光纖傳感實(shí)驗(yàn)報(bào)告

光纖傳感實(shí)驗(yàn)光纖特性的研究和應(yīng)用是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的領(lǐng)域。光纖傳感器件具有體積小、重量輕、抗電磁干擾強(qiáng)、防腐性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)；用于測(cè)量壓力、應(yīng)變微小折射率變化、微振動(dòng)、微位移等諸多領(lǐng)域。特別是光纖通信已經(jīng)成為現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要支柱。光纖通信的發(fā)展極為迅速，新的理論和技術(shù)不斷產(chǎn)生和發(fā)展。因此，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中開(kāi)設(shè)“光纖特性研究實(shí)驗(yàn)”已經(jīng)成為培養(yǎng)現(xiàn)代高科技人才的必然趨勢(shì)。傳感器是信息技術(shù)的三大技術(shù)之一。隨著信息技術(shù)進(jìn)入新時(shí)期，傳感技術(shù)也進(jìn)入了新階段?！皼](méi)有傳感器技術(shù)就沒(méi)有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已被全世界所公認(rèn)，因此，傳感技術(shù)受到各國(guó)的重視，特別是倍受發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，我國(guó)也將傳感技術(shù)納入國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。光纖特性研究和應(yīng)用是一門(mén)綜合性的學(xué)科，理論性較強(qiáng)，知識(shí)面較廣，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手和創(chuàng)新能力，光纖干涉系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)設(shè)就顯得非常重要了。基于這個(gè)目的，我們對(duì)光纖干涉實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了初步探索，在此基礎(chǔ)上，該實(shí)驗(yàn)還可以進(jìn)行一些設(shè)計(jì)性及研究性實(shí)驗(yàn)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)光纖數(shù)值孔徑的物理含義、光纖與光源耦合方法的原理；2?理解M—Z干涉的原理和用途；了解傳感器原理；實(shí)測(cè)光纖壓力傳感器和溫度傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。二、實(shí)驗(yàn)儀器激光器及電源，光纖夾具，光纖剝線(xiàn)鉗，寶石刀，激光功率計(jì)，五位調(diào)整架，顯微鏡，光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀，CCD及顯示器，等等三、實(shí)驗(yàn)原理1．光纖數(shù)值孔徑、光纖的耦合方法圖1光纖剖面圖（1圖1光纖剖面圖光纖數(shù)值孔徑是描述光纖與光源、探測(cè)器和其他光學(xué)器件耦合時(shí)的特性，它的大小反映光纖收集光的能力。數(shù)值孔徑是光纖傳光性質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，是表示光學(xué)纖維集光能力的一個(gè)參量。光在光纖中的傳播可以用全反射原理來(lái)說(shuō)明。光纖的基本結(jié)構(gòu)如圖1，它主要包括三層（工程上有時(shí)有四層或五層，圖中是四層結(jié)構(gòu)）：1?纖芯；2?包層；3?起保護(hù)作用的涂敷層；4?較厚的保護(hù)層。纖芯和包層的折射率分別是n1和n，如圖2，為了使光線(xiàn)在光纖中傳播，纖芯的折射率（n）必須比包層（n）的折射率212大，這樣才會(huì)產(chǎn)生全反射。光線(xiàn)1以9角入射在光纖端面上，光線(xiàn)經(jīng)折射后進(jìn)入光纖，以P角入射到纖芯和包層間的光滑界面上。只要我們選擇適當(dāng)?shù)娜肷浣?，總可以使P角大于臨界角9，9的大小由公式9二arcsin（n/n）決定，使光線(xiàn)1在界面上發(fā)生全反射。全mmm21反射光線(xiàn)1又以同樣的角度9在對(duì)面界面上發(fā)生第二次反射。如果光纖是均勻的圓柱體，入射光線(xiàn)經(jīng)無(wú)數(shù)次反射后從另一端以和入射角相同的角度射出。（思考：該原理是否可以幫助測(cè)量數(shù)值孔徑）圖2圓柱形光纖傳光原理在光纖斷面上，當(dāng)光線(xiàn)入射角小于一個(gè)定值9時(shí)，折射光線(xiàn)在纖芯和包層界面上的入

a射角9才會(huì)大于臨界角9，光線(xiàn)才能在光纖內(nèi)多次全反射而傳遞到另一端。在光纖端面上，m入射角9'>0的那些光線(xiàn)，折射后在界面上的入射角小于臨界角9，光線(xiàn)將射出界面，如am圖中光線(xiàn)2。這個(gè)入射角0稱(chēng)為光纖的孔徑角，它的數(shù)值由光纖的數(shù)值孔徑?jīng)Q定。光纖的a數(shù)值孔徑（NA）定義為 NA=nsin0=n2-n2 （1）0 aWi 2式中n是入射光線(xiàn)所在介質(zhì)的折射率，n和n分別為光纖的纖芯和包層的折射率。由式（1）012可見(jiàn)，纖芯和包層的折射率相差越大，0越大，光纖的數(shù)值孔徑就越大。數(shù)值孔徑是表示a光纖集光能力的一個(gè)參量，它越大就表示光纖接收的光通量越多。

2）光纖的耦合光纖與光源的耦合有直接耦合和經(jīng)聚光器件耦合兩種。聚光器件有傳統(tǒng)的透鏡和自聚焦透鏡之分。自聚焦透鏡的外形為“棒”形（圓柱體），所以也稱(chēng)之為自聚焦棒。實(shí)際上，它是折射率分布指數(shù)為2（即拋物線(xiàn)型）的漸變型光纖棒的一小段。直接耦合是使光纖直接對(duì)準(zhǔn)光源輸出的光進(jìn)行的“對(duì)接”耦合。這種方法的操作過(guò)程是：用光纖剝線(xiàn)鉗剝?nèi)ケＷo(hù)層和涂敷層，清理干凈光纖包層，然后用寶石刀切割，制備出平整的光纖端面；調(diào)整激光器和纖芯置的相對(duì)位置，使光纖輸出端的輸出光強(qiáng)最大，然后固定如果光源輸出光束的橫截面面積大于纖芯的橫截面面積，將引起較大的耦合損耗。經(jīng)聚光器件耦合是將光源發(fā)出的光通過(guò)聚光器件將其聚焦到光纖端面上，并調(diào)整到最佳位置（光纖輸出端的輸出光強(qiáng)最大）。光耦合效率與光纖端面質(zhì)量和耦合透鏡的數(shù)值孔徑有關(guān)，當(dāng)光纖斷面處理的質(zhì)量較好，數(shù)值孔徑與耦合透鏡數(shù)值孔徑相匹配時(shí)可得到最佳耦合效率?這種耦合方法能提高耦合效率。耦合效率n的計(jì)算公式為耳=—ix100% 或耳=—101g￡t（dB） ⑵22式（2）子中P1為耦合進(jìn)光纖的光功率（近似為光纖的輸出光功率）。P2為光源輸出的光功率。2．光纖干涉儀的相位調(diào)制機(jī)制當(dāng)真空中波長(zhǎng)為入0的光入射到長(zhǎng)度為1,纖芯折射率為n的光纖上時(shí)，若以其入射端面為基準(zhǔn)，則出射光的相位為(3)申=knl=kl(3)0式中k=kn式中0顯然，k,n及/的變化都會(huì)導(dǎo)致光波相位的變化，即實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，由式（3）有Ap=A(kl)=k1An+knAl (4)00光纖長(zhǎng)度和直徑的變化以及折射率的變化都會(huì)引起相位調(diào)制。溫度變化對(duì)相位調(diào)制的作用：有式（4）有(5)(6)竺=k(l竺+nA)(5)(6)AT oAT AT1Ap An nAl=k( + )lAT oATlAT3.馬赫—曾德?tīng)枺∕ach-Zehnder）光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)與測(cè)溫原理馬赫——曾德?tīng)柟饫w干涉儀是最早用于溫度測(cè)量的一種光纖溫度傳感器，干涉儀由兩臂組成，一個(gè)是參考臂，提供相位基準(zhǔn);另一個(gè)是傳感臂，用于光相位調(diào)制，對(duì)待測(cè)物理量的

變化敏感。參看圖3，由氦氖激光器發(fā)出的激光經(jīng)分束器分成兩路，分別送入兩根長(zhǎng)度基本相同的單模光纖。將兩根光纖的輸出端并合到一起，在輸出光斑重疊區(qū)將出現(xiàn)干涉光場(chǎng)。測(cè)量臂光纖受到溫度場(chǎng)作用，纖芯折射率和幾何長(zhǎng)度會(huì)有一微小變化，使沿此臂傳播的光波光程發(fā)生變化，則兩臂輸出端光波相位差發(fā)生變化，從而引起干涉場(chǎng)干涉條紋的移動(dòng)。顯然，干涉條紋的移動(dòng)數(shù)目反映出溫度場(chǎng)溫度的變化。圖3圖3馬赫——曾德?tīng)柟饫w干涉儀L--氦氖激光器；M和M--反射鏡；BS--分束鏡；TV--顯示器；L、L--聚光鏡;a1212OF、OF--單模光纖；Mi、CCD--成像裝置；HF--恒溫器12測(cè)量臂光波相位變化是由溫度引起的，由（6）給出了光纖干涉儀的溫度靈敏度：或者AT*l2?；蛘逜T*l2兀/An nAl、(+)九 AT lAT0A? 1*An KAl=—*+—*

申ATnATlAT(7)(8)式中l(wèi)為測(cè)量臂置于溫度場(chǎng)部分的長(zhǎng)度，△T為溫度變化量，?—nl。當(dāng)溫度變化AT0時(shí)，干涉場(chǎng)中任意一點(diǎn)上干涉條紋的移動(dòng)數(shù)目為心，則相位變化量(9)A?=2兀Am(9)當(dāng)干涉儀用的單模光纖的規(guī)格已知時(shí)，光纖的溫度靈敏度就是確定的值。例如，剝?nèi)プo(hù)套層的石英玻璃光纖，其丄（芻）=0.68*10-5/€，其線(xiàn)性膨脹系數(shù)；（爲(wèi)）=5.5*10-7/°C，

nAT lAT入0=632?8nm，代入式（8），算出裸光纖的溫度靈敏度誥=0.74*10-5/°C或者由n=1.456,入=632.8nm,°=1*10-5/C,—*-=5.5*10-7/C及式(7)算出0 AT ATlAq光纖溫度靈敏度jat=107rad/(C*M)。1/1\JL由于石英光纖的熱膨脹系數(shù)極小(5.5*10-7/0，其溫度靈敏度幾乎完全由折射率變化(0.68*10-5/C)所決定。為了提高光纖溫度靈敏度，在石英光纖外面包有一層護(hù)套層，使護(hù)套層材料的楊氏模量和膨脹系數(shù)對(duì)光纖的溫度靈敏度有較大影響，這種做法稱(chēng)為對(duì)光纖進(jìn)行溫度“增敏”。計(jì)算表明，有護(hù)套層的石英光纖靈敏度如=1.64*10-5/CqATAq比裸光纖( =0.74*10-5/C)大很多。qAT四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容光纖耦合效率測(cè)量取一根合適長(zhǎng)度的光纖，切好端面，將切好端面的光纖固定在五維調(diào)整架上，并使光纖大致對(duì)準(zhǔn)激光器；打開(kāi)激光器，調(diào)節(jié)“電流調(diào)節(jié)”旋鈕，使電流值為5mA；3?粗調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)五維調(diào)整架，使激光打在光纖端面上，光纖的另一端(PC頭)是旋入功率計(jì)測(cè)量端口上；按下“山” 鍵打開(kāi)光功率計(jì)；按下“入”鍵選擇光波長(zhǎng)為633nm；按“W/dBm”鍵選擇pW為測(cè)量單位；細(xì)調(diào)節(jié)：仔細(xì)調(diào)節(jié)五維調(diào)整架，使得激光與光纖的耦合達(dá)到最佳狀態(tài)，當(dāng)功率計(jì)示數(shù)最大時(shí)，記錄光功率計(jì)讀數(shù)。重復(fù)步驟5三次，記錄三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；計(jì)算耦合效率；實(shí)驗(yàn)完畢后，長(zhǎng)按光功率計(jì)“山”鍵關(guān)閉光功率計(jì)并拔下光功率計(jì)電源；關(guān)閉激光器電源。光纖端面制作說(shuō)明：用光纖剝線(xiàn)鉗剝?nèi)ネ糠髮?，光纖有三層、四層、五層之分，如果是三層光纖，先用撥線(xiàn)鉗剝?nèi)ネ糠髮?，將剩下的包層和纖芯嵌入光纖夾具，用寶石刀切割端面，制備出完好的光纖端面；若是四層光纖，應(yīng)先剝?nèi)ネ獗Ｗo(hù)層，其它步驟同上；若是五層光纖，應(yīng)先剝?nèi)サ谖搴偷谒谋Ｗo(hù)層，其它步驟同上。光纖傳感實(shí)驗(yàn)1?打開(kāi)機(jī)箱總電源；打開(kāi)激光器電源，調(diào)節(jié)激光器電流示數(shù)為4mA；打開(kāi)顯示器電源；將切好端面的光纖固定在五維調(diào)整架上，使之與激光器達(dá)到最佳耦合狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)能在顯示器上觀察到清晰的干涉條紋；3?按下數(shù)顯溫控儀上的溫度設(shè)定按鈕，設(shè)置最高加熱溫度為45°C,彈起溫度設(shè)定按鈕，此時(shí)數(shù)顯溫控儀上顯示的是將被加熱的光纖實(shí)時(shí)溫度；打開(kāi)加熱開(kāi)關(guān)，在顯示器上選擇合適的參考位置，觀察條紋變化，當(dāng)溫度示數(shù)為31°C時(shí)，開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)：條紋每移動(dòng)5條，記