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1、课题光纤基础实验1掌握光纤传播光信号原理。教学目的 2 掌握光纤端面制备方法和光纤端面耦合方法；3数值孔径的概念和测量方法。重难点 1 光纤端面耦合的调整。2光纤端面制备方法。教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。学时 3 个学时一、前言光导纤维（ optical fiber） ，简称光纤，是一种可传导光波的玻璃纤维。光纤在20 世纪 50 年代首先应用于图像传输，主要在医学上用于观察人体内部。当时用的光纤传输损耗很大，即使最透明的优质光学玻璃，损耗也达到1000dB/km 。1966 年，美籍华人高锟博士指出， 玻璃中的光损耗主要由于其中所含的过度金属离子的吸收损耗造成。如能将这些离子的含量降
2、到106 数量级以下， 可使玻璃对光吸收的损耗下降到 10dB/km以下。在理论的指导下，人们不断改进光纤制造工艺，光纤的损耗已经达到 2dB/km。从而使长距离多路通信传输成为可能。光纤通信的特点是频带宽，成本低，抗电磁干扰，抗腐蚀，防燃，防爆，信息容量大、并行无串扰等许多应用上的优点。光纤通信技术的应用随着光纤研究的深入，人们发现某些光纤易受温度、压力、电场、和磁场等环境因素的影响，导致光强、相位、频率、偏振态和波长的变化。光纤无需其他中介就能把待测量和光纤内的传导光联系起来，能够很容易的制成以光纤为传感媒质的传感器。从而诞生了一门全新的光纤传感技术。它的基本工作原理是：将稳定光源发出的光
3、送入光纤并传输到测量现场，在测量现场的被测量对光的特性，如光的振幅、偏振态、相位、频率等进行调制，然后由同一根光纤或另一根光纤返回到光探测器，根据光特性的变化测出被测信号。 或者把光信号转化为电信号后进行测量。光纤传感器以其高灵敏度，抗电磁干扰，可绕曲，结构简单，体积小，易于微机连接，便于遥测等优点，获得广泛应用。应用范围遍布于军事，商业，医学，工业控制等诸多领域。本实验将学习光纤的光学特性数值孔径的测试方法、光纤的切割、耦合的理论知识和实验方法，光纤Mach Zehnder 干涉仪的原理，对温度和应变传感的测量。二、实验仪器光纤干涉演示仪， GY10型 HeNe 激光器一套，光能量测试仪，6
4、63nm 多模光纤 1 米，光纤切割刀一套。三、实验原理1光纤结构图 1 是光纤结构示意图。它呈同心圆柱状，在折射率为n1 的圆柱形纤芯外面是折射率为 n2（n1n2）的同心圆柱包层。纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封闭在纤芯中传播。光纤是玻璃细丝，性脆，易折断，为此在包层的外面又加上涂敷层，它一般由硅桐树脂或丙烯盐酸材料制成，可增加光纤的韧性和机械强度，防止光纤受外界损伤。 根据纤芯折射率的分布， 光纤可分为阶越折射率型光纤和渐变折射率型光纤，如图 2 所示。阶越折射率型光纤纤芯的折射率n1 为常数，所以又称为均匀折射率光纤。而渐变折射率型光纤纤芯的折射率沿径向向外连续减小。He-N
5、e 激光器聚光透镜五维微调架光纤夹头光纤支撑架白屏光纤滑动导轨插孔纤芯包层涂敷层图光纤结构示意图图典型的光纤结构和光传输形式光纤的数值孔径在均匀折射率光纤中， 光是依靠在纤芯和包层两种介质分界面上的全反射向前传播的。射入光纤的光线有两种，一种是穿过光纤纤芯轴线的光线，叫子午光线，如图（）所示，子午光线在光纤内沿锯齿形的折线前进。另一种是斜光线，不穿过纤芯的轴线，如图（ b）所示，从光纤的横剖面上看，斜光线的传播轨迹呈多边形折线状。图 3 均匀折射率光纤中光线的传播如图（）所示，设有一束子午光线以入射角从空气进入折射率为n1 纤芯，只有当小于某一数值m时，才能使入射光线在纤芯和包层分界面上的入射
6、角 大于全反射所需临界角c。根据折射定律，在图中左侧端面处有：)2sin(sin10cmnn （1）（1）式中 n0 为空气折射率，取n01。而光在纤芯和包层分界面上产生全反射的临包层纤芯包层纤芯n1n2n1n2（a）均匀折射率光纤（b）渐变折射率光纤（）（）m斜光线子午光线n1 c轴线n2 （a）（b）界角c满足：12sinnn c（2）由（1） （2）两式可得2221sinnnm，凡是入射角小于m的子午光线，都可以在光纤中靠全反射向前传输。入射角大于m的子午光线在界面上发生折射穿过包层射出，不能向前传输，msin是反映光纤性能的一个重要参数，称为光纤的数值孔径NA（Numerical Ap
7、erture） 。它表示光纤的集光能力，数值孔径越大，接受光的能力越强。若将纤芯与包层的相对折射率之差用121211nnnnn表示，则数值孔径可表示为：2sin12221nnnm光纤数值孔径的另一种定义是远场强度有效数值孔径，它是通过测量光纤远场强度分布来确定的。其定义方法是：当远场辐射强度（每单位立体角的光功率）达到稳态分布时， 测量光纤出射端的光功率分布曲线以及光纤端与探测界面的距离，光强下降到最大值的 5% 处的半张角的正弦值（如图4（a）所示） ，即为光纤数值孔径。22max/qlqNA（4）采用上述方法测量光纤的数值孔径，待测光纤不宜太长或太短，以2m为左右为宜。图 4 远场光强法和
8、远场光斑法原理图光纤数值孔径的测量方法（1）远场光强法远场光强法是 CCITT组织规定的 G.651 多模光纤的基准测试方法. 该方法对测试q q l 光纤端r P 屏d 光纤端l （a）远场光强法（b）远场光斑法光纤样品的处理有严格要求, 需要强度可调的非相干稳定光源, 具有良好线性的光检测器等等。（2）远场光斑法这种测试方法的原理本质上类似于远场光强法，只是结果的获取方法不同。 简单易行，可以采用相干光源，原理性实验中多采用这种方法，如图4（b）所示。测量时，在暗室中将光纤出射远场投射到白屏上，测量光斑直径d，用光斑半径 d/2 替代远场强度法中的 q 值，测量光纤端与观察屏的距离l ，然
9、后用公式（ 4）计算光纤的最大理论数值孔径。3光纤与光源的耦合光纤与光源的耦合有直接耦合和经聚光器件耦合两种。直接耦合是使光纤直接对准光源输出的光进行的对接耦合。将制备好的光纤端面靠近光源的发光面，调整两者的相互位置，使光纤输出端的输出光强最大。然后固定其相对位置。这种方法简单可靠，但必须有专用设备。如果光源输出光束的横截面积大于纤芯的横截面积，将引起较大的耦合损耗。经聚光器件耦合是将光源发出的光通过聚光器件将其聚焦到光纤端面上，并调整到最佳位置，使输出光强最大。聚光器件有传统的透镜和自聚焦透镜，这种方法耦合效率较高。耦合效率的计算公式为)(lg1021dB pp式中，P1为耦合进光纤的光功率
10、（近似为光纤的输出光功率），P2为光源输出光功率。双光纤 M Z 干涉传感实验英国物理学家托马斯 . 杨最初所作的双缝干涉实验如图所示。由光源L 发出的光照射在单缝 S上，使 S成为一个缝光源， 在 S前面放置两个相距很近的狭缝S1和 S2，且 S1和 S2与 S之间的距离均相等， S1和 S2是由同一光源 S的球形波阵面上分离出来的两个光源，振动方向相同，频率相同，相差为零的相干条件。因此，S1和 S2发出的光在空间相遇，将产生干涉现象。图 5 杨氏双缝干涉实验原理图图 6 双光纤干涉条纹本实验采用光纤作为产生相干光的光源来实现双缝干涉，可以获得非常清晰的，条纹间距很宽的干涉图样，该干涉条纹
11、投射到观察屏上可以清晰的观察到。见图6。光纤 Mach Zehnder 干涉仪两光纤所构成的光路受到干扰时，会导致空间干涉条纹的移动。利用这一特性，可以构成光纤 Mach Zehnder 干涉仪。双光路干涉光纤M Z 干涉仪的工作原理如图7 所示。从激光器输出的激光经透镜耦合后进入光纤分路器，分路器输出端的两根光纤，一根作为参考光纤，一根作为传感器的相位调制光纤。两光纤的出射光场在空间发生干涉，形成如图6 所示的均匀干涉条纹。图 7 MZ 光纤干涉仪原理图光纤干涉仪中的相位调制当一真空中波长为 的光经过光纤时，若被调制的光纤长为L，则对应的相位为：nL2（1）温控室反光镜分路器显示屏光纤支撑架
12、输入端式中 光源光波在真空中的波长；n 光纤芯折射率；L 光纤长度。其中， 为恒值，因此，光纤长度L 的变化和光纤折射率n 的变化会导致光相位的变化，由（ 1）式两边取微分得)(2nLLn （2）（1）温度对相位的调制光纤受热后发生物理线性热膨胀，改变光纤长度L；温度的变化也会导致光学折射率 n 的变化，均导致光相位变化，由（2）式两边除以温度变化量T 得)(2TnnTLLn TL（3）式中 n 为光纤折射率，与温度相关，设T25时，光纤芯的折射率为1.46 TLL为光纤的线性热膨胀系数，记为t，其值为 5.5 107/ Tnn为光纤的折射率温度系数， 记为 CT ， 光源波长为 632.8n
13、m时， CT=6.62105/ . 将上述值代入（ 3）式，得)/(94.103mCrad TL（4）式（4）表明，在 1m长的光纤上，温度每变化1，相位变化 103.94rad ，相位每变化 2 移动一根条纹，因此温度变化1，则有 16 根条纹移动。通过对移动条纹计数，即可获得温度变化值。四、实验内容与步骤1、光纤数值孔径的测定（1）光纤端面制备： 用剥线钳剥除光纤两端的护套和涂敷层（涂敷层的剥除方法亦可用丙酮浸泡 23 分钟，然后用手轻轻剥除）， 使光纤包层裸露出来， 称之为裸纤。剥除后，用脱脂棉蘸乙醇和乙醚混合液将光纤头清洗干净。然后用光纤切割刀在裸纤侧面垂直于光纤轴的方向上轻轻刻一小口
14、，弯曲此处使其折断。光纤刀用完后，应立即套上塑料保护套以保护刀口。 光纤端切割的好坏直接影响着光纤与光电器件的耦合效率。手动切割的质量以及成功率，依赖操作者的经验。切割后的断面平整，清洁，并且与光纤中心垂直如图 a 所示，图 b，图 c 显示了几种切割失败的情形。图 切割后光纤端面示意图（2）. 光纤与光源的耦合：首先调节激光光源方向。插上光靶，取下聚焦透镜，调整光源方位螺丝，使光线穿过光靶上的小孔 （注意，且不可用眼睛直视激光！ ） 。从五维微调架上取下光纤夹头，将光纤输入端从夹头中心穿过，压紧固定钢片，然后将光纤夹头插入五维微调架，使光纤头端面大致位于透镜焦距处。将光纤另一端穿入光纤支撑架
15、，压紧固定钢片。如图所示。安装过程中注意避免大角度弯折光纤。微调五维五维微调架上的5 个方位调节旋钮，当光纤输出端出现显著发光现象时，说明光源和光纤耦合到位。（3）在滑动支架上插入白屏， 向光纤输出端靠近， 可观察到屏上出现圆形出射光斑。（4）在白屏上贴上坐标纸，测量光斑直径d 并记录。（5）测量光纤输出端端面到白屏的距离l 并记录。2、M-Z光纤干涉实验(1) 用光纤切割刀切割带有输出端的单模光纤，切割出光纤输入端。(2) 拔下光纤输出端塑料套，插入光纤干涉演示仪光纤输入接口，扭紧螺丝。(3) 将光纤卡入五维光纤耦合架， 调节光纤端面位置， 使之大致处于聚光透镜焦点（a）切割成功（b）切割失
16、败（c）切割失败处（大约 1cm左右）打开 HeNe激光器电源。微调光纤耦合架，使汇聚后的激光与光纤端面完全耦合（可观察到光纤靠近输入端变红）(4) 在暗室状态下观察光纤干涉演示仪显示屏上的竖直干涉条纹。(5) 位移传感测量。转动光纤干涉仪上的螺旋测微器。观察显示屏上条纹的移动。以屏幕中央竖直刻线为参照，每移动5 个条纹记录一次测微器读数。共记录10 次以上的数据。测量完毕后，将螺旋测微器还原到零读数。(6) 温度传感测量。旋按下温度设定按钮，设定升温目标值。再次按一下按钮，回到测温状态，仪器显示当前温度传感调制光纤温度。随着温度的上升，可观察到条纹的移动。每移动 10 个条纹记录一次温度读数。共记录10 次以上的数据。(7) 测量完毕后，关闭激光器和光纤干涉仪电源。五、数据处理1、用公式（ 4）计算光纤的数值孔径NA 。2、应变传感测量，用逐差法处理数据，求得K值。3、温度传感测量表 1 温度传感测量数据移动条纹10 10 10 10 10 10 10 10 温度 /
