光纤端面光场分布测量与反射式光纤位移传感实验

实验一 光纤纤端光场分布的测试

随着光纤通信技术的发展，派生出了光纤传感技术，并且取得了快速的发展，光纤传感器已经在民用工程、航空航天和国防等领域得到了广泛的应用。就外部调制型光纤传感器而言，如反射接收型、直接入射型和光闸型等，一般由入射光源光纤、调制器件以及接收光纤组成。其中接收光纤所收集到的光强随外界物理扰动而变化，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据，大多与光纤出射的光场相关。因此，光纤出射光场的场强分布对于这类传感器的分析和设计至关重要，光纤纤端光场的分布是反射式光纤传感实验的基础。通过纤端光场分布的测量可以给使用者以直观的印象，并且对光纤传光特性有一定的定性和定量的掌握；同时，它的测量涉及到光纤传感器的设计、使用方法等基本问题，具有重要意义。 一、预习重点

(1) 光纤无源器件的结构组成与操作；

(2) 光纤的传光特性、光纤传输的模式理论。 二、光纤纤端光场径向分布和轴向分布的测试

(一) 实验目的

1. 了解“光纤传感实验仪”的基本构造和原理，熟悉其各个部件、学习和掌握其正确使用方法；

2. 定性了解光纤纤端光场的分布，掌握其测量方法、步骤及计算方法； 3. 测量一种光纤的纤端光场分布，绘出纤端光场分布图。 (二) 实验仪器

UL DL LED PIN mV mA μW AUTO PRO UP DOWN 图1 光纤传感实验仪示意图 SET FOS-Ⅱ Fiber-optic Sensing Instrument 光纤传感实验仪 哈尔滨工程大学

光纤传感实验仪主机(如图1所示)、接收光纤(如图2所示)、发射光纤(如图3所示)、准三维调节架(如图4所示)。

LED－光源输出插座； PIN－光探测器输入插座； AUTO－自动步进键； PRO－编程控制键；

UP、DOWN－配合PRO设定输出电流上下限； SET－设置键；

UL、DL、mA、mV、μW－仪器显示状态指示灯。

LED PIN 红色 黑色 反射接收探头 图2 反射接收光纤组件

PIN 黑色 透射接收光纤 图3 发射接收光纤组件

图4 二维调整架

(三) 实验原理

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按照光纤传输的模式理论，在光纤中光功率按模式分布。叠加后的光纤纤端光场场强沿径向分布可近似由高斯型函数描写，称其为准高斯分布。另外沿光纤传输的光可以近似看作平面波，此平面波在纤端出射时，可等价为平面波场垂直入射到步透明屏的圆孔表明上，形成圆孔衍射，实际情况接近于两者的某种混合。为方便分析起见，作以下两点假设：

1. 光纤端面：光场是由光强沿轴向均匀分布的平面波和光强沿径向为高斯分布的高斯光束两部分构成的；

2. 出射光场：纤端出射光场由准平面波场的圆孔衍射和在自由空间中传输的准高斯光束叠加而成。

在以上假设下可推导出理论公式：

22222??2k2w02?wr???2a02?kr??20 (1) I?r,z??I0?p2J1?a0??q22exp??24224??z?4z?kw0????4z?kw0???r?上式表明，纤端出射光场场强分布是由不同权重下的高斯分布和平面波场的圆孔衍射分布叠加的结果

纤端光场既不是纯粹的高斯光束，也不是纯粹的均匀分布的几何光束，为了更好地与实际情况符合，在此综合这两种近似情况，并引入无量纲调合参数ξ，可以给出如下结果：

??????z?w?z????a0?1?????z??0?3??2???tg?0? (2)

??实际使用过程中，对于渐变折射率光纤有时取σ＝2-1/2；对于突变折射率分布的

光纤通常取σ＝1，对于芯径较粗的多模光纤而言，衍射效应基本上被平均化了，即取p≈0，q≈1。因而对于大芯径多模光纤，为了使用方便，式(1)通常取如下形式：

???????r2?? (3) ?exp?22?3???2?22???z?tg?c??tg?c?????a0??1????2?a0????????????I?I03?222??z??a0??1????a??0???(四) 操作步骤及其数据处理

Ⅰ 测试光纤纤端光场的径向分布：

1. 将光源光纤连接到纵向微动调节架上，探测光纤连接到横向微动调节架上，并使两光纤探头间距调到约1mm左右；

2. 接通光源，光LED驱动电流调到指定电流35mA；

3. 调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大，此时可认为入射光纤和出射光纤已对准；

4. 调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置，并记录下螺旋测微器的读数，然后将纵向微动调节架向相反的方向旋转0.5mm (两光纤探头的间距) 停止；

5. 沿某一方向旋转横向微动调节架，直至输出电压为零，再向相反的方向

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旋转一点，记录螺旋测微器的读数，继续向该方向旋转，每转过5个小格记录电压输出值，直至电压再次变为零；

6. 将两光纤探头的间距调到1.0mm，重复步骤5； 7. 实验数据及数据处理：

在同一坐标纸上作出两条曲线(数据表格自行设计)。

*注：两光纤探头的间距也可自行设定，也可根据需要测出多条实验曲线。还可以改变LED的驱动电流，然后再作出曲线，以获得在不同驱动电流下的输出特性。或根据需要自行设计实验内容。

Ⅱ 测试光纤纤端光场的轴向分布：

1. 将光源连接到纵向微动调节架上，探测光纤连接到横向微动调节架上，并使两光纤探头间距调到约1mm左右；

2. 接通电源，将LED驱动电流调到指定电流40mA；

3. 调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大，此时可认为入射光纤和出射光纤已对准；

4. 调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数，然后将纵向微动调节架向相反的方向旋转，每转过5个小格记录电压输出值，直至输出电压变为零；

5. 实验数据及其处理：

在坐标纸上作出理论曲线和实验曲线。

*注：还可以改变电流LED的驱动电流，然后再作出曲线，以获得在不同驱动电流下的输出特性。

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实验二 反射式光纤位移传感的实验研究

光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀；灵敏度高；重量轻、体积小、外形可变；测量对象广泛；对被测介质影响小；便于复用，便于成网；成本低等特点，在民用工程、航空航天和国防等领域得到了广泛的应用。反射式光纤位移传感器使一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光的作用，光纤分为输入光纤(发送光纤)和输出光纤(接收光纤)。在实验过程中，采用光纤传感实验仪构成反射式光纤位移传感器，可用以测量多种可转换成位移的物理量。 一、预习重点

(1) 光纤无源器件的结构组成与操作；

(2) 光纤的传光特性、光纤传输的模式理论。 (3) 光纤传感器的定义及其分类。 二、实验内容

(一) 实验目的

1. 了解“光纤传感实验仪”的基本构造和原理，熟悉其各个部件、学习和掌握其正确使用方法；

2. 了解一对光纤(一个发光、一个接收光)的反射接收特性曲线； 3. 学习掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和使用方法。 (二) 实验仪器

光纤传感实验仪主机(如实验一的图1所示)、反射接收光纤(如实验一的图2所示)、准三维调节架(如实验一的图4所示)。 (三) 实验原理

采用的光纤传感器的原理如图1所示。光纤探头A由两根光纤组成，一根用于发射光，一根用于接收反射镜反射的光，R是反射镜。系统可工作在两个区域中，前沿工作区和后沿工作区(如图2所示)。当在后沿区域中工作时，可以获得较宽的动态范围。

IA0 A IA(x) 光源光纤 R (a) 光纤探头示意图 图1 光纤反射调制原理图 x x r 接收光纤 等效镜面光纤 x (b) 等价光纤坐标系统

就外部调制非功能型光纤传感器而言，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据。该特性调制函数可借助于光纤端出射光场的场强分布函数给出：

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