいて屈折率を判定する、変形関数を利用することによって、母材の屈折率プロファイルを計算するステップ）、
を含む。
【００６５】
例えばいくつかの実施形態によれば、光ビームが約４５°の角度でファイバ母材に遮られるようにスリット４０６´を回転させ、これにより走査段階を必要とすることなく、様々な半径方向位置でビーム偏位情報を取り込むことが可能になる。角度配向は、スリットの長さ、配向角度、および画像の倍率に関して最適化したものである。この角度配向により、走査段階なしで、母材全体に対する偏向関数の取込みが可能になる。角度配向をさらに強化するために、例えば像に亘って強度および鮮明さを等しくするための、強度マスク（例えば、可変減衰の減光フィルタ）を追加してもよい。
【００６６】
上で論じたように脈理は、母材を通って伝播する光ビームの回折をもたらす。脈理周期（または脈理間の間隔）がｄであり、測定波長（すなわち、母材を通って伝播する光ビームの波長）がλである場合には、光ビームの一次回折角φ（母材に対し内側）は以下の方程式４で表現される。
【００６７】
【数４】
2018500542.tif 000006
【００６８】
例えば、ＯＶＤ法によって生成された母材の公称脈理間隔ｄ（または周期ｄ）は、半径方向位置ｒ／ａ＝１／２で約１４．１μｍとすることができる。可視または近赤外（ＮＩＲ）波長のビーム（０．９μｍ＜λ＜２μｍ）がこの光母材を通過する場合、脈理からの一次回折角は小さい（例えば、３．７°＜φ＜８．２°）。このような母材を従来の遠視野測定構成系においてＮＩＲビームで測定した場合には、拡大する回折ビームが拡大するゼロ次の非回折ビームと検出器で重なり合って、ゼロ次ビームの偏角の測定を不正確なものとしてしまうことがある。
【００６９】
小角度の回折は、非回折ビームの付近またはこれに隣接して、一次回折よりも小さい回折角、例えば非回折ビームに対して３°未満で（またしばしば、または２°未満、または１°未満の角度で）起こる回折である。脈理の周期または間隔ｄが減少すると、小角度の回折の回折角はさらに増加し、小角度の回折によって生成された回折ビームとゼロ次ビームとの重なり合いはさらに減少する。従って、脈理の周期を減少させる、または間隔ｄをより小さくすると、測定されるゼロ次ビームの偏角関数の確度を、従って測定によって得られる屈折率プロファイルの確度を、都合よく向上させることができる。
【００７０】
この問題を解決する１つの方策は、より長い波長の、例えば波長３．４μｍの中赤外（Ｍｉｄ−ＩＲ）ビームを使用することによって、回折ビームの角分散を増加させて非回折のゼロ次ビームのより優れた検出を可能にすることである。光ビームの波長が３．４μｍである場合、この中赤外波長を用いると一次回折角φが例えば１４．０°に増加し、これは検出器で非回折のゼロ次ビームを回折ビームから分離させるのに十分である。これにより、ウィンドウイングなどの分析または物理的技術を用いてゼロ次ビームの中心軸の偏角を測定する際のその影響を、取り除くことがより容易になる。これはさらに、走査全体を通じてゼロ次ビームの偏角のみを正確に追跡することを可能にする。
【００７１】
この問題の解決策を提供する別の方策は、圧密化光母材などの円筒状ガラス体の脈理間隔がｄ＜１２μｍ（例えばｄ＜１２μｍ）であるときに、可視または近赤外光源を利用するものである。すなわち、ゼロ次ビームの中心軸の偏角を正確に追跡するために、光母材を、脈理の隔たりをより小さくして（すなわち、より多いが薄いパスで）作製し、次いで可視または近赤外光源を利用する光学系１００で測定してもよい。スートの積層および光母材の屈折率の測定という２つの作業は、相互に関係するものである。というのも積層の方法は母材を正確に測定する能力に悪影響を与える可能性があり、また測定システムは、生成される種類の母材を正確に測定するように設計されたものでなければならない。スート積層プロセス、または測定システム設計、あるいはその両方を変化させると、ファイバを、性能を向上させてより低コストで製造することにつながり得る。母材上に置かれるスートのパスの厚さを減少させると、脈理周期（または脈理間隔ｄ）の減少につながる。脈理間隔ｄ（または脈理周期の距離ｄ）の減少は、一次回折角を増加させる、従って脈理の回折効果を弱める、別のやり方である。パスの厚さを減少させると、線引きされるファイバにおける屈折率プロファイルの平均平滑度の制御も向上させるという点で、さらなる利益が得られる。しかしながらパスの厚さを減少させるということは、同じサイズの母材を作るために、パスの総数をさらに増加させることを意味する。屈折率の測定を波長λ＜２μｍ（例えばλ＜１μｍ）の光ビームで行うと、脈理間隔ｄ（従って、圧密化母材内のガラス層の厚さ）がｄ＜１２μｍ（例えば、２μｍ≦ｄ≦１２μｍ）を満たし、また最も好適にはｄ＜１０μｍ、例えば３μｍ≦ｄ≦１０μｍ、または４μｍ≦ｄ≦１０μｍを満たすときに、最も正確な結果が都合よく提供されることを我々は見出した。脈理間隔は、母材内の半径方向位置ｒまたはこれに隣接する位置で測定され、このｒは、母材の外半径ａに対し、１／３≦ｒ／ａ≦２／３、例えばｒ／ａ＝１／２となる位置である。
【００７２】
より高い回折次数内の光パワーＰの大きさは、特に、脈理周期ｄに直接相当するパス厚さ、脈理の屈折率摂動の振幅δｎ、および波長λの関数である。
【００７３】
【数５】
2018500542.tif 000007
【００７４】
従って、母材測定における回折効果の減少は、１）屈折率摂動（δｎ）の減少、２）パス厚さの減少（従って、脈理間隔ｄの減少）、３）光ビームの光波長λの増加、または４）これら３つの因子の組合せ、により可能である。分析の際、ＯＶＤ法により様々なパス厚さで作製された光母材を使用して方法を比較すると、圧密化ガラス母材の屈折率摂動δｎは一定のままであった（各パスで堆積される材料の正味の容積のみを変化（減少）させた）。パス厚さを減少させることができ（すなわち母材の積層の際に、各パスに関連するガラス層の厚さｎを減少させた）、より小さい脈理間隔ｄをもたらした。
【００７５】
例えば、２つの例示的な圧密化ガラス母材の屈折率測定を、両方で中赤外光ビーム（３．２８μｍ）および近赤外光ビーム（０．９４μｍ）を用いて行った。２つの例示的な母材はＯＶＤ法で作製したものであり、１）圧密化後の平均パス厚さが１４．１μｍの母材（厚いパスのガラス堆積プロセス、層厚さ＝１４．１μｍ、または脈理間隔ｄ＝１４．１μｍ）、および２）圧密化後の平均パス厚さが６．７μｍの母材（薄いパスのプロセス、脈理間隔ｄ＝６．７μｍ）であった。従ってこれらの例示的な実施形態において、これらの光母材の平均の脈理の隔たりｄ（本書では、脈理周期または脈理間隔とも称される）は、夫々１４．１および６．７μｍであった。（典型的には、他に規定がなければ、本書で説明される実施形態において（ガラスが圧密化された後の）平均パス厚さ、または脈理の隔たりｄに対する公称値は、母材の外半径ａに対し、ｒ／ａ＝１／２となる圧密化母材の半径位置で取られる。）脈理の隔たりに対応する値ｄは、母材の直径に亘ってゆっくり変化することに留意されたい。
【００７６】
光母材または円筒状に成形された圧密化ガラス体を光ビームで走査しているとき（その屈折率プロファイルを判定しているとき）、脈理間隔ｄの減少が、測定中に母材を通り過ぎる光ビームの回折角の増加を著しくまた都合よくもたらすことが見出された。これにより、一次の、またより高次の回折ビームが、ゼロ次ビームから十分にずれるため、正確な屈折率測定がより容易になる。例えば表１の例ＡおよびＢ（λ＝３．３９μｍ）を参照すると、値ｄが減少したときに一次回折角が１３．９°から３０．５°に増加していることが示されており、これは一次およびより高次の回折ビームが、カメラ画像内でゼロ次ビームからよりよく分離されることを意味している。表１はさらに、厚いパスおよび薄いパスのスート積層プロセスを用いて作製された母材を測定したときの、測定システム波長λ＝０．９４０μｍ（事例ＣおよびＤ）に対する、相対的な回折光パワーおよび算出された一次回折角を表している。表１の例ＣおよびＤは、値ｄが１４．１μｍから６．７μｍに減少したときに一次回折角が３．８°から８．１°に増加したことを示しており、これは一次およびより高次の回折ビームが、走査範囲全体に亘ってゼロ次ビームからよりよく分離されることを意味している。以下の表１において、脈理間隔ｄはｒ／ａ＝１／２に対応し、また屈折率摂動δｎは全ての事例で同じであり、便宜上値１に単に正規化した。
【００７７】
【表１】
2018500542.tif 000008
【００７８】
さらに、回折のためにゼロ次ビームが失う相対パワーＰは、より厚いパスのプロセスによって作製された母材で失われるパワーＰとは対照的に、より薄いパスのプロセスによって作製された母材では減少する（例えば、測定波長λ＝３．３９μｍで、例Ａに対し例Ｂでは２３％）。従って、より多くの光パワーがゼロ次ビームに集中されるため、パス厚さの減少（１２μｍ以下、またより好適には１０μｍ以下への、層厚さまたは脈理周期ｄの減少）は、ゼロ次ビームの偏角関数を、従って測定によって得られる屈折率プロファイルを、正確に測定する能力を向上させる。
【００７９】
この向上は、厚いパスの母材の例（圧密化ガラスの層厚さが１４．１μｍ、すなわちｄ＝１４．１μｍ、図３Ａ）および薄いパスの母材の例（圧密化ガラスの層厚さが６．７μｍ、ｄ＝６．７μｍ、図３Ｂ）に対し、母材に亘って走査光ビームの各オフセット位置ｘiで測定された、検出器からの積分光強度データの比較によって示される。これらの走査は両方が、図２Ａに示されているものに類似した、中赤外母材測定システムを用いて得られたものである。
【００８０】
より具体的には図３Ａは、中赤外ビーム波長３．３９μｍで動作するように設計された屈折率測定システムを使用した、より厚いパス（ｄ＝１４．１μｍ）およびより薄いパス（６．７μｍ）で作製された母材の走査における全てのオフセット位置ｘiでの、カメラ画像からの積分強度プロファイルから成る等高線プロットを示している。図３Ａから分かるように、ゼロ次ビーム３０２が走査の中心領域を占め、このゼロ次ビーム３０２は厚さ１４．１μｍのパス層を有する母材に対応する。図３Ｂは、同じく走査の中心領域を占めかつｄ＝６．７μｍの母材に対応する、ゼロ次ビーム３０３を示している。図３Ａは、小角度の回折ビーム３０４が重なり合っていること、および／またはゼロ次（非回折）ビームに近接して位置していることを示している。例えば小角度の回折３０４は、ゼロ次ビームと重なり合っているように認められる。図３Ａおよび３Ｂにおける鉛直点線は、非回折またはゼロ次光ビームを明確に分解することが困難な位置、および屈折率プロファイルの判定にエラーが発生し得る位置の、１つに対応する。
【００８１】
図３Ｃは、図３Ａおよび３Ｂの点線に対応する、母材の軸からの特定のオフセットｘiでの（半径ｒ＝１／３ａ付近で取られた、また検出器の画素に亘り積分カウントで表現された）、走査レーザビームが検出器に当たるときの積分光強度プロファイルを示している。図３Ａおよび３Ｂにおける鉛直点線は、図３Ｃに示されている積分カウント（積分強度）の横断面の位置を示す。
【００８２】
図３Ｃの点線は厚いパス層（ｄ＝１４．１μｍ）を有する母材に対応し、また実線は、より薄いパス層（ｄ＝６．７μｍ）を有する母材に対応する。図３Ｃは、ゼロ次（非回折）光ビームが、より薄いガラス層を有する母材を通って（すなわち、より小さい脈理周期（または隔たりｄ）を有する、より小さいパス厚さ（または層幅）で作製された母材を通って）伝播する場合に、より厚いガラス層を有する母材を通って（すなわち、より大きい周期ｄを有する、より大きいパス厚さで作製された母材を通って）伝播するゼロ次ビームよりも、容易に観察される、あるいは検出されることをさらに示している。しかしながらこの図はさらに、より厚いパス厚さ（例えば、ｄ＞１４μｍ、さらにはｄ＞１２μｍ）を有する母材では、中赤外光および検出器を用いた場合に、ゼロ次ビーム３０２は小角度の回折ビーム３０４と重なり合うことがあり、分解が困難（すなわち、検出が困難）になり得ることも示している。これは、小角度の回折３０４による光が、図３Ａの実施形態でｒ／ａ＝１／３付近の母材の半径方向位置に位置するゼロ次ビームと強く重なり合うように認められる、屈折率測定に関して問題のある領域の一例である。（ａは圧密化ガラス母材の最外部半径であることに留意されたい。）
より具体的には図３Ｃは、図３Ａおよび３Ｂの点線位置に対応する、検出器上の信号の測定された振幅を示しており、これは厚いパスの母材に対する回折の問題が最悪となる、半径ｒ＝１／３ａ付近を伝播する光ビームに対応している。ゼロ次ビームの検出確度を向上させるために、５０％レベル強度の計算フィルタを利用して、分析から低レベルの回折を除いた（一点鎖線）。すなわちこの例示的な実施形態では、５０％の閾値レベル（一点鎖線）を下回る全てのデータを、ゼロ次ビームの軸または位置を判定する前に分析から破棄する。図３Ａは、より厚いパス層（ｄ＝１４．１μｍ）を有する本実施形態の母材において、大角度の回折３０６は強いが、ゼロ次ビームと重なり合わないためほとんど問題がないことをさらに示している。図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃは、ゼロ次ビームに重なり合う小角度の回折が、薄いパスの母材と比較すると、厚いパスの母材でより強いことを示している。厚いパスの母材における小角度の回折は、厚いパスの母材測定時の各点でのゼロ次ビームの偏角判定において、より大きいエラーにつながり得る。これに比較して、薄いパスの偏位曲線は、小角度の回折ビームとゼロ次ビームとの間の回折の重なり合いが大幅に弱い、より狭いものとなる。これはさらに、ゼロ次ビームの偏角判定時の、より少ないエラーにつながる。パス厚さの減少（層厚さの減少）により得られるこの向上が、偏向関数から計算される、測定される屈折率プロファイルの確度を直接向上させる。
【００８３】
図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃに対応する測定を、中赤外ビーム（３．３９μｍ）および中赤外光検出器を使用して行った。しかしながら中赤外光検出器は、本質的に熱的検出器であり、従って赤外ビームの中心軸の測定精度は周囲環境の安定性に非常に敏感である。温度の僅かな変化でさえ、測定の確度に影響を与えることがあり、これは測定される屈折率プロファイルの確度に悪影響を与える。熱的検出器は、ＮＩＲ検出器および可視光検出器よりも、本質的に電子的に雑音が多い。こういった現象は、検出器でゼロ次ビームの偏角を正確に判定する能力を、さらに制限し得る。さらに、高コヒーレント光源によって提供される中赤外光ビームに存在するスペックルが、位置検出の感度をさらに制限する。一般に、中赤外ＨｅＮｅレーザなどの中赤外レーザは、数メートルのコヒーレンス長を有する。我々は、低コヒーレンスビームの使用が好ましいことを見出した。低コヒーレンスビームは、例えばレーザダイオード、ＬＥＤ、または広域スペクトルランプによって提供することができ、レーザダイオードのコヒーレンス長はおよそ１ｃｍ、ＬＥＤではおよそ１００μｍ、さらに広域スペクトルランプでは数μｍである。広域スペクトルランプは、ビームのスペクトル幅を減少させるために、バンドパスフィルタと併せて使用してもよい。
【００８４】
従って我々は、中赤外測定システム検出器を低ノイズのシリコン、またはＩｎＧａＡｓ、あるいはＧｅベースの検出器で置き換えることができれば、また高コヒーレント光源を低コヒーレンスのＮＩＲ（近赤外）または可視光源（例えば、ＬＥＤ、またはバンドパスフィルタで処理される広域スペクトルランプなど）で置き換えることができれば、有利になり得ることに気が付いた。
【００８５】
母材の屈折率測定のために、１μｍ未満のＮＩＲ波長の光ビームをシリコンベースの検出器と併せて利用すると、厚いパスの母材（ｄ＞１２μｍ）での回折に起因する光パワーの量が、中赤外システムを用いたときの回折に起因するパワー損失よりも大きくなることが見出された。例えば母材の屈折率測定のために、０．９４μｍのＮＩＲ波長の光ビームをシリコンベースの検出器と併せて利用すると、厚いパスの母材でゼロ次ビームから回折される光パワーの量は、ビーム波長λが３．３９μｍの中赤外システムを用いたときよりも約１３倍大きいことが見出された（表１の事例ＡおよびＣ）。さらに、一次回折角は１３．９°から３．８°に減少し、また小角度の回折による回折角も同じく減少する。
【００８６】
対照的に、薄いパスの母材（ｄ＜１０μｍ）のＮＩＲ測定の正規化回折パワーは、ビーム波長が３．３９μｍの中赤外システムを用いたときの正規化回折パワーよりも僅かに２．９４倍大きくなるのみであり、また一次回折角は８．１°である（表１の事例ＢおよびＤ）。これは、薄いパスの母材を近赤外光ビームまたは可視波長光ビームで測定することは有利であること、しかし厚いパスの母材（ｄ＞１２μｍ）の測定は、波長＜１μｍを用いると困難になり得ること、また図２Ａに示されているものに類似する光学系での中赤外波長の利用は、このようなより厚いパスの母材で好ましくなり得ることを示している。
【００８７】
図４Ａは、近赤外測定システムを用いてゼロ次ビームの偏位がうまく分解されないであろう走査位置に、屈折率測定システムの近赤外（ＮＩＲ）光ビームが位置しているときの、カメラに当たる光の強度を示したものである。より具体的には図４Ａは、ゼロ次ビーム５０２の偏位が十分に分解される走査位置に走査ビームがあるときにカメラ（垂直画素１〜２００）に当たる光の強度を示しており、走査光ビームの波長はλ＝０．９４μｍであり、検出器は近赤外波長で動作する。この実施形態において、母材の脈理の隔たりｄは６．７μｍ（すなわち薄いパスの母材で、脈理周期が６．７μｍ）であった。ゼロ次ビーム５０２、小角度の回折５０４、および大角度の回折５０６は、ラインとして検出される。スリットを使用すると、その像がカメラの全高に広がるため、もう一つの利点となる。従って、スリット像の長い方の長さに平行な画像の軸に沿って（垂直画素の軸に沿って）、多数の画素を積分して平均化してもよく、これにより積分カウントでノイズ比に対する信号が向上する（図４Ｂ）。
【００８８】
より具体的には図４Ａおよび４Ｂは、ＮＩＲ光を用いる測定システム１００の走査位置が、中赤外測定システムを用いたときにゼロ次ビームの偏位がうまく分解されない位置と同じ位置にあるときの、カメラに当たる光の強度を示している。対照的に、ＮＩＲ測定システムを用いると（同じ走査位置で）、十分に分解される。図４Ａおよび４Ｂは、本実施形態において小角度の回折５０４および一次回折５０６に関連する光ビームが、ゼロ次ビーム５０２から十分に分離されることをさらに示している。
【００８９】
図４Ｂは、積分強度プロファイルを形成するために（スリット像の長軸および母材の軸に平行な）垂直画素の軸方向に沿って積分した後の、図４Ａからのカメラ画像データを示している。
【００９０】
図５Ａは、測定システムが単一の検出器またはカメラ４２０のみを採用している場合に、実施形態のＮＩＲ測定システムを用いて厚いパスの母材（ｄ＝１４．１μｍ）を測定した結果を示している。より具体的には図５Ａは、０．９４０μｍのＮＩＲ波長で動作するように設計された例示的なシステムを用いた厚いパスの母材の走査における、全てのオフセット位置すなわちサンプリング位置ｘi（本実施形態では１＜ｉ≦１１００）での積分強度プロファイル（検出器上の位置の関数として、デジタル積分カウントとして表現されている）から成る等高線プロットである。
【００９１】
図５Ｂは、ＮＩＲシステムの０．９４μｍ光源（実線の曲線）と中赤外システムの３．３９μｍ光源（破線の曲線）を用いて、厚いパスの母材（例えば、ｄ＝１４．１μｍ）に対し同じ半径方向位置で測定された、検出器の積分強度を比較したものである（おおよそｒ／ａ＝１／２の位置で）。ＮＩＲシステムで測定すると、小角度の回折６０４および大角度の回折６０６への光パワーの大きな損失のために、ゼロ次ビーム６０２の追跡はほとんど失われる。この点での積分強度データ（図５Ｂ）は、ゼロ次ビーム６０２のパワーが小角度の回折６０４と同じレベルにあることを示しており、このことが偏角の判定、従って屈折率プロファイルの判定において大きなエラーを生み出す。中赤外システムで測定したときに得られたデータとの比較が、回折される光パワーがより少ないことを示しており、ゼロ次ビーム３０２の位置の判定はより容易である。従って、中赤外システムはＮＩＲシステムよりも、厚いパスの母材（ｄ＞１２μｍ）の屈折率プロファイルの測定に適し得る。
【００９２】
図６Ａは、薄いパスの母材でＮＩＲ測定システムを用いて得られたデータを示している（脈理の隔たりｄ＜１０μｍに相当する、圧密化ガラスの層厚さｄ＜１０μｍ、例えば本実施形態ではｄ＝６．７μｍ）。図６Ｂは、薄いパスの母材に対して中赤外測定システム（点線）およびＮＩＲ測定システム（実線）を使用したときの、ｒ／ａ＝２／３の位置での検出器上の積分強度データを示している。
【００９３】
より具体的には図６Ａは、本発明の本実施形態によるＮＩＲの方法を用いて薄いパスの母材（本実施形態では、厚さ６．７μｍのガラス層）を測定した結果を示している。図６Ａは、ゼロ次ビーム７０２が十分に画成されることを示している。小角度の回折７０４のレベルは低く、また大角度の回折７０６は大きいもののウィンドウイング技術によって分析から容易に取り除かれ、ゼロ次ビームは正確に測定される。回折が最悪となる位置（ｒ／ａ＝２／３）での積分強度プロファイル（図６Ｂ）は、本書で説明される実施形態を使用するとゼロ次ビーム７０２、小角度の回折７０４、および大角度の回折７０６が十分に分解され、かつゼロ次ビームから十分に分離されることを示している。中赤外システム（破線の曲線）で測定された薄いパスの母材（層厚さ＜１２μｍ、好適には＜１０μｍ（ｄ＜１２μｍ、好適にはｄ＜１０μｍ））に対して得られたデータと比較すると、ＮＩＲ測定システム（実線の曲線）では、中赤外システムで測定されたゼロ次ビーム３０３に比べてゼロ次ビーム７０２からの小角度の回折の分離が向上していることが示されている。
【００９４】
回折の効果およびより高次に回折されたパワーの効果はｄ／λの比で測れるため、この方法は脈理周期がより小さいとき、より短い波長で動作する。例えば波長６００ｎｍで動作する測定システムでは、このシステムを使用して脈理周期が約４〜５μｍの母材を測定すると有利になる。例えば、波長４００ｎｍで動作する測定システムは、約２〜４μｍ（例えば、２．５μｍ、２．９μｍ、３μｍ、または３．５μｍ）の脈理周期で使用すると有利になる。スリットのエッジの回折効果は波長に対応するため、スリット幅ｗ´を減少させて、より高い空間的分解能を測定時に得ることができる。例えば圧密化光母材は、酸化ゲルマニウムドープのシリカを含むものでもよく、また母材の外半径ａに対しｒ／ａ＝１／２である母材の半径方向位置ｒまたはこれに隣接する位置で、脈理間隔が１μｍ≦ｄ≦１０μｍであるような脈理を有するものでもよい。
【００９５】
図７は、中赤外測定システム（上）およびＮＩＲ測定システム（下）を使用して、薄いパスのプロセス（ｄ＝６．７μｍ）に対して得られたゼロ次ビームの軸の偏角を示している。より具体的には、この図はＮＩＲ測定システムがより正確なビーム偏角測定を実現し（より滑らかな曲線）、一方中赤外測定はよりばらつきが多く、従って滑らかさが低く、それにより正確さが低いことを示している。より具体的には図７は、本発明の中赤外システム（上のトレース）およびＮＩＲシステム（下のトレース）の両方に対し、ビームがシリカセルのみを通って８０２、またシリカセルおよび屈折率整合オイルを通って８０４、さらにシリカセルと屈折率整合オイルと薄いパスの母材（層厚さ＝６．７μｍ）とを通って８０６、通過したときに測定された偏角関数を示している。母材を通過するときのゼロ次偏角の判定におけるエラーは、両方のプロットの中心領域でのばらつきによって最も明白に分かる。従って、ばらつきが大幅に小さいＮＩＲ測定システムが、走査のゼロ次偏角のより正確な判定につながり、さらに対応して母材の真の屈折率プロファイルのより正確な判定につながることが分かるであろう。
【００９６】
本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の改変および変形が作製可能であることは当業者には明らかであろう。本発明の精神および本質を組み込んだ、開示された実施形態の改変、コンビネーション、サブコンビネーション、および変形が当業者には思い付き得るため、本発明は添付の請求項およびその同等物の範囲内の全てのものを含むと解釈されるべきである。
【００９７】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００９８】
実施形態１
円筒状表面を有する圧密化ガラス体の屈折率プロファイルを測定する方法において、
ａ．開口から発する光ビームを用いて前記圧密化ガラス体の前記円筒状表面を、前記開口の像が前記圧密化ガラス体の下流において前記圧密化ガラス体と少なくとも１つの光検出器との間で形成されるように、走査し、さらに前記光ビームで前記円筒状表面を、複数のサンプリング位置ｘiでサンプリングするステップ、
ｂ．前記サンプリング位置ｘiに対応するゼロ次光ビームが前記圧密化ガラス体を通過した後に前記少なくとも１つの光検出器上で当たる位置を、検出するステップ、
ｃ．前記複数のサンプリング位置ｘiに対応する前記ゼロ次ビームの、偏角を判定するステップ、
ｄ．前記複数のサンプリング位置に対応する前記ゼロ次光ビームの前記偏角に基づいて、前記圧密化ガラス体の屈折率プロファイルを計算するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【００９９】
実施形態２
前記圧密化ガラス体を通る前記ゼロ次光ビームの軌道を、（ｉ）前記圧密化ガラス体の前記円筒状表面に当たる前記光ビームの前記サンプリング位置ｘi、および（ｉｉ）対応する前記ゼロ次ビームが前記少なくとも１つの光検出器上で当たる位置、に基づいて予測するステップ、をさらに含むことを特徴とする実施形態１記載の方法。
【０１００】
実施形態３
前記圧密化ガラス体の前記屈折率プロファイルを計算するステップが、あるサンプリング位置ｘiに対応する前記ゼロ次光ビームの前記偏角と、それより前のサンプリング位置に対応する前記ゼロ次光ビームの前記偏角とに基づいて前記圧密化ガラス体内の複数の位置での屈折率を判定する、変形関数を利用することによって行われることを特徴とする実施形態１記載の方法。
【０１０１】
実施形態４
前記開口の像が幅ｗを有し、このとき前記圧密化ガラス体の前記円筒状表面に亘る測定サンプリング間隔Δｘがｗ以下であり、さらに、
ｘi＝ｘi-1＋Δｘである前記走査の前記サンプリング位置ｘiの夫々に対し、前記圧密化ガラス体を通る前記ゼロ次ビームの軌道を、前記円筒状表面に当たる前記光ビームの前記サンプリング位置ｘiと前記ゼロ次ビームが前記少なくとも１つの光検出器上で当たると予想される位置とに基づいて、予測し、さらに、
最終的な解析データから、前記検出器によって検出された、より高次の回折ビームに対するものを破棄することを特徴とする実施形態１記載の方法。
【０１０２】
実施形態５
前記開口の像が幅ｗを有し、このとき前記圧密化ガラス体の前記円筒状表面に亘る測定サンプリング間隔Δｘがｗ以下であり、さらに、
ｘi＝ｘi-1＋Δｘである前記走査の前記サンプリング位置ｘiの夫々に対し、前記圧密化ガラス体を通る前記ゼロ次ビームの軌道を、前記円筒状表面に当たる前記光ビームの前記サンプリング位置ｘiと前記ゼロ次ビームが前記少なくとも１つの光検出器上で当たると予想される位置とに基づいて、予測し、さらに、
最終的な解析データから、前記検出器によって検出された小角度の回折ビームに対するものを破棄することを特徴とする実施形態１記載の方法。
【０１０３】
実施形態６
円筒状表面を有する光ファイバ母材の屈折率プロファイルを測定する方法において、
ａ．スリットであって、該スリットの像が前記光母材の後方で形成されるように照射されるスリットを用いて、前記光ファイバ母材の前記円筒状表面の、ｘi＝ｘi-1＋Δｘとなるように距離Δｘだけ離れている複数のサンプリング位置ｘiを、走査するステップであって、前記スリットの像が幅ｗを有し、かつΔｘ＜ｗである、ステップ、
ｂ．前記サンプリング位置ｘi＝ｘi-1＋Δｘの夫々に対し、前記母材を通るゼロ次ビームの軌道を、前記光母材の前記円筒状表面に当たる光ビームの前記サンプリング位置ｘiと前記ゼロ次ビームが少なくとも１つの光検出器上で当たると予想される位置とに基づいて、予測するステップ、
ｃ．前記サンプリング位置ｘiに対応する出射ゼロ次ビームが前記少なくとも１つの光検出器上で当たる位置を、検出し、さらに前記サンプリング位置ｘiの夫々に対して前記少なくとも１つの光検出器により検出された、より高次の回折ビームと小角度の回折ビームとに関するデータを破棄するステップ、
ｄ．前記走査の前記サンプリング位置ｘiの夫々に対応する、前記出射ゼロ次ビームの偏角を判定するステップ、
ｅ．前記サンプリング位置ｘi夫々での屈折率を、該位置ｘiと、ｘiに隣接しているが前記母材の中心からの距離がより大きい他の走査されたサンプリング位置とに対応するビームの偏角に基づいて判定する、変形関数を利用することによって、前記母材の屈折率プロファイルを計算するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【０１０４】
実施形態７
中心軸と円筒状表面とを有する光母材の屈折率プロファイルを測定する方法において、
ａ．前記光母材の前記円筒状表面を通して、前記母材の前記軸に対し１０°から８０°の間の角度で配向された照射されたスリットの像を、該スリットの像が前記光母材の後方に形成されるように、光学的に投影するステップ、
ｂ．前記照射されたスリットの像を、該照射されたスリットの像が前記光母材の後方で形成された位置で、検出するステップ、
ｃ．前記照射されたスリットが前記光母材の全幅を通って投影されるように、前記スリットが構成されている、ステップ、
ｄ．検出された前記像を処理して、前記光母材の前記全幅に亘ってゼロ次ビームの位置を判定するステップ、
ｅ．検出された前記像において、サンプリング位置ｘiの夫々に対応する前記ゼロ次ビームの偏角を判定するステップ、
ｆ．前記光母材から出射する前記ゼロ次ビームの前記偏角に基づいて屈折率を判定する、変形関数を利用することによって、前記母材の前記屈折率プロファイルを計算するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【０１０５】
実施形態８
前記変形関数がアーベル変形であることを特徴とする実施形態３、５、６、または７記載の方法。
【０１０６】
実施形態９
前記走査が、幅ｗのスリット像およびサンプリング間隔Δｘで、ｗ／８≦Δｘ≦ｗ／２となるように行われることを特徴とする実施形態１から６いずれか１項記載の方法。
【０１０７】
実施形態１０
前記走査が、長さが１００μｍから２５ｍｍでありかつ幅ｗ´が５０μｍと２００μｍとの間である、スリットを用いて行われることを特徴とする実施形態９記載の方法。
【０１０８】
実施形態１１
（ａ）前記開口の長さが１００μｍから２５ｍｍの間であり、さらに前記開口が、前記母材の軸の方向ｚに沿ってテーパした、５０μｍ≦ｗ´≦２００μｍである幅ｗ´（ｚ）を有し、かつ前記開口の像が幅ｗ（ｚ）を有し、さらに、
（ｂ）前記複数のサンプリング位置ｘi間のサンプリング間隔Δｘが、
（１／８最小開口幅）≦Δｘ≦（１／２最小開口幅）となるようなものであることを特徴とする実施形態１から５いずれか１項記載の方法。
【０１０９】
実施形態１２
前記開口の像の幅ｗが５０μｍ＜ｗ＜２００μｍであり、かつ連続したサンプリング位置ｘiが距離Δｘだけ隔てられており、Δｘ＜ｗ／２であることを特徴とする実施形態１から５いずれか１項記載の方法。
【０１１０】
実施形態１３
前記光源によって提供される前記光パワーが、前記サンプリング位置ｘiの夫々で動的に調整されることを特徴とする実施形態１から５のいずれか１項または実施形態１２記載の方法。
【０１１１】
実施形態１４
前記光源によって提供される前記光パワーが、前記サンプリング位置ｘiの夫々で動的に調整されることを特徴とする実施形態１１記載の方法。
【０１１２】
実施形態１５
前記少なくとも１つの光検出器が、シリコンベースの検出器またはＮＩＲ検出器であることを特徴とする実施形態１記載の方法。
【０１１３】
実施形態１６
前記光源が、０．４μｍ≦λ≦２μｍである波長λを有する近赤外（ＮＩＲ）または可視光で動作し、さらに前記光源が、コヒーレンス長０．００１ｍｍ≦ｌ≦１０ｃｍの低コヒーレンスを有するものであることを特徴とする実施形態１記載の方法。
【０１１４】
実施形態１７
前記ゼロ次光ビームの位置を検出するために２つの光検出器を利用するステップを含み、前記開口の像が形成される平面に、該２つの光検出器の対物面が隣接するように、前記２つの光検出器が位置していることを特徴とする実施形態１記載の方法。
【０１１５】
実施形態１８
前記２つの光検出器の前記対物面が、前記開口の像の前記平面から０ｍｍから５ｍｍずれた位置にあり、かつ同じ位置にはないことを特徴とする、実施形態１７記載の方法。
【０１１６】
実施形態１９
前記母材が、前記母材内の半径方向位置ｒで、またはｒに隣接する位置で、１から１５μｍの脈理間隔ｄを有する圧密化ガラス母材であり、このとき１／３≦ｒ／ａ≦２／３であり、かつａが前記母材の外半径であることを特徴とする実施形態１から１８いずれか１項記載の方法。
【０１１７】
実施形態２０
前記母材が、Ｇｅドープシリカを含むことを特徴とする実施形態１、４、５、６、７、または１９記載の方法。
【符号の説明】
【０１１８】
１００    光学系
４０２    光源
４０６    開口
４１０    結像平面
４１０ａ、４１０ｂ    検出器の対物面
４１３    ビーム
４１４    圧密化母材
４２０、４２２    光検出器
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2018500542.tif 000010
【図２Ａ】
2018500542.tif 000011
【図２Ｂ】
2018500542.tif 000012
【図３Ａ】
2018500542.tif 000013
【図３Ｂ】
2018500542.tif 000014
【図３Ｃ】
2018500542.tif 000015
【図４Ａ】
2018500542.tif 000016
【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
2018500542.tif 000018
【図５Ｂ】
2018500542.tif 000019
【図６Ａ】
2018500542.tif 000020
【図６Ｂ】
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【図７】
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【国際調査報告】
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2018500542.tif 000024
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