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1、光纤的物理性质与应用【摘要】 本次实验测量了光源与光纤的耦合效率，光纤的基本性质数值孔径和损耗特性，并利用光纤搭建了光纤温度传感器，测量了温度传感器的温度系数。本次实验共使用了两种光纤塑料光纤和商用石英光纤。通过对光纤各项参数的测量以及在实验中对两种光纤进行比较，加深了对光纤光学的基本知识和光纤的物理性质的理解。关键词：光纤，耦合效率，数值孔径，损耗特性，光纤温度传感器1. 引言光纤通信使用激光作为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种通信方式。光纤是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导，利用光的全反射原理，将光的能量约束在光吸收和光散射都非常小的波导界面内，并引导光波沿着光纤轴线方
2、向传播。光纤通信之所以发展迅猛，主要源于它具有以下几个特点：通信容量大、传输距离远；信号串扰小、保密性能好；抗电磁干扰、传输质量佳等。光纤除了在现代通信系统中有着重要的应用外，在传感器技术方面，也有着独特优势。光纤传感器利用待测物理量对光纤内传输的光波的光学参量进行调制并传输至光学探测器进行解调，从而获得物理量的变化。光纤主要由纤芯，包层，涂覆层和陶塑四部分组成。光主要在纤芯之中传播，纤芯和包层的折射率要满足光能在纤芯之中发生全发射。涂覆层和陶塑主要用于增加光纤的机械强度。本实验主要在学习了光纤光学的基础知识的基础上，测量光源与光纤的耦合效率，光纤的数值孔径和损耗特性，了解光纤温度传感器的工作
3、原理。2. 实验原理2.1 光源与光纤的耦合效率实验室使用的激光器输出的高斯光束经过透镜之后仍然为高斯光束。仔细选择透镜的焦距f，使经透镜耦合后的高斯光束的束腰与纤芯直径相等。之后，再仔细调整光纤端面的位置，使光纤端面置于通过透镜的高斯光束的束腰处，以获得最佳的耦合效率。耦合效率的定义为： (1)其中，是入射到光纤端面的光功率，P是输入光纤中的光功率。光源与光纤的耦合如图1所示。图1 光纤与光源的耦合示意图2.2 数值孔径光纤的数值孔径是表征光纤集光能力的一个重要物理量。由于光线传播具有可逆性，因此，数值孔径既反映了光纤的入射性质，又反映了光纤的出射性质。数值孔径越大，则光纤端面接收或会聚光的
4、能力越强。由几何光学可知，只有入射角度（入射光线与光纤轴的夹角）小于某一个角的光线，才能在光纤内部传播，而光纤的数值孔径NA即为： (2)本实验采用“远场光斑法”近似测量光纤的数值孔径，其测量原理如图2所示：图2 “远场光斑法”测量原理如图所示，数值孔径可由以下公式测量： (3)其中，r为观察屏上光斑的半径，h为光纤端面与观察屏之间的距离。2.2.1 数值孔径与折射率的关系若纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光线进入光纤的折射角为，射入光纤的临界角为C，则由sinC=n2n1sin=cosC联立（2）式可得NA=n12-n22 (4)2.3 光纤的损耗光波在光纤中的传播会产生各种原因的损耗，
5、包括接续损耗、弯曲损耗等附加损耗，散射、吸收两种固有损耗。散射主要以瑞利散射为主，也会存在米氏散射。吸收主要是光纤材料和杂质的吸收，可分为紫外吸收和红外吸收。光波在光纤的实际传输过程中，随着传播距离的增加，光功率以指数形式逐渐衰减，即： (5)其中，P(0)为光纤的输入功率；P(L)为光波传输L后光纤的输出功率；是损耗系数，是光波波长的函数。在光通信中，光信号的损耗一般以分贝（dB）为单位，采用以下的光纤损耗定义式： (6)光纤的损耗系数定义为单位距离上的损耗，即： (7)测量方法：本实验“截断法”测量光纤的损耗。首先，在稳定的光强输入条件下，测量长度为L的整根光纤的输出功率；然后，保持耦合条
6、件不变，在离光纤输入端约l处截断光纤，测量此短光纤（l）的输出功率。则和可以分别视为被截断的光纤（L-l）的输入功率和输出功率，这样，就可以根据公式(5)(6)测量光纤的损耗系数。2.4 光纤温度传感器光纤温度传感器的基本原理是光纤双光束干涉中相位差的变化。把激光器发出的相干光经过光纤分束器后送入两根长度基本相同的光纤中，其中一根叫探测臂，另一根叫参考臂。从两根光纤输出的激光束叠加后将产生干涉，形成干涉条纹。光经过光纤前后，相位差的改变为： (8)其中，为波长；n是光纤折射率；L是光纤的长度；T是温度。将外界的温度作用施加到探测臂上，光纤的长度和折射率都会发生变化，由公式(7)可以计算出，与之
7、前的出射光相比相位的变化为： (9)3. 实验内容3.1 主要实验器材He-Ne激光器、光功率计、显微物镜、五维调节架、光纤、光纤切割刀、光纤钳、CCD、光纤温度传感器实验仪器、光屛。3.2 操作步骤3.2.1 调节光路首先，利用小孔光阑将激光输出调至水平，之后，激光输出保持不动。而后，将五维调节架放入光学平台中，使激光入射到五维调节架上的聚焦目镜上（聚焦目镜的焦距已经经过筛选），观察光束的反射斑。可以看到，一共有四个反射斑，调整目镜的位置、方向和高低，使四个反射斑两两重合且基本与光源的位置重合，则激光光束与聚焦目镜的光轴共轴。此后，固定五维调节架不动。然后，观察激光是否和固定光纤的通光孔共轴
8、，从而保证光源与光纤的耦合效率较大。通过观察进入通光孔和出射通光孔时光线是否处于通光孔中央，可以判断是否共轴，如果不共轴，反复调节通光孔的上下左右位置以及俯仰角度。3.2.2 测量塑料光纤的耦合效率和损耗系数取一段塑料光纤，用剪刀处理端面，使端面尽量垂直与光滑。用铜套固定光纤的一端，将铜管固定在五维调节架上。观察激光光斑与光纤端面的相对位置，调节五维调节架上铜管的左右与上下位置，直到激光光斑打在光纤端面上，将光纤另一端也用铜管固定在光纤架上，使光纤输出端尽量贴近（光的出射角分布范围很大，防止光分散测量不准）光功率计感光面，反复微调铜管位置、光纤与聚焦目镜的距离（使端面与高斯光束束腰重合），使输
9、出功率最大。然后利用“截断法”测量光纤的损耗。因为截断后，剩余的光纤的长度很短，可以忽视光纤的损耗，把输出光强近似当做光源与光纤耦合后，输入光纤的光功率，因此，可以用此来计算塑料光纤的耦合效率。3.2.3 测量商用石英光纤的耦合效率和数值孔径取用石英光纤，用专用光纤剥线钳处理光纤以便用专用光纤切割器处理端面，最后在显微镜下观察光纤端面是否平整光滑。将处理好的光纤装入铜套并固定在五维调节架上，仔细调节聚焦目镜位置和聚焦目镜与端面的距离，由于石英光纤的纤芯半径很小，数值孔径也不大，因此该次调节光源与光纤的耦合需要十分精准，最后，使光纤输出功率最大。然后利用“远场光斑法”测量石英光纤的数值孔径。由于
10、石英光纤的损耗效率较小，可以直接将调整耦合后得到的光纤输出的最大功率作为计算耦合效率时输入光纤的光功率。3.2.4 光纤温度测量传感器的温度系数保持石英光纤处于最佳耦合状态，将光纤插头接入分束-干涉系统，选择分束器中的两条长度相当，光强相似的输出端，并且根据输出光斑的形状，对这两个输出端的端面进行处理。将一支光纤放入加热器中固定好，然后调整两光纤的相对位置，光纤与CCD探头的相对位置（为了得到粗条纹，尽量远离，但是要保证光强强度），直到在CCD上得到清晰的干涉条纹。然后分别测量30-40升温和40-30降温时，条纹移动的数目。4. 实验数据处理和分析与实验结果4.1 塑料光纤的耦合效率和损耗特
11、性如上一节所述，利用“截断法”测量塑料光纤的损耗特性，并同时测量计算耦合效率所需的数据。4.1.1 塑料光纤的耦合效率未放光纤时，测得光功率（即射在光纤端面上的光功率）：P0=3.69mW光纤截断前：L=171.0cmP2=1.410mW光纤截断后：l=9.3cmP1=1.614mW根据公式（1），计算塑料光纤在本次实验条件下的耦合效率：=P1P0100%43.7%实验操作中，影响耦合效率的因素有：1.光纤入射端与透镜焦点的相对位置。实验中透镜的焦距大约在5-7mm，并不能完全确定焦点的位置，所以光束可能没有在最大光强处射入光纤，造成耦合效率较低。2.光纤入射端与光束的相对位置。实验中用五维调
12、节架调节光纤的位置会存在一定的偏差，即使光纤的入射端恰好在透镜焦距位置，也无法保证光束全部射入光纤端面，使得耦合效率较低。3.光纤端截面的平整度（或数值孔径）。实验操作中发现，如果光纤入射端平整度不够完好，即使光点恰好打在截面上，光功率的示数也会极小。这是因为只有入射角度（入射光线与光纤轴的夹角）小于某一个角的光线，才能在光纤内部传播，其余光束则不能到达光纤另一端，导致P1减小，耦合效率减小；同时出射端截面的粗糙也会导致一定的损耗，使得P1较小。4.1.2 塑料光纤的损耗特性因为在截断光纤后，剩余光纤长度lL，损耗可忽略不计，故P1可作为长度为L-l光纤的输入光功率，则将P2作为该光纤的输出功
13、率，利用公式(5)(6)，计算得到塑料光纤的损耗A和损耗系数：A=10lgP1P20.587dB=AL-l362.9dB/Km实验操作中，导致光功率损耗的因素有以下几种：1.光纤端面损耗。包括耦合损耗、端面杂质吸收和散射损耗。材料吸收损耗：光纤材料中的粒子吸收光能以后，产生振动、发热，而将能量散失，从而产生损耗。散射损耗：光纤结构不完善，如由光纤中有气泡、杂质，或者粗细不均匀，特别是芯-包层交界面不平滑等，光线传到这些地方时，就会有一部分光散射到各个方向，造成损耗。2.光纤长度。由以上因素和截断前后光功率的变化可推知光纤越长，损耗越大。3.弯曲损耗。光纤弯曲导致部分位置不能满足全内反射条件，即
14、光束的一部分会从光纤的纤芯中逃离出去，这也是实验中光纤呈现红色的主要原因。误差分析：实验过程中，对塑料光纤的长度测量由于没有足够量程的刻度尺，出现了较大误差，对于损耗系数的测量影响较大。4.2 商用石英光纤的耦合效率和数值孔径4.2.1 耦合效率调整好耦合之后，测量光纤的输出功率P1=0.620mW，由于商用石英光纤的损耗很小，因此可以忽略损耗，将P1作为输入光纤的光功率。根据公式(1),计算商用石英光纤在本次实验条件下的耦合效率：=P1P0100%16.8%首先测量误差主要来源于对光纤损耗的近似忽略。其次，由于本次实验的光功率较小使得环境光对光功率计的影响较大。在调节光源与光纤耦合的过程中，
15、需要十分严格的将光源与光纤端面调为共轴，并且使光纤端面与透镜中出射的高斯光束的束腰共轴，还需要用专用工具将光纤的端面且平整光滑尽量提高耦合效率，便于后续实验中，出射光纤的光强足够大。4.2.2 石英光纤的数值孔径调节光屛到光纤输出端面的距离h，测量打在光屛上的光斑的半径r。测量的数据和由此通过公式(3)计算的数值孔径可见表1。h/cmr/cm数值孔径NA8.201.200.1512.401.400.1115.402.000.13表1 计算数值孔径所需数据和数值孔径的计算值数值孔径的物理意义：由公式（4）可知，光纤的数值孔径大小与及纤芯包层相对折射率差有关。从物理上看，光纤的数值孔径表示光纤接收
16、入射光的能力。NA越大，则光纤接收光的能力也越强。从增加进入光纤的光功率的观点来看，NA越大越好。误差分析：1.测量次数较少，得到平均值较真值存在差异；2.在读取各个元件位置时，没有专门的刻度读取，且眼睛无法垂直视线读取表座两端刻度，对坐标的读取造成了一定误差；3.在测量光斑半径时，光斑并不是完整的圆形（推测由于光纤切面不垂直光滑所致），而且边缘较模糊，对确定横纵轴的长度带来了困难，引起一定的误差。4.3 光纤温度测量传感器的温度系数按照上文中的实验步骤，可以在CCD屏幕上观察到干涉图案如下图：图1 双光束干涉条纹在30-40区间内，分别在升温和降温过程中观察屏幕上干涉条纹的移动情况，并用手机
17、录下视频。从视频中每移动5个条纹记录一次温度示数，数据如下：条纹移动数目温度（）030.1531.21032.41533.12034.42535.13035.93536.94037.84538.65039.55540.5表2 温度上升时，条纹移动数目与温度的关系条纹移动数目温度（）040.5539.61038.91538.02037.12536.33035.43534.44033.34532.45031.65530.5表3 温度下降时，条纹移动数目与温度的关系将数据逐差，得到条纹每变化5条时温度的变化值，导入excel中绘制散点图如下：图2 升降温对比图可以看到不论是升温还是降温，二者均大致呈
18、线性关系。故在同一条纹变化数下取升降温时温度变化的平均值作为该N下的T，导入Origin进行线性拟合：图3 温度上升时条纹移动数目随温度变化可得线性拟合的系数R20.99965，可以认为N与T之间为线性关系。根据结果的斜率k=5.449860.03228，可得温度系数大小为：NT5.449860.03228 从图2 中明显看出，升降温曲线并未完全重合，推测原因如下：在降温过程中经常会有温度不降反升，或者温度降低但是条纹没有移动或逆行的情况。计数时往往是等到条纹刚好变化完5条就开始读取温度，而实际上光纤的温度可能存在延迟效应，导致变化相同条纹数时降温过程所需要的的温度变化更小（因为计数是一旦变化
19、5条就读取温度）。推测这是由温度计自身的灵敏度造成的误差。因为实验中加热装置的开关失灵，导致温度变化不均匀，加之光纤本身温度的变化也不均匀，影响了曲线的线性相关程度。5 .实验结论与反思本次实验分别测量了塑料光纤的耦合效率和损耗特性，商用石英光纤的耦合效率和数值孔径，并且使用商用石英光纤制作光纤温度测量传感器并测量传感器的特性。在测量耦合效率时，测量入射光纤的光功率都采用了近似的方法，使用可以近似忽略光纤损耗的光纤的输出功率作为入射光线的光功率。测量损耗特性使用了“截断法”，使用该方法时，要特别注意光功率计的使用。测量数值孔径时使用了“远场光斑法”，基于几何光学原理，但是测量过程中光会发生衍射，因此该方法的适用范围有限。使用商用石英光纤制作光纤温度测量传感器并测量传感器的特性时，分别测量了温度上升和下降时传感器的性质，可以看出传感器并不足够灵敏，并且只能用来测量温度的变化。本次实验理论并不复杂，操作细节是最大的考验，经过实际的操作，深刻地领会到理论和实践的差距，认识到自己动手能力的不足：例如多次剪断石英光纤，花费较长时间才调节出光纤出光孔的最大功率等等，并希望在后续的学习中，更多地将理论投入到实践中。6. 参考文献1 北京师范大学物理实验教学中心.近代物理实验讲义附录：实验数据