專利名稱：迅速優(yōu)化光子晶體光纖拉制工藝的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖制作方法和系統(tǒng)，特別是優(yōu)化光子晶體光纖拉制工藝方法和系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光子晶體光纖，自1996年被報道研制成功以來，因其靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計和新穎的特 性備受關(guān)注。通過設(shè)計不同的空氣孔結(jié)構(gòu)，光子晶體光纖可以獲得無盡單模、高雙折射、高 非線性、超大模場面積、超平坦色散等許多普通單模光纖無法比擬的特性，使其在光纖通 信、光纖陀螺、光纖傳感、光纖激光器等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。光子晶體光纖靈活多樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來各種新穎特性的同時也增加了拉制過程 的難度。在拉制過程中需要通過控制包括諸如送料速度、牽引速度、毛細(xì)管內(nèi)充氣壓力、毛 細(xì)管縫隙間抽氣壓力、加熱溫度等拉制工藝參數(shù)來控制所拉制光子晶體光纖的特定結(jié)構(gòu)。 光子晶體光纖的拉制過程遠(yuǎn)比傳統(tǒng)光纖拉制過程復(fù)雜得多，對拉制工藝參數(shù)的優(yōu)化也費(fèi)時 得多。不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，拉制工藝參數(shù)也不相同。每制作一種新型光子晶體光纖， 都需要對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。目前對光子晶體光纖拉制工藝參數(shù)優(yōu)化的研究尚處于理論 分析階段° Tieying Guo 的題為"Control of the fabrication parameters during the fabrication of Photonic Crystal Fibers", Chin. Phys. Soc, 58(9)， 412—419 (2009) 的文章中，公開了一種通過借助N-S方程建立溫度場與流體力學(xué)的混合物理場模型，分析 送料速度、牽引速度、毛細(xì)管內(nèi)壓力、毛細(xì)管縫隙間壓力、加熱溫度等拉制工藝參數(shù)對光纖 結(jié)構(gòu)的影響的方法。由于物理場模型難以完全模擬實際光纖拉制環(huán)境，并且在對模型的分 析過程中為求解復(fù)雜的N-S方程而對該方程進(jìn)行了很多簡化，所以這種分析方法僅是一種 理論方法，不足以分析光子晶體光纖在復(fù)雜的拉制環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)的輕微變形。這種理論 分析方法尚不能指導(dǎo)實際拉制工藝參數(shù)的優(yōu)化。因此，在光子晶體光纖制作領(lǐng)域中需要提供一種通過在光纖拉制過程中檢測所得 到的光纖的結(jié)構(gòu)來即時優(yōu)化拉制工藝參數(shù)，快速得到滿足設(shè)計性能的光子晶體光纖的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述光子晶體光纖拉制工藝優(yōu)化過程中存在的問題。本發(fā) 明提出一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)，對光子晶體光纖拉制工藝快速優(yōu)化的 方法。根據(jù)本發(fā)明的方法，對光子晶體光纖橫截面圖像進(jìn)行圖像處理提取光纖幾何結(jié)構(gòu)，通 過數(shù)值模擬方法分析光纖性能，根據(jù)該分析得到的性能與設(shè)計性能之間的不同調(diào)整拉制光 子晶體光纖的工藝參數(shù)，并最終獲得經(jīng)優(yōu)化的工藝參數(shù)，確定光子晶體光纖的拉制工藝。本發(fā)明提供一種迅速優(yōu)化光子晶體光纖拉制工藝的方法，在光子晶體光纖拉制過 程中進(jìn)一步包括以下步驟
截斷拉成且未涂覆的裸光纖，采集拉制得到的裸光纖的橫截面圖像；對裸光纖橫截面圖像進(jìn)行邊緣檢測，并重構(gòu)裸光纖橫截面幾何結(jié)構(gòu)；
根據(jù)所述重構(gòu)的裸光纖橫截面幾何結(jié)構(gòu)，對裸光纖橫截面內(nèi)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
使用數(shù)值模擬方法分析裸光纖的光子晶體光纖特性；
將裸光纖的分析特性與光子晶體光纖的設(shè)計特性進(jìn)行比較，得到比較結(jié)果；
根據(jù)比較結(jié)果，調(diào)整光子晶體光纖拉制工藝參數(shù)；
重復(fù)上述步驟，直至所拉制裸光纖的分析特性與其設(shè)計特性的差異可忽略不計，得到 一組拉制該光子晶體光纖的優(yōu)化工藝參數(shù)。優(yōu)選地，本發(fā)明的光子晶體光纖拉制工藝方法是一種管束法拉制工藝方法。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種光子晶體光纖拉制系統(tǒng)，包括
光纖拉制裝置，包括送料裝置、牽引裝置、加熱裝置和壓力調(diào)節(jié)裝置，用于拉制光子晶 體光纖；
圖像采集裝置，用于采集所拉制的光子光纖晶體的橫截面圖像； 圖像邊緣檢測裝置，用于對圖像采集裝置所采集的圖像進(jìn)行邊緣檢測以獲得重構(gòu)的光 纖橫截面幾何結(jié)構(gòu)；
光纖特性模擬裝置，包括對重構(gòu)的光纖橫截面幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格劃分裝置 和使用數(shù)值模擬方法分析該拉制的光子晶體光纖特性的特性模擬裝置；
光纖特性比較裝置，用于將裸光纖的分析特性與光子晶體光纖的設(shè)計特性進(jìn)行比較， 并輸出比較結(jié)果；
工藝參數(shù)控制反饋裝置，根據(jù)光纖特性比較裝置的比較結(jié)果對光纖拉制裝置的工藝參 數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明的技術(shù)方案，在于它在光子晶體光纖拉制過程中采取以下步驟
步驟一截斷拉成的且未涂覆的裸光纖，進(jìn)行光纖橫截面圖像采集。所述圖像采集是例 如使用膠片照相機(jī)或數(shù)字照相機(jī)或數(shù)字顯微鏡對未涂覆的裸光子晶體光纖橫截面進(jìn)行圖 像采集。膠片照相機(jī)所采集的圖像可例如經(jīng)掃描儀轉(zhuǎn)換為每個像素諸如以8位存儲的256 色或以更高位存儲的更高色的RGB模式數(shù)字圖像進(jìn)行存儲，數(shù)字照相機(jī)或數(shù)字顯微鏡采集 的圖像存儲為以8位存儲的256色或以更高位存儲的更高色的RGB模式彩色圖像。步驟二 對裸光纖橫截面圖像進(jìn)行邊緣檢測，識別光子晶體光纖中空氣和背景材 料間的邊界，并重構(gòu)裸光纖橫截面幾何結(jié)構(gòu)。所述邊緣檢測例如是采用諸如Sobel算法、 Roberts算法、Laplacian算法、或Carmy算法的常規(guī)算法獲取邊緣信息，或先將彩色橫截面 圖像根據(jù)灰度閾值轉(zhuǎn)換為1位存儲的二值圖像再采用二值數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法獲取邊緣信息， 或采用灰度數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法獲取邊緣信息。彩色圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像所需的灰度閾值可 根據(jù)橫截面圖像灰度直方圖人工選擇手動賦值，或根據(jù)裸光纖橫截面圖像灰度使用迭代算 法計算獲得。在王耀明的題為“圖象閾值分割的統(tǒng)計迭代算法”的文章中公開了迭代算法 的計算過程是首先統(tǒng)計以《位存儲的裸光纖橫截面圖像中每個灰度值i的像素點數(shù)九.，其 中i=0，l，2，…，2"-1。根據(jù)前次迭代計算獲取的臨時灰度閾值T^計算W，和[7h， 2"-1]兩個灰度區(qū)間的加權(quán)平均灰度值，兩灰度區(qū)間的加權(quán)平均灰度值的平均值即為下次 迭代的臨時灰度閾值7；，其核心表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種迅速優(yōu)化光子晶體光纖拉制工藝的方法，其特征在于，在光子晶體光纖拉制過 程中包括以下步驟步驟一截斷拉成且未涂覆的裸光纖，采集拉制得到的裸光纖的橫截面圖像；步驟二 對裸光纖橫截面圖像進(jìn)行邊緣檢測，并重構(gòu)裸光纖橫截面幾何結(jié)構(gòu)；步驟三根據(jù)所述重構(gòu)的裸光纖橫截面幾何結(jié)構(gòu)，對裸光纖橫截面內(nèi)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分；步驟四使用數(shù)值模擬方法分析裸光纖的光子晶體光纖特性；步驟五將裸光纖的分析特性與光子晶體光纖的設(shè)計特性進(jìn)行比較，得到比較結(jié)果；步驟六根據(jù)比較結(jié)果，調(diào)整光子晶體光纖拉制工藝參數(shù)；重復(fù)上述步驟一至步驟六，直至所拉制裸光纖的分析特性與其設(shè)計特性的差異可忽略 不計，得到一組拉制該光子晶體光纖的優(yōu)化工藝參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的迅速優(yōu)化光子晶體光纖拉制工藝的方法，其中所述圖像采 集，包括使用膠片照相機(jī)或數(shù)字照相機(jī)或數(shù)字顯微鏡對未涂覆的裸光纖橫截面圖像進(jìn)行采 集，并存儲為以η位存儲的RGB模式彩色圖像，n=8,16，24，32，64。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的迅速優(yōu)化光子晶體光纖拉制工藝的方法，其中所述邊緣檢 測，是采用Sobel算法，或Roberts算法，或Laplacian算法，或Carmy算法獲取邊緣信息， 或?qū)⒉噬珯M截面圖像根據(jù)灰度閾值轉(zhuǎn)換為二值圖像后采用二值數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法獲取邊緣 信息，或采用灰度數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法獲取邊緣信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的迅速優(yōu)化光子晶體光纖拉制工藝的方法，其中所述網(wǎng)格劃 分，是進(jìn)行三角單元或矩形單元網(wǎng)格劃分，三角單元或矩形單元網(wǎng)格的大小與取向由所處 區(qū)域空氣和背景材料間的邊界形狀決定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的迅速優(yōu)化光子晶體光纖拉制工藝的方法，其中所述數(shù)值模擬 方法，是有限元算法，或棱邊元法，或有限差分法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的所述的迅速優(yōu)化光子晶體光纖拉制工藝的方法是一種管束法拉 制工藝方法。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的迅速優(yōu)化光子晶體光纖拉制工藝的方法，其中所述調(diào)整光子 晶體光纖拉制工藝參數(shù)是調(diào)整預(yù)制棒送料速度、光纖牽引速度、加熱溫度、預(yù)制棒毛細(xì)管內(nèi) 壓力、預(yù)制棒管棒間縫隙內(nèi)壓力中的一個或多個參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的迅速優(yōu)化光子晶體光纖拉制工藝的方法，其中所述灰度閾值 根據(jù)裸光纖橫截面圖像灰度使用迭代算法計算獲得，或根據(jù)橫截面圖像灰度直方圖人工選 擇手動賦值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的迅速優(yōu)化光子晶體光纖拉制工藝的方法，其中所述迭代算 法，是統(tǒng)計以《位存儲的裸光纖橫截面圖像中每個灰度值i的像素點數(shù)九.，并根據(jù)迭代公式 1計算灰度閾值7；，
10. 一種光子晶體光纖拉制系統(tǒng)，包括光纖拉制裝置，包括送料裝置、牽引裝置、加熱裝置和壓力調(diào)節(jié)裝置，用于拉制光子晶 體光纖；圖像采集裝置，用于采集所拉制的光子光纖晶體的橫截面圖像； 圖像邊緣檢測裝置，用于對圖像采集裝置所采集的圖像進(jìn)行邊緣檢測以獲得重構(gòu)的光 纖橫截面幾何結(jié)構(gòu)；光纖特性模擬裝置，包括對重構(gòu)的光纖橫截面幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格劃分裝置 和使用數(shù)值模擬方法分析該拉制的光子晶體光纖特性的特性模擬裝置；光纖特性比較裝置，用于將裸光纖的分析特性與光子晶體光纖的設(shè)計特性進(jìn)行比較， 并輸出比較結(jié)果；工藝參數(shù)控制反饋裝置，根據(jù)光纖特性比較裝置的比較結(jié)果對光纖拉制裝置的工藝參 數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種迅速優(yōu)化光子晶體光纖拉制工藝的方法。該方法在光子晶體光纖拉制過程中包括以下步驟截斷拉成且未涂覆的裸光纖，采集拉制得到的裸光纖的橫截面圖像；對裸光纖橫截面圖像進(jìn)行邊緣檢測，并重構(gòu)裸光纖橫截面幾何結(jié)構(gòu)；根據(jù)所述重構(gòu)的裸光纖橫截面幾何結(jié)構(gòu)，對裸光纖橫截面內(nèi)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分；使用數(shù)值模擬方法分析裸光纖的光子晶體光纖特性；將裸光纖的分析特性與光子晶體光纖的設(shè)計特性進(jìn)行比較，得到比較結(jié)果；根據(jù)比較結(jié)果，調(diào)整光子晶體光纖拉制工藝參數(shù)；重復(fù)上述步驟直至所拉制裸光纖的分析特性與其設(shè)計特性的差異可忽略不計，得到一組拉制該光子晶體光纖的優(yōu)化工藝參數(shù)。
文檔編號C03B37/03GK102092937SQ20101059066
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者婁淑琴, 李宏雷, 王立文, 蘇偉, 陳衛(wèi)國 申請人:北京交通大學(xué)