01光纖數(shù)值孔徑NA性質(zhì)與參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)16

1、實(shí)驗(yàn)一 光纖數(shù)值孔徑（NA）性質(zhì)與參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)光在光導(dǎo)纖維中傳播的基本原理2、掌握測(cè)量通信石英光纖的數(shù)值孔徑2、熟練光學(xué)調(diào)節(jié)技術(shù)及熟悉光功率計(jì)二、實(shí)驗(yàn)儀器1、光源 1臺(tái)2、讀數(shù)旋轉(zhuǎn)臺(tái) 1個(gè)3、三維微調(diào)架 1個(gè)4、光纖兩根（單模、多模各一根） 2根5、光纖適配器 1個(gè)6、光斑屏 1個(gè)7、光功率計(jì) 1個(gè)三、實(shí)驗(yàn)原理1、 光纖的基本構(gòu)造光纖的構(gòu)造如圖11所示。它主要有纖芯、包層、涂敷層及套塑四部分組成。(1) 纖芯 纖芯位于光纖的中心部位。它主要成分是高純度的二氧化硅，其純度高達(dá)99.99999%，其余成分為摻入的少量摻雜劑，如五氧化二磷(P2O5)和二氧化鍺（GeO2）。摻雜劑

2、的作用是提高纖芯的折射率。纖芯的直徑一般為550微米。(2) 包層 包層也是含有少量摻雜劑的高純度二氧化硅。摻雜劑有氟和硼。這些摻雜劑的作用是降低包層的折射率。包層的直徑2b一般為125微米。(3) 涂敷層 包層的外面涂敷一層很薄的涂敷層。通常進(jìn)行兩次涂敷，涂敷層材料一般為環(huán)氧樹(shù)脂或硅橡膠。該層的作用是增強(qiáng)光纖的機(jī)械強(qiáng)度。(4) 套塑 涂敷層之外就是套塑。套塑的原料大都是采用尼龍或聚乙稀。 它的作用也是加強(qiáng)光纖的機(jī)械強(qiáng)度。一般沒(méi)套塑層的光纖稱(chēng)為裸光纖。2、光纖的傳光原理（1）光纖的傳光原理：采用幾何光學(xué)來(lái)分析時(shí)主要包括光的反射、折射和全反射等。采用波動(dòng)理論分析時(shí)主要包括導(dǎo)模、模數(shù)、雙折射等。（

3、2）光在光纖中的傳播主要有二種類(lèi)型，如圖12所示。（a）階躍型光纖 其光纖折射率呈階躍型分布。該種光纖的纖芯折射率均勻且比包層高，以保證傳輸光能在纖芯和包層的界面上實(shí)現(xiàn)全反射，光傳輸軌跡為鋸齒形。當(dāng)光纖NA大時(shí)，反射次數(shù)多、損耗大。階躍光纖是光纖應(yīng)用的基本類(lèi)型。（b）漸變型光纖 其纖芯的折射率呈曲面分布，使傳輸光的軌跡為光滑曲線(xiàn)（如正弦函數(shù)曲線(xiàn)），也稱(chēng)蛇形傳光。其優(yōu)點(diǎn)是NA大，色散和損耗較小，傳輸距離大，但價(jià)格高。另外，在單模光纖中，纖芯的直徑很小，光線(xiàn)幾乎是沿著光纖軸傳播的。3、光纖的傳輸模式對(duì)于階躍光纖，光纖中的傳輸模式與波導(dǎo)參數(shù)V有關(guān)。波導(dǎo)參數(shù)V的定義為：V=2pa(NA)/l (1-1

4、)式中a 光纖纖芯的半徑；NA 光纖的數(shù)值孔徑；l 入射光波長(zhǎng)。 在光纖NA保持一定的情況下，光纖的芯徑越大，則波導(dǎo)參數(shù)越大。光纖能傳播的模式也越多，當(dāng)V2.4的時(shí)候光纖就只能傳播單一模式，這種光纖稱(chēng)為單模光纖；當(dāng)V>2.4時(shí)能傳播多種模式，例如V3.8時(shí)，光纖就傳輸四種模式()，在這種光纖輸出端可觀測(cè)到對(duì)應(yīng)于這4種模式的4種光斑類(lèi)型，所以一般V>2.4的光纖就稱(chēng)為多模光纖。圖1-4是光脈沖在多模光纖和單模光纖中的傳輸性能示意圖。由圖1-4可見(jiàn)，多模光纖損耗大、色散較強(qiáng)，因而脈沖畸變嚴(yán)重；而單模光纖損耗和色散性能都較佳，對(duì)光脈沖的影響較小。光纖長(zhǎng)距離通訊中的光纖是用單模光纖，就是這

5、個(gè)原因。 4、光纖的光學(xué)參數(shù)和特性（1）光纖的數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑（NA）是衡量一根光纖當(dāng)光線(xiàn)從其端面入射時(shí)，它接收光能大小的一個(gè)重要參數(shù)，也就是說(shuō)它是反映光纖捕捉光線(xiàn)（或聚光）能力大小的一個(gè)參數(shù)。如圖六所示，通常我們考慮的是光纖中子午光線(xiàn)的數(shù)值孔徑。設(shè)c為光纖內(nèi)產(chǎn)生全反射時(shí)的臨界角，則可知Sinc=n2/n1.因?yàn)楣馐菑目諝猓╪0=1）入射到光纖端面的，所以根據(jù)圖五，可得由此又可得 (1-2)通常，通訊中用的光纖為弱導(dǎo)光纖，其纖芯和包層的折折率差很小，可近似認(rèn)為n1+n22n1，若定義相對(duì)折射率差為=(n1-n2)/n1,則 (1-3) 這就是光纖的數(shù)值孔徑的定義式，稱(chēng)之為光纖的最大理論數(shù)值孔徑

6、。光纖的數(shù)值孔徑的測(cè)試通常采用方法有：“近場(chǎng)法”和“遠(yuǎn)場(chǎng)法”。A、“近場(chǎng)法”是根據(jù)數(shù)值孔徑的定義，測(cè)出折射率n1和n2，求得數(shù)值孔徑NA為。由這種方法測(cè)出的數(shù)值孔徑稱(chēng)為“理論數(shù)值孔徑”或“標(biāo)稱(chēng)數(shù)值孔徑”。B、“遠(yuǎn)場(chǎng)法”如實(shí)驗(yàn)所述的測(cè)量光纖的數(shù)值孔徑（NA）的兩種方法。光纖數(shù)值孔徑（NA）是光纖能接收光輻射角度范圍的參數(shù)，同時(shí)它也是表征光纖和光源、光檢測(cè)器及其它光纖耦合時(shí)的耦合效率的重要參數(shù)。圖16示出了階梯多模光纖可接收的光錐范圍。因此光纖數(shù)值孔徑就代表光纖能傳輸光能的大小，光纖的NA大，傳輸能量本領(lǐng)大。NA的定義式是no*Sin= （14）式中n0為光纖周?chē)橘|(zhì)的折射率，為最大接受角。n1和

7、n2分別為光纖纖芯和包層的折射率。光纖在均勻光場(chǎng)下，其遠(yuǎn)場(chǎng)功率角分布與理論數(shù)值孔徑有如下關(guān)系： （15）其中是遠(yuǎn)場(chǎng)輻射角，Ka是比例因子，由下式給出： （16） 式中P（0）與P（）別分=0和=處遠(yuǎn)場(chǎng)輻射功率，g為光纖折射率分布參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，若取P（）/P（0）=5%，在g2時(shí)Ka的值大于0.975。因此可將對(duì)應(yīng)于P（）曲線(xiàn)上光功率下降到中心值的5%處的角度e的正弦值定義為光纖的數(shù)值孔徑，稱(chēng)之為有效數(shù)值孔徑： （17）本實(shí)驗(yàn)正是根據(jù)上述原理和光路可逆原理來(lái)進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖17所示。三、實(shí)驗(yàn)步驟 試驗(yàn)內(nèi)容包括：校正調(diào)試訓(xùn)練、測(cè)量輸出孔徑角與輸入孔徑角。實(shí)驗(yàn)步驟如下：1、He-Ne激光器

8、和光功率計(jì)的電源，調(diào)整實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；a. 調(diào)整激光管，使激光束平行于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面；b. 調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺(tái)，使轉(zhuǎn)盤(pán)刻度置于0；c. 取待測(cè)光纖，一端經(jīng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的光纖架與激光束耦合，另一端與光功率計(jì)相連；d. 仔細(xì)調(diào)節(jié)光纖架及配合調(diào)節(jié)激光管支撐螺釘，使光纖輸出功率最大（該項(xiàng)須由指導(dǎo)老師指導(dǎo)下進(jìn)行）。2、測(cè)試輸入孔徑角；(1) 光纖輸出端于光功率計(jì)的探頭相連；(2) 旋轉(zhuǎn)讀數(shù)平臺(tái)，改變光束入射角，記錄不同旋轉(zhuǎn)角度下的輸出光功率值；(3) 繪制P-曲線(xiàn)，取P（）下降到中心值的5%時(shí)所對(duì)應(yīng)的值作為。3、測(cè)輸出數(shù)值孔徑角o，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖17所示；a. 把光功率計(jì)上的光纖接頭接到光斑屏前的光線(xiàn)適配器上；b. 置觀察屏

9、于距光纖端面L距離處，則在觀察屏上可見(jiàn)光纖輸出圓光斑，其直徑為D；c. 調(diào)三維微調(diào)架，準(zhǔn)確測(cè)量L和D的值，得輸出孔徑角為： (11-8) 4、目測(cè)數(shù)值孔徑角；a. 調(diào)節(jié)步驟同1項(xiàng)四個(gè)步驟；b. 除去光纖輸出端的光功率計(jì)，可在觀察屏觀測(cè)到一輸出圓光斑；c. 轉(zhuǎn)動(dòng)讀數(shù)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，直到觀察屏上的光斑消失，讀此時(shí)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度。5、計(jì)算光纖數(shù)值孔徑；計(jì)算公式為： （11-9）其中即上一步驟測(cè)得的、和。5、 關(guān)激光器和光功率計(jì)的電源，整理實(shí)驗(yàn)儀器，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和記錄表1 方法一測(cè)量所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果光纖端面入射角（度）光纖輸出光功率值（微瓦）輸出光功率相對(duì)值（以=0時(shí)的值為1）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)測(cè)的數(shù)值孔徑角逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)測(cè)的數(shù)值孔徑角平均數(shù)值孔徑角i（度）光纖的有效數(shù)值孔徑NAoff表2 方法二測(cè)量所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果測(cè)量參數(shù)第一次測(cè)量第二次測(cè)量光斑直徑W（mm）屏與光纖端頭距離L（mm）數(shù)值孔徑角o=arctanD/(2L)光纖數(shù)值孔徑NA=Sino平均數(shù)值孔徑 表3 方法三測(cè)量所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果次數(shù) 第一次