實驗四、光纖纖端光場軸向、徑向分布的測試.doc

實驗四 光纖纖端光場軸向、徑向分布的測試光纖纖端光場的分布是反射式光纖傳感實驗的基礎(chǔ)。通過纖端光場的分布的測量可以給使用者以直觀的印象，并且對光纖傳光特性有一定的定性和定量的掌握。同時，它的測量涉及到光纖傳感器的設(shè)計、使用方法等基本問題，具有重要意義。一、實驗目的1、了解“光纖傳感實驗儀”的基本構(gòu)造和原理，熟悉其各個部件，學習和掌握其正確使用方法；2、定性了解光纖纖端光場的分布，掌握其測量方法、步驟及計算方法；3、測量一種光纖的纖端光場分布，繪出纖端光場分布圖。二、實驗儀器光纖傳感實驗儀主機、接收光纖、發(fā)射光纖、二維調(diào)節(jié)架。如圖a、b、c、d所示。其中，LED-光源輸出插座；PIN-光探測器輸入插座；AUTO-自動步進鍵；PRO-編程控制鍵；UP、DOWN-配合PRO設(shè)定輸出電流上下限；SET-設(shè)置鍵；UL、DL、mA、mV、mW-儀器顯示狀態(tài)指示燈。（a）光纖傳感實驗儀主機（b）發(fā)射光纖組件（c）接收光纖組件（d）二維調(diào)節(jié)架圖1 光纖傳感實驗儀示意圖三、實驗原理1.光纖纖端光場的徑向分布按照光纖傳輸?shù)哪Ｊ嚼碚?，在光纖中光功率按模式分布。疊加后的光纖纖端光場場強沿徑向分布可近似由高斯型函數(shù)描寫，稱其為準高斯分布。另外沿光纖傳輸?shù)墓饪梢越瓶醋髌矫娌?，此平面波在纖端出射時，可等價為平面波場垂直入射到不透明屏的圓孔表面上，形成圓孔衍射。實際情況接近于兩者的某種混合。為分析方便起見，作以下假設(shè)：光纖端面：光場是由光強沿徑向均勻分布的平面波和光強沿徑向為高斯分布的高斯光束兩部分構(gòu)成的；出射光場：纖端出射光場由準平面波場的圓孔衍射和在自由空間中傳輸?shù)臏矢咚构馐B加而成。在以上假設(shè)下可推導出理論公式（1） (1) 式（1）表明，纖端出射光場場強分布是由不同權(quán)重下的高斯分布和平面波場的圓孔衍射分布疊加的結(jié)果。纖端光場既不是純粹的高斯光束，也不是純粹的均勻分布的幾何光束，為了更好地與實際情況符合，我們綜合這兩種近似情況，并引入無量綱調(diào)合參數(shù)，可以給出如下結(jié)果： (2)實際使用過程中，對于漸變折射率光纖有時取=2-1/2；對于突變折射率分布的光纖通常取=1，對于芯徑較粗的多模光纖而言，衍射效應基本上被平均化了，即取p0，q1。因而對于大芯徑多模光纖，為使用方便，式（1）通常取如下形式： （3）光纖纖端光場的徑向分布如圖2所示。圖2 光場徑向分布理論曲線2.光纖纖端光場的軸向向分布光纖纖端光場的軸向分布如圖3所示。圖3 光場軸向分布理論曲線四、實驗內(nèi)容及操作要點徑向測量：1將光源光纖卡在微動調(diào)節(jié)架上，將探測光纖卡在微動調(diào)節(jié)架另一端上，并使兩光纖探頭間距調(diào)到約0.5 mm左右。2接通電源，將LED驅(qū)動電流調(diào)到指定電流（15 mA）。3調(diào)整徑向、軸向微動調(diào)節(jié)旋鈕和光纖卡具并觀察電壓輸出使之輸出最大，此時可以認為入射光纖和出射光纖已對準。4. 沿某一方向旋轉(zhuǎn)徑向微動調(diào)節(jié)架，直至輸出電壓為0，再向相反的方向旋轉(zhuǎn)一點，記錄螺旋測微器的讀數(shù)，繼續(xù)向該方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過5個小格記錄電壓輸出值，直至電壓再次變?yōu)?。5將兩光纖探頭的間距調(diào)到1.0 mm，重復步驟4、5。軸向測量：重復徑向測量中的1、2、3步。4、調(diào)整軸向微動調(diào)節(jié)架，將探測光纖推進到與光源光纖即將接觸的位置記錄下螺旋測微器的讀數(shù)，然后開始測試，將軸向微動調(diào)節(jié)架向相反的方向旋轉(zhuǎn)（使探測光纖與光源光纖遠離），每轉(zhuǎn)過5個小格記錄電壓輸出值，直至電壓變?yōu)?（當電壓變化較緩慢時，每次可轉(zhuǎn)過10小格記錄一次）。五、實驗數(shù)據(jù)