强度法测量光纤数值孔径

光纤光缆实验实训 国家重点建设专业--光电子技术专业 28

+实训五 强度法测量光纤数值孔径

一、实验目的

1.了解透射式光纤传感器工作原理及其特性

2.了解并掌握透射式光纤传感器测量光纤数值孔径的方法

3.学会光纤传感器的制作

二、实验原理

1、实验原理 （1）光纤数值孔径NA（Numerical Aperture）定义 当光线射到两种不同的界面上时将产生发射和折射。在纤芯包层界面上，临 界角φc（即折射角为π/2时的入射角）按斯涅尔折射定律可得出： 1 2 arcsin n n c ? ? （5-1） 其中：n1 是纤芯折射率，n2 是包层折射率，若光源发出的光经空气后耦合到光纤 中，那么满足光纤中全反射条件的光的最大入射角θc 满足： 2 2 2 1 1 ) 2 sin( sin n n n c c ? ? ? ? ? ? ? （5-2） 定义光纤的最大理论数值孔径（数值孔径表示光纤的集光能力大小）： NA max ＝ 2 2 2 1 n n ? ≈n 1 ? 2 （5-3） 式中：?＝ 1 2 1 n n n ? ,对于梯度光纤，n 1 是光纤轴心处折射率，n 2 是包层折射率。

（2）远场强度法测量光纤数值孔径 光纤数值孔径的另一种定义是远场强度法定义的有效数值孔径 NAeff。NAeff 是通过测量光纤远场强度分布来确定的。 它被定义为光纤远场光强辐射图上光强 值下降到最大值的5％处半张角的正弦值， CCITT规定的就是这种光纤数值孔径， 如图5-1所示： z P d d 5% 5% x2 光纤端 θc θ c 图 5-1 远场强度法原理 x 1光纤光缆实验实训 国家重点建设专业--光电子技术专业 29 图5-1中数值孔径NA为： 4 / 2 / sin 2 1 2 2 1 2 2 2 x x z x x d z d NA c ? ? ? ? ? ? ? ? （5-4） 式中：z为入射（发射光纤端面和接收（输出）光纤端面对芯时的两光纤端 面间的距离；d 为（当 z 一定时）接收光强下降到最大值的 5％时，接收光纤沿 着 x轴移动时所对应的位移值之间差值的1/2。 另外得到接收光纤接收到的光强I随接收光纤位移变化X的函数关系图像如 图5-2所示： I 图 5-2 I-x 图像 x 其中： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 2 exp c b x a x I ，a、b、c均为常数。

三、实验装置

①光纤数值孔径实验仪 1台

②透射式光纤传感器 2根

③连接导线 若干

④电源线 1根

⑤机械系统 1套

四、实验操作步骤

1、光路机械组装，如图5-3所示： 光源 探测器 光纤支架 螺旋测微 丝杆Ⅱ 螺旋测微 丝杆Ⅰ 图 5-3 光路机械组装调试图光纤光缆实验实训 30 图 5-4 光纤数值孔径实验仪光纤传感器与机械部分实物图 图 5-5 对射式光纤传感器实物图

2、按照图5-3和5-4把对射式光纤传感器一端（钢管封装端）安装在光纤 支架上，发射光纤、接收光纤另外一端（塑料光纤连接器封装端）分别插入实验 板上的光源座孔和探测器PD座孔上。 图 5-6 光纤数值孔径

实验仪电路部分实物图 图 5-7 光源和 PD 实物图

3、完成对芯。 调节图5-3和5-4中螺旋测微丝杆Ⅰ、Ⅱ与光纤支架锁紧螺丝，使两光纤端 面接触在一起，且大致共轴。然后打开电源开关，继续微调调节图5-3和5-4中 螺旋测微丝杆Ⅱ与光纤支架锁紧螺丝， 并且调节光纤卡架上的白色圆形螺栓来调 整两光纤竖直方向的高度，直到电压表读数最大，则认为两光纤已经对芯完成。光纤光缆实验实训 国家重点建设专业--光电子技术专业 31 图 5-8 光纤卡架实物图

4、调节图5-8中螺旋测微丝杆Ⅰ使两光纤端面间距（z）在1.5-2mm间。

5、打开电源开关，电路板上相应的线路接好（图5-6），调节测螺旋测微丝 杆Ⅱ使发射光纤与接收光纤间距大于6mm，调节调零旋钮使得电压表读数为零。 图 5-9 调零增益实物图

6、调节测螺旋测微丝杆Ⅱ使接收光纤移动，档位开关调节到“20V”档位， 把增益调节到适当档位，对芯时最大电压不要超过5V为宜，每隔0.05mm观察电 压表读数变化，把位移与电压记录在表一中。 图 5-10 电压档位开关实物图光纤光缆实验实训 国家重点建设专业--光电子技术专业 32 表一 X（mm） 0 0.05 0.10 0.15 0.20 … 4.0 U(V)

7、根据表一在Excel绘制曲线。

8、分析曲线。

9、计算出 % 5 max ? I （或者 % 5 max ? U ）。 10、在得到的曲线中，找到 % 5 max ? I （或者 % 5 max ? U ）所对应的x2 与 x1。

11、根据图5-1计算出光纤数值孔径NA。 12、关闭电源。

五、注意事项

1、不得随意摇动和插拔面板上的各种元器件，以免造成实验仪不能正常工 作。 2、光纤传感器弯曲半径不得小于5㎝，以免折断。

3、旋动螺旋测微丝杆尾帽中出现咔咔声表示不能继续前进，不能超过其量 程。 4、在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。

5、实验记录数据前要把两光纤对芯。

五、思考题

1、影响测量精度的因素有哪些？如何避免？

2、根据特性曲线，试想一下透射式光纤传感器可以用于哪些环境中测量？

3、室内光线对测试数据有何影响？如何解决？

4、比较远场强度法与光斑法测量NA的优缺点？

5、如果发射光纤采用石英光纤，接收光纤采用塑料光纤，测量的数值孔径 是石英光纤的数值孔径？还是塑料光纤数值孔径？结果偏大还是偏小？

6、测量中，z=0.5mm导致结果偏大还是偏小？