光纤传感器2

实验目的：学习光纤数值孔径的物理含义、光纤与光源耦合方法的原理；理解M—Z干涉的原理和用途；了解传感器原理；实测光纤压力传感器和温度传感器实验数据。 实验原理：

光纤数值孔径、光纤的耦合方法 光纤数值孔径是描述光纤与光源、探测器和其他光学器件耦合时的特性，它的大小反映光纤收集光的能力。数值孔径是光纤传光性质的结构参数之一，是表示光学纤维集光能力的一个参量。光在光纤中的传播可以用全反射原理来说明。

图1 光纤剖面图

光纤的基本结构如图1，它主要包括三层（工程上有时有四层或五层，图中是四层结构）：1.纤芯；2.包层；3.起保护作用的涂敷层；4.较厚的保护层。纤芯和包层的折射率分别是n1和

n2 ，如图2，为了使光线在光纤中传播，纤芯的折射率（n1）必须比包层(n2)的折射率大，

这样才会产生全反射。光线1以角入射在光纤端面上，光线经折射后进入光纤，以角入射到纤芯和包层间的光滑界面上。只要我们选择适当的入射角，总可以使角大于临界角

m，m的大小由公式marcsin(n2/n1)决定，使光线1在界面上发生全反射。全反射

光线1又以同样的角度在对面界面上发生第二次反射。如果光纤是均匀的圆柱体，入射光线经无数次反射后从另一端以和入射角相同的角度射出。（思考：该原理是否可以帮助测量数值孔径）

图2 圆柱形光纤传光原理

在光纤断面上，当光线入射角小于一个定值a时，折射光线在纤芯和包层界面上的入射角才会大于临界角m，光线才能在光纤内多次全反射而传递到另一端。在光纤端面上，入射

角'a的那些光线，折射后在界面上的入射角小于临界角m，光线将射出界面，如图中光线2 。这个入射角a称为光纤的孔径角，它的数值由光纤的数值孔径决定。光纤的数值孔径（NA）定义为 NAn0sina2n12n2 （1）

式中n0是入射光线所在介质的折射率，由式（1）n1和n2分别为光纤的纤芯和包层的折射率。可见，纤芯和包层的折射率相差越大，a越大，光纤的数值孔径就越大。数值孔径是表示光纤集光能力的一个参量，它越大就表示光纤接收的光通量越多。

（2） 光纤的耦合

光纤与光源的耦合有直接耦合和经聚光器件耦合两种。聚光器件有传统的透镜和自聚焦透镜之分。自聚焦透镜的外形为“棒”形（圆柱体），所以也称之为自聚焦棒。实际上，它是折射率分布指数为2（即抛物线型）的渐变型光纤棒的一小段。

直接耦合是使光纤直接对准光源输出的光进行的“对接”耦合。这种方法的操作过程是：用光纤剥线钳剥去保护层和涂敷层，清理干净光纤包层，然后用宝石刀切割，制备出平整的光纤端面；调整激光器和纤芯置的相对位置，使光纤输出端的输出光强最大，然后固定。如果光源输出光束的横截面面积大于纤芯的横截面面积，将引起较大的耦合损耗。

经聚光器件耦合是将光源发出的光通过聚光器件将其聚焦到光纤端面上，并调整到最佳位置（光纤输出端的输出光强最大）。光耦合效率与光纤端面质量和耦合透镜的数值孔径有关，当光纤断面处理的质量较好，数值孔径与耦合透镜数值孔径相匹配时可得到最佳耦合效率.这种耦合方法能提高耦合效率。耦合效率η的计算公式为

p1p1100% ， 或 10lg(dB) (2) p2p2式(2)子中P1为耦合进光纤的光功率（近似为光纤的输出光功率）。P2为光源输出的光功率。

2．光纤干涉仪的相位调制机制

当真空中波长为λ0的光入射到长度为l，纤芯折射率为n的光纤上时，若以其入射端面为基准，则出射光的相位为

k0nlkl (3)

式中 ko20, kk0n

显然，k,n及l的变化都会导致光波相位的变化，即实现相位调制，由式（3）有

(kl)k0lnk0nl (4)

光纤长度和直径的变化以及折射率的变化都会引起相位调制。 温度变化对相位调制的作用：有式（4）有

nlk0(ln) (5) TTT及

nnlk0() (6) lTTlT3. 马赫—曾德尔（Mach-Zehnder）光纤干涉仪的结构与测温原理

马赫——曾德尔光纤干涉仪是最早用于温度测量的一种光纤温度传感器，干涉仪由两臂组成，一个是参考臂，提供相位基准;另一个是传感臂，用于光相位调制，对待测物理量的变化敏感。参看图3，由氦氖激光器发出的激光经分束器分成两路，分别送入两根长度基本相同的单模光纤。将两根光纤的输出端并合到一起，在输出光斑重叠区将出现干涉光场。 测量臂光纤受到温度场作用，纤芯折射率和几何长度会有一微小变化，使沿此臂传播的光波光程发生变化，则两臂输出端光波相位差发生变化，从而引起干涉场干涉条纹的移动。显然，干涉条纹的移动数目反映出温度场温度的变化。

图3 马赫——曾德尔光纤干涉仪

M和M反射镜； BS分束镜； TV显示器；La氦氖激光器；L1、L2聚光镜；12 Mi、CCD成像装置； HF恒温器 OF1、OF2单模光纤；测量臂光波相位变化是由温度引起的，由（6）给出了光纤干涉仪的温度灵敏度：

2nnl() (7)

T*l0TlT或者

1n1l** (8) TnTlT式中l为测量臂置于温度场部分的长度，△T为温度变化量，干涉场中任意一点上干涉条纹的移动数目为△m，则相位变化量

20当温度变化△T时，nl。

2m (9)

1n1l()0.68*105/℃，其线性膨胀系数()5.5*107/℃，nTlT当干涉仪用的单模光纤的规格已知时，光纤的温度灵敏度就是确定的值。例如，剥去护套层的石英玻璃光纤，其

λ0=632.8nm，代入式（8），算出裸光纤的温度灵敏度

0.74*105/℃ T或者由n=1.456, λ0=632.8nm,纤温度灵敏度

nl11*105/ ℃，*5.5*107/℃及式（7）算出光TTl107rad/(℃*M)。 lT由于石英光纤的热膨胀系数极小（5.5*10-7/℃）,其温度灵敏度几乎完全由折射率变化（0.68*10-5/℃）所决定。为了提高光纤温度灵敏度，在石英光纤外面包有一层护套层，使护套层材料的杨氏模量和膨胀系数对光纤的温度灵敏度有较大影响，这种做法称为对光纤进行温度“增敏”。计算表明，有护套层的石英光纤灵敏度

1.64*105/℃ T比裸光纤（

0.74*105/℃）大很多。 T实验仪器：氦氖激光电源、五维调整架、数显温控仪、光纤传感实验仪 数据处理：

1、光纤耦合效率

三次测量结果为820nW，900nW，850nW 应取最大值即900nW 激光源4.2mA，2mW

900100%0.045% 耦合效率62102、光纤温度灵敏度

m3，即6 l29.00cm T/℃

升温 降温 30.7 33.7 35.9 31.0 34.0 35.6 31.3 34.3 35.3 31.6 34.6 35.0 31.9 35.0 34.7 32.2 35.4 34.4 32.5 35.8 34.0 32.8 33.7 33.1 33.4 33.4 33.1 对升温段及降温段分别拟合，可得两段斜率分别为：

20.18/℃T这两个数值明显是错误的，从数据中也可看出是60左右

19.96/℃T取均值，可得：两个不同过程，平均无意义；降温时更准

20.07rad/(℃m)69.21rad/(℃m) lT0.2900此即测得的裸光纤的灵敏度

实验小结：1、在制作光纤端面时，需要特别注意对包层和纤芯的保护，剥去涂敷层时为稳妥起见，可对同一段光纤进行“微力多次”的剥离操作，防止用力过猛造成光纤损毁。 2、在测定光纤耦合效率时，应先进行五维调整架和激光源之间位置的粗调，再调节五维调

整架的各个螺钉，这对提高实验效率很有意义。