一种蓝宝石光纤生长缺陷在线检测与反馈的方法

：本发明涉及一种蓝宝石光纤生长缺陷在线检测与反馈的方法，属于光纤测试领域。

背景技术：

1、蓝宝石光纤是一种优异的耐高温波导，它的熔点高达2043℃，具有良好的耐高温性能，且蓝宝石光纤在紫外到中红外波段具有优异的透光性能，因此在高温传感应用中具有独特优势。同时，由于其高激光损伤阈值，蓝宝石光纤也被广泛应用在高功率激光器件中。然而，由于单晶生长过程中产生的内部缺陷、不均匀性、气泡和光纤直径波动等因素，会导致蓝宝石光纤传输损耗增加、光学性能劣化，不利于高温传感器的信号接收与解调。

2、蓝宝石光纤生长条件决定了光纤的质量。目前，商用蓝宝石光纤大多使用激光加热基座法(lhpg法)制备。在蓝宝石晶体生长中，缺陷的主要类型包括生长的不均匀区域和气泡，且晶体中缺陷的存在会大幅影响蓝宝石光纤的光学和力学性能。(wang d，hou w，nal i，et al.defects and optical property of single-crystal sapphire fibersgrown by edge-defined film-fed growthmethod[j].journal ofinorganic materials，2020，35(9):573.)。使用lhpg法制备蓝宝石光纤时，源棒的进料速率和籽晶的移动速率，激光加热光源的功率稳性以及焦点位置等因素会直接影响了蓝宝石光纤晶体生长质量(rey-garcía f,r,angurel la,et al.laser floating zone growth:overview,singular materials,broad applications,and future perspectives[j].crystals，2020，11(1):38.)。蓝宝石光纤的缺陷检测通常使用光学显微镜或扫描电镜直接观测(liub,yu y,bera s,et al.study ofmolten zone profile and defect formation duringlaser heated pedestal growth[c]//micro-and nanotechnology sensors,systems,andapplications xi.spie,2019,10982:418-426.)，或通过机器视觉和图像识别方法来检测气泡(yang x,qiao t,zhang h,et al.research on image recognition and detectionmethod ofsapphire bubbles[j].journal ofinstrumentation，2019，14(12):p12013.)，以上检测方法通常只能针对蓝宝石晶体成品进行检测。在蓝宝石光纤生长控制系统，往往需要采用高速摄像机对蓝宝石光纤直径进行图像采集并反馈到生长控制系统中，以减少蓝宝石光纤生长的尺寸波动，但该方法无法对蓝宝石光纤内部缺陷进行实时检测。通过分布式的光纤波导检测方式，可以对生长后的蓝宝石光纤内部气泡、单晶生长不均匀区域等内部缺陷等造成的异常反射信号进行实时检测和反馈，及时调整和优化单晶生长条件，最终有效提高蓝宝石光纤的生长质量和制备效率，避免原料浪费、节约成本。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提高蓝宝石光纤的生长质量和效率，提出一种在蓝宝石光纤生长缺陷在线检测与反馈方法；本发明使用光纤白光干涉分布式测试装置来实现蓝宝石光纤生长缺陷的实时检测与反馈，将光纤白光干涉分布式测试装置测得的缺陷信号与位置等信息，反馈至蓝宝石光纤生长制备系统中，辅助优化生长工艺参数。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、一种蓝宝石光纤生长缺陷在线检测与反馈的方法，将光纤白光干涉分布式测试装置测得的缺陷信号与位置等信息，反馈至蓝宝石光纤生长制备系统中，辅助优化生长工艺参数，具体包括如下步骤：

4、步骤一、根据预期生长的蓝宝石光纤长度，设计光纤白光干涉分布式测试装置中的匹配光纤长度，构成匹配目标待测量的光纤白光干涉分布式测试装置9；并在光纤白光干涉分布式测试装置9的测量臂加装环形器，以及回收光衰减器7和光滤波器8，便于对后向散射或反射光的强度调节，以及干扰光的过滤；

5、步骤二、根据光纤白光干涉分布式测试装置9的测试端接口单模光纤6的尺寸，将蓝宝石光纤籽晶1的上端面进行打磨成圆台2，并抛光处理，根据所制备蓝宝石光纤的目标直径不同，在实际生长制备中，蓝宝石光纤籽晶1的直径也有不同；圆台2上部圆截面直径小于或等于单模光纤6的包层直径，并大于或等于单模光纤6的纤芯直径，以增加光耦合效率，约束光传输模式并增强反射光信号的接收；

6、步骤三、将圆台2与单模光纤6熔接在一起，并把蓝宝石光纤籽晶1固定在加热基座的夹具上；

7、步骤四、启动光纤白光干涉分布式测试装置9，对初始状态的蓝宝石光纤籽晶1进行预测试，标定初始状态的宝石光纤籽晶1所处光程位置；

8、步骤五、启动蓝宝石光纤生长过程中用于加热的co2激光光源5，逐渐升高co2激光器功率，并调节回收光衰减器7和滤波器8，保证探测信号光的回收功率适中，保证光纤白光干涉分布式测试装置的探测信号的高信噪比；

9、步骤六、当蓝宝石晶体源棒3上部的熔融区4稳定后，蓝宝石光纤籽晶1下端沉入蓝宝石晶体源棒3顶部的熔化生长区，并以一定提拉速度向上提拉，同时，蓝宝石晶体源棒以一定速度向上送料；蓝宝石光纤开始生长，正式利用光纤白光干涉分布式测试装置9进行测试，并结合实时数据处理结果，实现蓝宝石光纤生长过程中的缺陷分布在线检测；

10、步骤七、在步骤六中的蓝宝石光纤生长阶段，根据光纤白光干涉分布式测试装置9的缺陷分布在线检测结果的反馈，实时对源棒的进料速率和籽晶的移动速率、以及co2激光器功率等生长工艺参数进行微调；当获取蓝宝石缺陷最少的变量参数后，在后续生长过程中保持该变量参数不变，直至一根蓝宝石光纤生长完成。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果：

12、(1)首次提出蓝宝石光纤在生长制备过程中光纤分布式的在线检测方法，可以对蓝宝石光纤进行质量检测的同时，也可以依据实时检测信号反馈来定量化改善蓝宝石光纤制备工艺；

13、(2)创新性采用圆台状的蓝宝石光纤籽晶，作为单模光纤与待测蓝宝石光纤的连接器件，解决芯径不匹配的问题，同时又能够不影响传统蓝宝石的生长制备流程；

14、(3)利用光纤白光干涉分布式测试装置的性能优势，有效实现蓝宝石光纤内部缺陷的高空间分辨率测试，给蓝宝石光纤生长过程中的参数设定提供重要参考。

15、(4)通过分析光纤白光干涉分布式测试装置的实时检测信号，可判断蓝宝石光纤的缺陷类型，如气泡、晶体的不均匀生长区等，最终反馈到反馈至蓝宝石光纤生长制备系统中，实时优化生长工艺参数，如蓝宝石光纤籽晶的提拉速度，蓝宝石晶体源棒的送料速度，co2激光的焦点和功率稳定性等。

16、(5)本发明不仅对于优化蓝宝石光纤生长工艺参数，提高蓝宝石光纤生长质量具有重要作用，同时，缺陷的实时检测与反馈达到了及时调整优化生长参数的目的，可以有效降低了次品率，节约原料和成本。