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