實(shí)驗(yàn)一 光纖的幾何特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)一 光纖的幾何特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)姓名： 學(xué)號(hào)：1、 實(shí)驗(yàn)的目的和意義1、 了解光纖的基本結(jié)構(gòu)2、學(xué)習(xí)光纖的處理方法，包括光纖的剝線、端面切割和清洗等等方法3、利用顯微鏡并結(jié)合探測(cè)器放大分別觀察單模和多模光纖端面結(jié)構(gòu)4、學(xué)會(huì)Matlab處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)5、掌握光學(xué)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)和實(shí)驗(yàn)室安全隱患及事故處理方法光纖的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，了解光纖的機(jī)構(gòu)、性能具有十分重要的意義。光學(xué)主要有纖芯和包層組成，纖芯由高度透明的介質(zhì)組成，包層是折射率低于纖芯折射率的介質(zhì)，并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的工藝制成光纖，光纖還要由多層保護(hù)層保護(hù)，起著增強(qiáng)機(jī)械性能、保護(hù)光纖的作用。光纖的結(jié)構(gòu)特性影響光纖的特性，并決定著光纖的用途，低損耗、高效率一直

2、都是光纖的發(fā)展目標(biāo)，光纖的各種特性參數(shù)（保護(hù)幾何參數(shù)、傳光特性、加載特性、微彎特性等）的測(cè)量時(shí)光纖應(yīng)用的重要依據(jù)，同時(shí)也促進(jìn)各種測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。1 光纖按折射率分布可以分為階躍型光纖和漸變型光纖，按模式可以分為單模光纖和多模光纖。光纖的損耗因素眾多，包括傳輸損耗、連接損耗、彎曲損耗、色散吸收損耗等等，光纖損耗可以用光時(shí)域反射技術(shù)等測(cè)量。2本實(shí)驗(yàn)希望通過(guò)觀測(cè)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)測(cè)試光纖的性能，并更好的理解光纖的特性，觀察光纖結(jié)構(gòu)分析其帶來(lái)的損耗影響。因?yàn)楣饫w較脆弱，所以日常使用的光纖有多層保護(hù)，所以首先要獲取只有包層和纖芯的裸纖，然后采用顯微鏡結(jié)合電子探測(cè)器探測(cè)放大得到光纖的端面圖像，從而分析其性能

3、等。3二、實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)步驟1、實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)主要包括制作裸纖端面樣本和觀察端面結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分，需借助剝線器得到裸纖，并進(jìn)行端面處理，將得到的樣本放在顯微鏡探測(cè)器放大系統(tǒng)下觀察，并利用計(jì)算機(jī)獲取處理數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖如下：光學(xué)顯微鏡將光纖貼在載玻片的邊緣上處理光纖（包括去切割和清洗）用電腦觀察，得到端面的圖像圖像處理2、實(shí)驗(yàn)儀器光纖、剝線鉗、剪刀、棉球、酒精、光纖切割機(jī)、基片、雙面膠、顯微鏡、探測(cè)器、電腦3、實(shí)驗(yàn)步驟(1) 制作光纖端面樣品 日常使用的光纖都經(jīng)過(guò)多層保護(hù)處理，而我們實(shí)驗(yàn)所需的是由纖芯和包層組成的裸纖，并且由于光纖由折射率不同的纖芯包層組成、對(duì)缺損很敏感以及連接損

4、耗等原因，必須使用專用的光纖切割機(jī)處理端面，這樣才能更好的觀察或熔接等加工處理。 處理光纖首先用專用剝線鉗的粗口剝?nèi)プ钔鈱拥谋Ｗo(hù)殼，然后用剪刀剪斷保護(hù)介質(zhì)，再用剝線鉗的小口剝?nèi)タ拷w芯的保護(hù)殼，光纖的表面還有一次涂覆層，起保護(hù)和防止光溢出的作用，應(yīng)輕輕用剝線器刮去，再用剝線鉗最小的小口除去涂覆層，由于裸纖叫脆弱容易折斷，所以操作應(yīng)小心。然后再用棉球沾少量酒將光纖擦拭干凈。 處理光纖端面將光纖放入光纖切割機(jī)凹槽并加住，手扶著左下角，將中間按鈕推進(jìn)去，然后按下上端蓋子，得到良好端面的光纖。 制作光纖端面樣本在基片（玻璃、木頭等）一側(cè)黏上雙面膠，將光纖端口朝上垂直粘在在基片一側(cè)，選擇合適的長(zhǎng)度，得到

5、光纖端面樣本。(2) 觀察端面結(jié)構(gòu) 將處理好的光纖，粘到方形鋁塊的邊緣，使纖芯露出一小塊，一端對(duì)準(zhǔn)光源，另一端的纖芯通過(guò)調(diào)整顯微鏡進(jìn)行觀察； 調(diào)整時(shí)，先使用低倍鏡4×。通過(guò)調(diào)節(jié)顯微鏡上的粗調(diào)旋鈕，使顯微鏡頭的中心位置對(duì)準(zhǔn)光纖端面，此時(shí)電腦上出現(xiàn)模糊的影像，然后調(diào)節(jié)顯微鏡上的微調(diào)旋鈕，使影像變得清晰。 換用高倍鏡40×，重復(fù)以上步驟直到出現(xiàn)清晰的光纖端面圖像。此時(shí)觀察到的光纖纖芯的圖像是明亮的圓形光斑，而包層的像是它周圍較暗的圓形陰影。 （3）實(shí)驗(yàn)中，先使用多模光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；然后換單模光纖，實(shí)驗(yàn)步驟相同。3、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理 1、實(shí)驗(yàn)結(jié)果（a）單模光纖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖（b）

6、多模光纖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2、圖像分析從圖像可以看出，單模光纖的纖芯較細(xì)而多模光纖的纖芯較粗，可以發(fā)現(xiàn)一般情況下單模光纖的纖芯較多模光纖的纖芯細(xì)很多，單模光纖要求只有一個(gè)模式可以傳播，所以纖芯尺寸較小。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)適當(dāng)調(diào)整顯微鏡光源的亮度可以觀察到更明顯的圖像，比如單模光纖的圖像如下，可以方便后期圖像的處理包層外圍的黑色不均勻區(qū)域可能是由于處理光纖涂覆層沒(méi)有處理干凈，可能還有殘留的涂覆層未除去或未擦拭干凈。同時(shí)通過(guò)圖像可以發(fā)現(xiàn)單模光纖和多模光纖的光并沒(méi)有完全束縛在包層中，還是有部分的光滲透到了包層里，可能是由于漸逝波導(dǎo)致的，也可能是因?yàn)楣饫w沒(méi)有保護(hù)好，或者端面沒(méi)有特別均勻。3、數(shù)據(jù)處理光纖的幾何

7、參數(shù)是指那些僅與光纖橫截面的物理結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)，與長(zhǎng)度及傳輸狀態(tài)無(wú)關(guān)。這次實(shí)驗(yàn)中用的是多模光纖，多模光纖的幾何參數(shù)包括纖芯直徑，包層直徑，芯不圓度，包層不圓度，纖芯同心度，包層同心度。圖4 多模光纖幾何參數(shù)的定義對(duì)多模光纖幾何參數(shù)的定義如上圖所示，其中纖芯、包層區(qū)域的最大直徑定義為纖芯直徑和包層直徑，分別用d和D表示，通常纖芯和包層都不是理想的圓，二者也不同芯。因而有：纖芯直徑：包層直徑：纖芯不圓度：包層不圓度：同心度：，為纖芯中芯到包層中芯的距離 將實(shí)驗(yàn)所得到的圖形用Matlab處理，依次灰度化，濾波去噪，二值化，并用最小二乘法進(jìn)行橢圓擬合，改變二值化的閾值設(shè)置，可以分別提取出光纖纖芯和包層

8、的輪廓，然后再進(jìn)行橢圓擬合。由于包層亮度較低，纖芯亮度較高，所以首先設(shè)置較低的閾值，檢測(cè)到包層的輪廓并擬合，再設(shè)置較高的閾值檢測(cè)纖芯。得到纖芯和包層的擬合圖像分別如下（c）單模光纖的纖芯和包層擬合圖（c）多模光纖的纖芯和包層擬合圖具體結(jié)果為下表：橫坐標(biāo)縱坐標(biāo)橫向半徑縱向半徑thetarad單模包層704.3458631.3415480.9866478.9997-1.5428單模纖芯707.1322638.131231.731531.7416-0.5830單模光纖的包層直徑D=960.8843 ；纖芯直徑d=63.5321 。已知實(shí)際單模光纖包層直徑為125m，則可計(jì)算出纖芯的實(shí)際直徑為。理論的

9、單模光纖纖芯越為9m左右，則相對(duì)誤差為 ，因?yàn)閱文９饫w芯徑很小，我們測(cè)量的光斑存在很大的誤差，其實(shí)對(duì)比單模光纖以及多模光纖光斑我們很容易發(fā)現(xiàn)單模光纖纖芯的橢圓度較大，猜測(cè)是因?yàn)閱文９饫w的纖芯芯徑更小，因此衍射效應(yīng)更強(qiáng)，這使得光斑形變大一些。影響了實(shí)際尺寸的識(shí)別。橫坐標(biāo)縱坐標(biāo)橫向半徑縱向半徑thetarad多模包層745.3833.5480.5479.6-0.9432多模纖芯750.1885.6229.5230.81.0450經(jīng)計(jì)算得出：多模光纖的包層直徑D=960.3 ；纖芯直徑d=459.8 。已知實(shí)際多模光纖包層直徑為125m，則可計(jì)算出纖芯的實(shí)際直徑為。實(shí)際的多模光纖纖芯越為62.5m左

10、右，則相對(duì)誤差為 。多模光纖的色散效應(yīng)要弱一些。但同樣也可能是制造誤差，光纖不平整等影響了實(shí)際尺寸的識(shí)別。計(jì)算同種光纖由于幾何形狀引起的最不利耦合效率，不考慮其他因數(shù)引起的衰減，只考慮由于偏心率、橢圓率這些光纖幾何參數(shù)引起的損耗。單模光纖耦合時(shí)，橫截面光強(qiáng)分布可認(rèn)為是高斯分布。計(jì)算面積乘以光強(qiáng)之比得耦合效率為33.68%。多模光纖橫截面光強(qiáng)可認(rèn)為是均勻分布。通過(guò)計(jì)算最差交疊面積可得耦合效率為65.76%。四、實(shí)驗(yàn)誤差討論（1）圖像纖芯和包層的亮度不能很好地區(qū)分，圖像邊緣不清晰，導(dǎo)致圖像識(shí)別時(shí)很困難，直接影響到橢圓擬合的結(jié)果。我認(rèn)為這是本次實(shí)驗(yàn)最大的誤差來(lái)源。但可以通過(guò)調(diào)整顯微鏡光源的亮度得出明

11、暗比較明顯的圖像。（2）設(shè)置二值化閾值時(shí)，背景中雜散的點(diǎn)很難去掉，會(huì)對(duì)擬合結(jié)果帶來(lái)誤差?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)濾波函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到解決。（3） 單模光纖的誤差比多模光纖大，因?yàn)閱文９饫w纖芯直徑更小，色散嚴(yán)重，影響了實(shí)際尺寸的識(shí)別。 （4）得到的光纖沒(méi)有擦拭干凈，使得獲取圖像不清晰。 （5）切割光纖端面沒(méi)有切整齊，使得光纖不平整，造成測(cè)量誤差 （6）在顯微鏡下觀察時(shí)，由于光纖不是豎直，導(dǎo)致端面各處無(wú)法同時(shí)聚焦。 （7）另外雜散光可能會(huì)影響圖像。由于我們做實(shí)驗(yàn)是在晚上，需要開(kāi)燈，燈光對(duì)形成的圖像可能造成影響參考文獻(xiàn)： 1 張慶安. 光纖標(biāo)準(zhǔn)與光纖類型選擇J. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化. 2008(03) 2 光纖

12、的基礎(chǔ)知識(shí)J. 傳感器世界. 2004(11) 3 高明娟.光纖特性測(cè)試及數(shù)據(jù)采集與處理D.南京：南京航空航天大學(xué),2006附程序：包層橢圓擬合程序：clcclose allclear allA=imread('D:搜狗高速下載光電子文件1.bmp');B=rgb2gray(A);B1=medfilt2(B,6 6);N=3000; C1=im2bw(B1,48/255);D1=edge(C1);X1,Y1=find(D1);Elx1,Ely1,v=FitEllip(X1,Y1,N);v(1)v(2)v(3)v(4)imshow(A);hold onplot(Ely1,Elx1,'r');纖芯的橢圓擬合程序和包層差不多，如下所示：clcclose allclear allA=imread('D:搜狗高速下載光電子文件1.bmp');B=rgb2gray(A);B1=m