光纤基础实验教学指导

1、光纤基础实验教学指导光导纤维（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。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。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

2、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。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MachZehnder干涉仪的原理，对温度和应变传感的测量。、教学目的1、掌握光纤端面制备方法和光纤端面耦合方法。2、

3、数值孔径的概念和测量方法。、教学要求1、实验三小时完成。2、学习训练光纤端面制备技术。3、学习掌握光纤与光源耦合技术。4、定性观察M-Z双光纤干涉实验三、教学重点和难点1、重点：数值孔径的测量。2、难点：光纤端面制备技巧。四、讲授内容（约20分钟）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m的圆柱形纤芯外面是折射率为n2（n 1>n2）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

4、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m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。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3(a)所示，设有一束子午光线以入射角二从空气进入折射率为n1纤芯，只有当 小于某一数值-时，才能使入射光线在纤芯和包层分界面上的入射角©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：nosi=msin( c)2 (

5、1)(1)式中nO为空气折射率，取nO1。而光在纤芯和包层分界面上产生全反射sin% =皿的临界角C满足：ni(2)由(1 ) (2)两式可得 Snm = n：-强，凡是入射角二小于窃的子午光线，都可以在光纤中靠全反射向前传输。入射角大于斗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，加入是反映光纤性能的一个重要参数，称为光纤的数值孔径NA(NumericalAperture)。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M 表示，则数值孔径可表示为：sin 出=口? -r)22 ： m 2 二光纤数值孔径的另一种定义是远场强度有效数值孔径，它

6、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。NAriax二 q/Rq2(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。光纤数值孔径的测量方法(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

7、,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I，然后用公式(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。双光纤M- Z干涉传感实验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，该干涉条纹投射到观察屏上可

8、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MI-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。5、实验主要步骤？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使光纤包层裸 露出来，称之为裸纤。剥除后，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

9、一小口，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4 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，压紧固定钢片。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

10、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I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处(大 约1cm左右)打开H» Ne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。

11、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1 0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、实验注意事项？1、保护光纤笔，用完后立即套上塑料套，切不可掉在地上，摔坏刀口。2、激光管两端的高压引线头是裸露的，且激光电源空载输出电压高达数千伏，要警 惕误触。3、