实验四、光纤纤端光场轴向、径向分布的测试.doc

实验四 光纤纤端光场轴向、径向分布的测试光纤纤端光场的分布是反射式光纤传感实验的基础。通过纤端光场的分布的测量可以给使用者以直观的印象，并且对光纤传光特性有一定的定性和定量的掌握。同时，它的测量涉及到光纤传感器的设计、使用方法等基本问题，具有重要意义。一、实验目的1、了解“光纤传感实验仪”的基本构造和原理，熟悉其各个部件，学习和掌握其正确使用方法；2、定性了解光纤纤端光场的分布，掌握其测量方法、步骤及计算方法；3、测量一种光纤的纤端光场分布，绘出纤端光场分布图。二、实验仪器光纤传感实验仪主机、接收光纤、发射光纤、二维调节架。如图a、b、c、d所示。其中，LED-光源输出插座；PIN-光探测器输入插座；AUTO-自动步进键；PRO-编程控制键；UP、DOWN-配合PRO设定输出电流上下限；SET-设置键；UL、DL、mA、mV、mW-仪器显示状态指示灯。（a）光纤传感实验仪主机（b）发射光纤组件（c）接收光纤组件（d）二维调节架图1 光纤传感实验仪示意图三、实验原理1.光纤纤端光场的径向分布按照光纤传输的模式理论，在光纤中光功率按模式分布。叠加后的光纤纤端光场场强沿径向分布可近似由高斯型函数描写，称其为准高斯分布。另外沿光纤传输的光可以近似看作平面波，此平面波在纤端出射时，可等价为平面波场垂直入射到不透明屏的圆孔表面上，形成圆孔衍射。实际情况接近于两者的某种混合。为分析方便起见，作以下假设：光纤端面：光场是由光强沿径向均匀分布的平面波和光强沿径向为高斯分布的高斯光束两部分构成的；出射光场：纤端出射光场由准平面波场的圆孔衍射和在自由空间中传输的准高斯光束叠加而成。在以上假设下可推导出理论公式（1） (1) 式（1）表明，纤端出射光场场强分布是由不同权重下的高斯分布和平面波场的圆孔衍射分布叠加的结果。纤端光场既不是纯粹的高斯光束，也不是纯粹的均匀分布的几何光束，为了更好地与实际情况符合，我们综合这两种近似情况，并引入无量纲调合参数，可以给出如下结果： (2)实际使用过程中，对于渐变折射率光纤有时取=2-1/2；对于突变折射率分布的光纤通常取=1，对于芯径较粗的多模光纤而言，衍射效应基本上被平均化了，即取p0，q1。因而对于大芯径多模光纤，为使用方便，式（1）通常取如下形式： （3）光纤纤端光场的径向分布如图2所示。图2 光场径向分布理论曲线2.光纤纤端光场的轴向向分布光纤纤端光场的轴向分布如图3所示。图3 光场轴向分布理论曲线四、实验内容及操作要点径向测量：1将光源光纤卡在微动调节架上，将探测光纤卡在微动调节架另一端上，并使两光纤探头间距调到约0.5 mm左右。2接通电源，将LED驱动电流调到指定电流（15 mA）。3调整径向、轴向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大，此时可以认为入射光纤和出射光纤已对准。4. 沿某一方向旋转径向微动调节架，直至输出电压为0，再向相反的方向旋转一点，记录螺旋测微器的读数，继续向该方向旋转，每转过5个小格记录电压输出值，直至电压再次变为0。5将两光纤探头的间距调到1.0 mm，重复步骤4、5。轴向测量：重复径向测量中的1、2、3步。4、调整轴向微动调节架，将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数，然后开始测试，将轴向微动调节架向相反的方向旋转（使探测光纤与光源光纤远离），每转过5个小格记录电压输出值，直至电压变为0（当电压变化较缓慢时，每次可转过10小格记录一次）。五、实验数据