实验2 光纤数值孔径NA测量实验

一、实验目的

1、学习光在光导纤维中传播的基本原理

2、掌握测量通信石英光纤的数值孔径

2、熟练光学调节技术及熟悉光功率计

二、实验仪器

1、光源                                                                 1台

2、读数旋转台                                                           1个

3、三维微调架                                                           1个

4、光纤两根（单模、多模各一根）                                         2根

5、光纤适配器                                                           1个

6、光斑屏                                                               1个

7、光功率计                                                             1个

三、实验原理

光纤的数值孔径

数值孔径（NA）是衡量一根光纤当光线从其端面入射时，它接收光能大小的一个重要参数，也就是说它是反映光纤捕捉光线（或聚光）能力大小的一个参数。

如图六所示，通常我们考虑的是光纤中子午光线的数值孔径。设θc为光纤内产生全反射时的临界角，则可知Sinθc=n2/n1.因为光是从空气（n0=1）入射到光纤端面的，所以根据图五，可得由此又可得

            (1-2)

通常，通讯中用的光纤为弱导光纤，其纤芯和包层的折折率差很小，可近似认为n1+n2≈2n1，若定义相对折射率差为△=(n1-n2)/n1,则

                          (1-3) 

这就是光纤的数值孔径的定义式，称之为光纤的最大理论数值孔径。

光纤的数值孔径的测试通常采用方法有：“近场法”和“远场法”。

A、“近场法”是根据数值孔径的定义，测出折射率n1和n2，求得数值孔径NA为。由这种方法测出的数值孔径称为“理论数值孔径”或“标称数值孔径”。

B、“远场法”如实验所述的测量光纤的数值孔径（NA）的两种方法。

光纤数值孔径（NA）是光纤能接收光辐射角度范围的参数，同时它也是表征光纤和光源、光检测器及其它光纤耦合时的耦合效率的重要参数。图1－6示出了阶梯多模光纤可接收的光锥范围。因此光纤数值孔径就代表光纤能传输光能的大小，光纤的NA大，传输能量本领大。

NA的定义式是

no*Sinθ=               （1－4）

式中n0为光纤周围介质的折射率，θ为最大接受角。n1和n2分别为光纤纤芯和包层的折射

率。光纤在均匀光场下，其远场功率角分布与理论数值孔径有如下关系：

                          （1－5）

其中θ是远场辐射角，Ka是比例因子，由下式给出：

                    （1－6）

 式中P（0）与P（θ）别分θ=0和θ=θ处远场辐射功率，g为光纤折射率分布参数。计算结果表明，若取P（θ）/P（0）=5%，在g≥2时Ka的值大于0.975。因此可将对应于P（θ）曲线上光功率下降到中心值的5%处的角度θe的正弦值定义为光纤的数值孔径，称之为有效数值孔径：      

                        （1－7）

三、实验步骤 

试验内容包括：校正调试训练、测量输出孔径角与输入孔径角。实验步骤如下：

1、He-Ne激光器和光功率计的电源，调整实验系统；

a. 调整激光管，使激光束平行于实验平台面；

b. 调整旋转台，使转盘刻度置于0；

c.取待测光纤，一端经旋转台上的光纤架与激光束耦合，另一端与光功率计相连；

d.仔细调节光纤架及配合调节激光管支撑螺钉，使光纤输出功率最大（该项须由指导老师指导下进行）。

2、测试输入孔径角；

(1) 光纤输出端于光功率计的探头相连；

(2) 旋转读数平台，改变光束入射角，记录不同旋转角度θ下的输出光功率值；

(3) 绘制P-θ曲线，取P（θ）下降到中心值的5%时所对应的θ值作为。

3、测输出数值孔径角θo，实验系统图如图1－7所示；

a. 把光功率计上的光纤接头接到光斑屏前的光线适配器上；

b.置观察屏于距光纤端面L距离处，则在观察屏上可见光纤输出圆光斑，其直径为D；

c.调三维微调架，准确测量L和D的值，得输出孔径角为：

                          (11-8) 

4、目测数值孔径角；

a. 调节步骤同1项四个步骤；

b. 除去光纤输出端的光功率计，可在观察屏观测到一输出圆光斑；

c. 转动读数旋转台，直到观察屏上的光斑消失，读此时的旋转台旋转角度。

5、计算光纤数值孔径；

计算公式为：

                             （11-9）

其中θ即上一步骤测得的、和。

5、  关激光器和光功率计的电源，整理实验仪器，结束实验。