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1、光纤传感实验光纤特性的研究和应用是20世纪70年代末发展起来的一个新的领域。光 纤传感器件具有体积小、重量轻、抗电磁干扰强、防腐性好、灵敏度高等优点; 用于测量压力、应变、微小折射率变化、微振动、微位移等诸多领域。特别是 光纤通信已经成为现代通信网的主要支柱。光纤通信的发展极为迅速，新的理 论和技术不断产生和发展。因此，在大学物理实验课程中开设“光纤特性研究 实验”已经成为培养现代高科技人才的必然趋势。传感器是信息技术的三大技 术之一。随着信息技术进入新时期，传感技术也进入了新阶段。“没有传感器技 术就没有现代科学技术”的观点已被全世界所公认，因此，传感技术受到各国 的重视，特别是倍受发达国家
2、的重视，我国也将传感技术纳入国家重点发展项 目。光纤特性研究和应用是一门综合性的学科，理论性较强，知识面较广，可以 激发学生对理论知识的学习兴趣，培养学生的实践动手和创新能力，光纤干涉系 列实验教学的开设就显得非常重要了。基于这个目的，我们对光纤干涉实验教学 进行了初步探索，在此基础上，该实验还可以进行一些设计性及研究性实验。一、实验目的1. 了解光纤与光源耦合方法的原理；2. 理解M-Z干涉的原理和用途；了解传感器原理；3. 实测光纤温度传感器实验数据。二、实验仪器激光器及电源，光纤夹具，光纤剥线钳，激光功率计，五位调整架，显微镜， 光纤传感实验仪，CCD及显示器，等等三、实验原理(1) 光
3、纤的基础知识光纤的基本结构如图1，它主要包括三层(工程上 1 有时有四层或五层，图中是四层结构)：1.纤芯；2.包层；L。3.起保护作用的涂敷层；4.较厚的保护层。纤芯和包层的折射率分别是 1和2， 如图2,为了使光线在光纤中 图1.光纤剖面图传播，纤芯的折射率（n 1 ）必须比包层（n2）的折射率大，这样才会产生全反射。光线1以6角入射在光纤端面上，光线经折射后进入光纤，以甲角入射到 纤芯和包层间的光滑界面上。只要我们选择适当的入射角。，总可以使中角大于 临界角气，气的大小由公式中=arcsin（n2/n1）决定，使光线1在界面上发生全 反射。全反射光线1又以同样的角度甲在对面界面上发生第二
4、次反射。如果光纤 是均匀的圆柱体，入射光线经无数次反射后从另一端以和入射角相同的角度射 出。（思考：该原理是否可以帮助测量数值孔径）图2圆柱形光纤传光原理在光纤断面上，当光线入射角小于一个定值6时，折射光线在纤芯和包层 a界面上的入射角甲才会大于临界角甲，光线才能在光纤内多次全反射而传递到 另一端。在光纤端面上，入射角6 6a的那些光线，折射后在界面上的入射角小 于临界角甲，光线将射出界面，如图中光线2。这个入射角6,称为光纤的孔径 角，它的数值由光纤的数值孔径决定。光纤的数值孔径（NA）定义为NA = n sin6 = Jn2 一 n2（ 1）式中n是入射光线所在介质的折射率，n和n分别为光
5、纤的纤芯和包层的 012折射率。由式（1）可见，纤芯和包层的折射率相差越大，6a越大，光纤的数值 孔径就越大。数值孔径是表示光纤集光能力的一个参量，它越大就表示光纤接收 的光通量越多。（2）光纤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。聚光器件有传统的 透镜和自聚焦透镜之分。自聚焦透镜的外形为“棒”形(圆柱体)，所以也称之 为自聚焦棒。实际上，它是折射率分布指数为2(即抛物线型)的渐变型光纤棒 的一小段。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。这种方法 的操作过程是：用光纤剥线钳剥去保护层和涂敷层，清理干净光纤包层，然后 用宝石刀切割，制备出平整的光纤端面；调整激光
6、器和纤芯置的相对位置，使 光纤输出端的输出光强最大，然后固定。如果光源输出光束的横截面面积大于 纤芯的横截面面积，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(光纤输出端的输出光强最大)。光耦合效率与光纤端面质量 和耦合透镜的数值孔径有关，当光纤断面处理的质量较好，数值孔径与耦合透 镜数值孔径相匹配时可得到最佳耦合效率.这种耦合方法能提高耦合效率。耦合 效率n的计算公式为门=p x10O% 或门=-10lg-i(dB)(2)式(2)子中P1为耦合进光纤的光功率(近似为光纤的输出光功率)。P2为光 源输出的光功率。(3) 光纤干涉仪的相
7、位调制机制当真空中波长为入0的光入射到长度为/，纤芯折射率为n的光纤上时，若以 其入射端面为基准，则出射光的相位为中=k nl = kl(3)2兀式中 k = ,k = k no显然，k,n 及l的变化都会导致光波相位的变化，即实现相位调制，由式(3) 有中=A(kl) = k 01 叩 + k 0 nM(4)光纤长度和直径的变化以及折射率的变化都会引起相位调制。温度变化对相位调制的作用：有式(4)有(5)中AnM史。AT “AT(6)1A中七(An * nAl)1a o( at + Iat(4)马赫一曾德尔(Mach-Zehnder)光纤干涉仪的结构与测温原理马赫一一曾德尔光纤干涉仪是最早用
8、于温度测量的一种光纤温度传感器，干 涉仪由两臂组成，一个是参考臂，提供相位基准;另一个是传感臂，用于光相位 调制，对待测物理量的变化敏感。参看图3,由氦氖激光器发出的激光经分束器 分成两路，分别送入两根长度基本相同的单模光纤。将两根光纤的输出端并合到起，在输出光斑重叠区将出现干涉光场。测量臂光纤受到温度场作用，纤芯折射率和几何长度会有一微小变化，使沿 此臂传播的光波光程发生变化，则两臂输出端光波相位差发生变化，从而引起十涉场干涉条纹的移动。显然，干涉条纹的移动数目反映出温度场温度的变化。La 氦氖激光器；Mi和M-反射镜;BS 分束镜；TV 显示器；L、L聚光镜;OF1、OF2-单模光纤；Mi
9、、CCD 一一成像装置；HF-恒温器测量臂光波相位变化是由温度引起的，由(6)给出了光纤干涉仪的温度灵敏度:或者A甲2k An n Al、= (+) AT * l 入 AT l ATA 1 * An K Al=_ *+ _ * 里AT n AT l AT(8)式中l为测量臂置于温度场部分的长度，AT为温度变化量，中=尹nl。当 0温度变化AT时，干涉场中任意一点上干涉条纹的移动数目为m,则相位变化 量中=2兀侦(9)当干涉仪用的单模光纤的规格已知时，光纤的温度灵敏度就是确定的值。例 如，剥去护套层的石英玻璃光纤，其1(41) = 0.68*10 -5/C，其线性膨胀系数n AT1(乂) = 5
10、.5*10-7/C，入n=632.8nm，代入式(8)，算出裸光纤的温度灵敏度 l AT0巴=0.74*10-5 / C中AT或者由 n=1.456,入二632.8nm,坐=1*10-5/ C，包*1 = 5.5*10-7/C及式 0ATAT l(7)算出光纤温度灵敏度包=107rad / (C*M)。lAT由于石英光纤的热膨胀系数极小(5.5*10-7/C)，其温度灵敏度几乎完全由 折射率变化(0.68*10-5/C )所决定。为了提高光纤温度灵敏度，在石英光纤外 面包有一层护套层，使护套层材料的杨氏模量和膨胀系数对光纤的温度灵敏度有 较大影响，这种做法称为对光纤进行温度“增敏”。计算表明，
11、有护套层的石英 光纤灵敏度-A = 1.64*10-5 / C中AT比裸光纤(空巴=0.74*10-5 / C)大很多。中AT参考臂光纤压力传感实验债模块示意囹图4传感器原理图顼悝臂“匚和显示器Hm跋光器五维徽调架加热装置分束器四、实验基础内容1. 光纤端面制作说明：用光纤剥线钳剥去涂敷层，光纤有三层、四层、五层 之分，如果是三层光纤，先用拨线钳剥去涂敷层，将剩下的包层和纤芯嵌入光纤 夹具，用宝石刀切割端面，制备出完好的光纤端面；若是四层光纤，应先剥去外 保护层，其它步骤同上；若是五层光纤，应先剥去第五和第四保护层，其它步骤 同上。2. 光纤耦合效率测量1. 取一根合适长度的光纤，切好端面，将
12、切好端面的光纤固定在五维调整架 上，并使光纤大致对准激光器；2. 打开激光器，调节“电流调节”旋钮，使电流值为5mA；3. 粗调节：调节五维调整架，使激光打在光纤端面上，光纤的另一端（PC 头）是旋入功率计测量端口上；4. 按下“山”键打开光功率计；按下“键选择光波长为633nm；按“ W/dBm”键选择pW为测量单位；5. 细调节：仔细调节五维调整架，使得激光与光纤的耦合达到最佳状态， 当功率计示数最大时，记录光功率计读数。重复步骤5三次，记录三组实验数 据；计算耦合效率；实验完毕后，长按光功率计“由” 键关闭光功率计并拔下光功率计 电源；关闭激光器电源。3光纤传感实验1. 打开机箱总电源；
13、打开激光器电源，调节激光器电流示数为4mA；打开 显示器电源；2. 将切好端面的光纤固定在五维调整架上，使之与激光器达到最佳耦合状 态，此时应能在显示器上观察到清晰的干涉条纹；3. 按下数显温控仪上的温度设定按钮，设置最高加热温度为45 C，弹起 温度设定按钮，此时数显温控仪上显示的是将被加热的光纤实时温度；4. 打开加热开关，在显示器上选择合适的参考位置，观察条纹变化，当温 度示数为31 C时，开始记录数据：条纹每移动5条，记录其对应温度，记录 至少10组数据;被加热的光纤长度以29.00cm计算，给出光纤温度灵敏度（中）；5. 关闭加热电源，等温度示数稳定后，调节机箱后面螺旋测微器压力调节
14、 旋钮观察条纹变化,理解条纹移动与应力形变之间关系；6. 实验完毕后，关闭所有电源，整理好各仪器。五. 实验进阶内容远场光斑法测量光线的数值孔径：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。虽然不是基准法，但简单易行，而且可采用相干光源。原理性实验多半采 用这种方法。其测试原理如图4所示。He-Ne激光器-五维微调架光纤耦合架633nm多模光纤 输出光图 4 远场光斑法原理图测量时，在暗室中将光纤出射远场投射到白屏上（最好贴上坐标格纸，这样更方便），测量光斑直径（或数坐标格），通过下面式子计算出数值孔径。式子中k为一常数，可由已知数值孔径的光纤标定；d为光纤输出端光斑的
15、 直径。例如，设光纤输出端到接收屏的距离为50cm，k =0.01，d =20cm，立即 可以算出数值孔径为0.20。对于未知的k，我们可以由上述的距离和光斑直径根据。=arctg（d/2L）求出 6，再由NA=sin6求出NA的近似值。建议我们在实验中采用该方法。六. 实验扩展内容光纤传输损耗的测量：1）光纤传输损耗的含义和表示方法光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，光波强度（或光功率）将逐渐 减弱，这就是传输损耗。光纤的传输损耗与所传输的光波长人相关，与传输距 离L成正比。通常，以传输损耗系数以（X）表示损耗的大小。光纤的损耗系数为光波在光纤 中传输单位距离所引起的损耗，常以短光纤的输出光功率P1和长光纤的输出光 功率P2之比的对数表示，即.1 P .a （人）=10lg （dB： km）L P2光纤的传输损耗是由许多因素所引起的，有光纤本身的损耗和用作传输线 路时由使用条件造成的损耗。（1） 光纤的传输损耗的测量方法光纤传输损耗测量的方法有截断法、介入损耗法和背向散射法等多种测量方 法。A.截断法这是直
