光纖基礎實驗教學指導

光纖基礎實驗教學指導光導纖維(opticalfiber),簡稱光纖，是一種可傳導光波的玻璃纖維。光纖在20世紀50年代首先應用于圖像傳輸，主要在醫(yī)學上用于觀察人體內部。當時用的光纖傳輸損耗很大，即使最透明的優(yōu)質光學玻璃，損耗也達到1000dB/km。在理論的指導下，人們不斷改進光纖制造工藝，光纖的損耗已經達到2dB/km。從而使長距離多路通信傳輸成為可能。隨著光纖研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)某些光纖易受溫度、壓力、電場、和磁場等環(huán)境因素的影響，導致光強、相位、頻率、偏振態(tài)和波長的變化。光纖無需其他中介就能把待測量和光纖內的傳導光聯(lián)系起來，能夠很容易的制成以光纖為傳感媒質的傳感器。從而誕生了一門全新的光纖傳感技術。它的基本工作原理是：將穩(wěn)定光源發(fā)出的光送入光纖并傳輸?shù)綔y量現(xiàn)場，在測量現(xiàn)場的被測量對光的特性，如光的振幅、偏振態(tài)、相位、頻率等進行調制，然后由同一根光纖或另一根光纖返回到光探測器，根據(jù)光特性的變化測出被測信號。或者把光信號轉化為電信號后進行測量。光纖傳感器以其高靈敏度，抗電磁干擾，可繞曲，結構簡單，體積小，易于微機連接，便于遙測等優(yōu)點，獲得廣泛應用。本實驗將學習光纖的光學特性數(shù)值孔徑的測試方法、光纖的切割、耦合的理論知識和實驗方法，光纖Mach－Zehnder干涉儀的原理，對溫度和應變傳感的測量。一、教學目的1、掌握光纖端面制備方法和光纖端面耦合方法2、數(shù)值孔徑的概念和測量方法。二、教學要求1、實驗三小時完成。2、學習訓練光纖端面制備技術。3、學習掌握光纖與光源耦合技術。4、定性觀察M－Z雙光纖干涉實驗三、教學重點和難點1、重點：數(shù)值孔徑的測量。2、難點：光纖端面制備技巧。

四、講授內容(約20分鐘)1．光纖結構圖1是光纖結構示意圖。它呈同心圓柱狀，在折射率為n1的圓柱形纖芯外面是折射率為n2(n1>n2)的同心圓柱包層。纖芯的作用是傳導光波，包層的作用是將光波封閉在纖芯中傳播。光纖是玻璃細絲，性脆，易折斷，為此在包層的外面又加上涂敷層，它一般由硅桐樹脂或丙烯鹽酸材料制成，可增加光纖的韌性和機械強度，防止光纖受外界損傷。根據(jù)纖芯折射率的分布，光纖可分為階越折射率型光纖和漸變折射率型光纖，如圖2所示。階越折射率型光纖纖芯的折射率n1為常數(shù)，所以又稱為均勻折射率光纖。而漸變折射率型光纖纖芯的折射率沿徑向向外連續(xù)減小。光纖的數(shù)值孔徑在均勻折射率光纖中，光是依靠在纖芯和包層兩種介質分界面上的全反射向前傳播的。射入光纖的光線有兩種，一種是穿過光纖纖芯軸線的光線，叫子午光線，如圖3(a)所示，設有一束子午光線以入射角0從空氣進入折射率為n1纖芯，只有當0小于某一數(shù)值0m時，才能使入射光線在纖芯和包層分界面上的入射角屮大于全反射所需臨界角屮c。根據(jù)折射定律，在圖中左側端面處有：1)nsin0=nsin(弔)1)0m12csinpn2n1式中n0為空氣折射率，取nO~sinpn2n1(2)由(1由(1)(2)兩式可得sin0m='."P2凡是入射角0小于0m的子午光線，都可以在光纖中靠全反射向前傳輸。入射角大于0m的子午光線在界面上發(fā)生折射穿過n-n.—12=n-n.—12=1nn1表示，則A受光的能力越強。若將纖芯與包層的相對折射率之差用n1數(shù)值孔徑可表示為：sin0=\：n2一n2此nx2Am121光纖數(shù)值孔徑的另一種定義是遠場強度有效數(shù)值孔徑，它是通過測量光纖遠場強度分布來確定的。其定義方法是：當遠場輻射強度(每單位立體角的光功率)達到穩(wěn)態(tài)分布時，測量光纖出射端的光功率分布曲線以及光纖端與探測界面的距離，光強下降到最大值的5%處的半張角的正弦值(如圖4(a)所示)，即為光纖數(shù)值孔徑。NA-q/屛2+q2(4)max采用上述方法測量光纖的數(shù)值孔徑，待測光纖不宜太長或太短，以2m為左右為宜。光纖數(shù)值孔徑的測量方法(2)遠場光斑法這種測試方法的原理本質上類似于遠場光強法，只是結果的獲取方法不同。簡單易行，可以采用相干光源，原理性實驗中多采用這種方法，如圖4(b)所示。測量時，在暗室中將光纖出射遠場投射到白屏上，測量光斑直徑d,用光斑半徑d/2替代遠場強度法中的q值，測量光纖端與觀察屏的距離l,然后用公式(4)計算光纖的最大理論數(shù)值孔徑。3．光纖與光源的耦合光纖與光源的耦合有直接耦合和經聚光器件耦合兩種。直接耦合是使光纖直接對準光源輸出的光進行的對接耦合。將制備好的光纖端面靠近光源的發(fā)光面，調整兩者的相互位置，使光纖輸出端的輸出光強最大。然后固定其相對位置。這種方法簡單可靠，但必須有專用設備。如果光源輸出光束的橫截面積大于纖芯的橫截面積，將引起較大的耦合損耗。雙光纖M－Z干涉?zhèn)鞲袑嶒灡緦嶒灢捎霉饫w作為產生相干光的光源來實現(xiàn)雙縫干涉，可以獲得非常清晰的，條紋間距很寬的干涉圖樣，該干涉條紋投射到觀察屏上可以清晰的觀察到。見圖6。光纖Mach－Zehnder干涉儀兩光纖所構成的光路受到干擾時，會導致空間干涉條紋的移動。利用這一特性，可以構成光纖Mach—Zehnder干涉儀。雙光路干涉光纖M—Z干涉儀的工作原理如圖7所示。從激光器輸出的激光經透鏡耦合后進入光纖分路器，分路器輸出端的兩根光纖，一根作為參考光纖，一根作為傳感器的相位調制光纖。兩光纖的出射光場在空間發(fā)生干涉，形成如圖6所示的均勻干涉條紋。5、實驗主要步驟？1、光纖數(shù)值孔徑的測定光纖端面制備：用剝線鉗剝除光纖兩端的護套和涂敷層使光纖包層裸露出來，稱之為裸纖。剝除后，然后用光纖切割刀在裸纖側面垂直于光纖軸的方向上輕輕刻一小口，彎曲此處使其折斷。光纖刀用完后，應立即套上塑料保護套以保護刀口。光纖端切割的好壞直接影響著光纖與光電器件的耦合效率。手動切割的質量以及成功率，依賴操作者的經驗。切割后的斷面平整，清潔.光纖與光源的耦合：首先調節(jié)激光光源方向。插上光靶，取下聚焦透鏡，調整光源方位螺絲，使光線穿過光靶上的小孔(注意，且不可用眼睛直視激光！)。從五維微調架上取下光纖夾頭，將光纖輸入端從夾頭中心穿過，壓緊固定鋼片，然后將光纖夾頭插入五維微調架，使光纖頭端面大致位于透鏡焦距處。將光纖另一端穿入光纖支撐架，壓緊固定鋼片。當光纖輸出端出現(xiàn)顯著發(fā)光現(xiàn)象時，說明光源和光纖耦合到位。在滑動支架上插入白屏，向光纖輸出端靠近，可觀察到屏上出現(xiàn)圓形出射光斑。在白屏上貼上坐標紙，測量光斑直徑d并記錄。測量光纖輸出端端面到白屏的距離l并記錄。2、M-Z光纖干涉實驗(1)用光纖切割刀切割帶有輸出端的單模光纖，切割出光纖輸入端。拔下光纖輸出端塑料套，插入光纖干涉演示儀光纖輸入接口，扭緊螺絲。將光纖卡入五維光纖耦合架，調節(jié)光纖端面位置，使之大致處于聚光透鏡焦點處(大約1cm左右)打開He－Ne激光器電源。微調光纖耦合架，使匯聚后的激光與光纖端面完全耦合(可觀察到光纖靠近輸入端變紅)在暗室狀態(tài)下觀察光纖干涉演示儀顯示屏上的豎直干涉條紋。(5)位移傳感測量。轉動光纖干涉儀上的螺旋測微器。觀察顯示屏上條紋的移動。以屏幕中央豎直刻線為參照，每移動5個條紋記錄一次測微器讀數(shù)。共記錄10次以上的數(shù)據(jù)。測量完畢后，將螺旋測微器還原到零讀數(shù)。溫度傳感測量。旋按下溫度設定按鈕，設定升溫目標值。再次按一下按鈕，回到測溫狀態(tài)，儀器顯示當前溫度傳感調制光纖溫度。隨著溫度的上升，可觀察到條紋的移動。每移動10個條紋記錄一次溫度讀數(shù)。共記錄10次以上的數(shù)據(jù)。測量完畢后，關閉激光器和光纖干涉儀電源。五、實驗注意事項？1、保護光纖筆，用完后立即套上塑料套，切不可掉在地上，摔壞刀口。2、激光管兩端的高壓引線頭是裸露的，且激光電源空載輸出電壓高達數(shù)千伏，要警惕誤觸。3、光纖要輕拿