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Mach－Zehnder干涉仪的原理，对温度和应变传感的测量。

一、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、数值孔径的概念和测量方法。

二、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n1的圆柱形纤芯外面是折射率为n2（n1>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n1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?从空气进入折射率为n1纤芯，只有当?小于某一数值?m时，才能使入射光线在纤芯和包层分界面上的入射角φ大于全反射所需临界角φc。根据折射定律，在图中左侧端面处有：

?n0sin?m?n1sin(??c)2 （1）

（1）式中n0为空气折射率，取n0≈1。而光在纤芯和包层分界面上产生全反射的临界角?c满足： （2）

由（1）（2）两式可得

sin?m?n1?n222sin?c?n2n1

，凡是入射角?小于?m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?m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，sin?m是反映光纤性能的一个重要参数，称为光纤的数值孔径NA（Numerical Aperture）。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数值孔径可表示为：

n1?n2n?1?2n1n1表示，则

光纤数值孔径的另一种定义是远场强度有效数值孔径，它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

sin?m?n1?n2?n12?22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。

NAmax?q/l2?q2 （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，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l，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M－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

（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）在滑动支架上插入白屏，向光纤输出端靠近，可观察到屏上出现圆形