光纖數(shù)值孔徑（NA）性質(zhì)與參數(shù)測量實(shí)驗(yàn).doc

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1、實(shí)驗(yàn)一光纖數(shù)值孔徑(NA)性質(zhì)與參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一光纖數(shù)值孔徑（NA）性質(zhì)與參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)光在光導(dǎo)纖維中傳播的基本原理2、掌握測量通信石英光纖的數(shù)值孔徑2、熟練光學(xué)調(diào)節(jié)技術(shù)及熟悉光功率計(jì)二、實(shí)驗(yàn)儀器1、光源1臺2、讀數(shù)旋轉(zhuǎn)臺1個(gè)3、三維微調(diào)架1個(gè)4、光纖兩根（單模、多模各一根）2根5、光纖適配器1個(gè)6、光斑屏1個(gè)7、光功率計(jì)1個(gè)三、實(shí)驗(yàn)原理1、光纖的基本構(gòu)造光纖的構(gòu)造如圖1－1所示。它主要有纖芯、包層、涂敷層及套塑四部分組成。(1)纖芯纖芯位于光纖的中心部位。它主要成分是高純度的二氧化硅，其純度高達(dá)99.99999%，

2、其余成分為摻入的少量摻雜劑，如五氧化二磷(P2O5)和二氧化鍺（GeO2）。摻雜劑的作用是提高纖芯的折射率。纖芯的直徑一般為5~50微米。(2)包層包層也是含有少量摻雜劑的高純度二氧化硅。摻雜劑有氟和硼。這些摻雜劑的作用是降低包層的折射率。包層的直徑2b一般為125微米。(3)涂敷層包層的外面涂敷一層很薄的涂敷層。通常進(jìn)行兩次涂敷，涂敷層材料一般為環(huán)氧樹脂或硅橡膠。該層的作用是增強(qiáng)光纖的機(jī)械強(qiáng)度。(4)套塑涂敷層之外就是套塑。套塑的原料大都是采用尼龍或聚乙稀。它的作用也是加強(qiáng)光纖的機(jī)械強(qiáng)度。一般沒套塑層的光纖稱為裸光纖。2、光纖的傳光原

3、理5實(shí)驗(yàn)一光纖數(shù)值孔徑(NA)性質(zhì)與參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)（1）光纖的傳光原理：采用幾何光學(xué)來分析時(shí)主要包括光的反射、折射和全反射等。采用波動(dòng)理論分析時(shí)主要包括導(dǎo)模、模數(shù)、雙折射等。（2）光在光纖中的傳播主要有二種類型，如圖1－2所示。（a）階躍型光纖其光纖折射率呈階躍型分布。該種光纖的纖芯折射率均勻且比包層高，以保證傳輸光能在纖芯和包層的界面上實(shí)現(xiàn)全反射，光傳輸軌跡為鋸齒形。當(dāng)光纖NA大時(shí)，反射次數(shù)多、損耗大。階躍光纖是光纖應(yīng)用的基本類型。（b）漸變型光纖其纖芯的折射率呈曲面分布，使傳輸光的軌跡為光滑曲線（如正弦函數(shù)曲線），也稱蛇形傳光。其優(yōu)點(diǎn)

4、是NA大，色散和損耗較小，傳輸距離大，但價(jià)格高。另外，在單模光纖中，纖芯的直徑很小，光線幾乎是沿著光纖軸傳播的。3、光纖的傳輸模式對于階躍光纖，光纖中的傳輸模式與波導(dǎo)參數(shù)V有關(guān)。波導(dǎo)參數(shù)V的定義為：V=2pa(NA)/l(1-1)式中a——光纖纖芯的半徑；NA——光纖的數(shù)值孔徑；l——入射光波長。在光纖NA保持一定的情況下，光纖的芯徑越大，則波導(dǎo)參數(shù)越大。光纖能傳播的模式也越多，當(dāng)V≤2.4的時(shí)候光纖就只能傳播單一模式，這種光纖稱為單模光纖；當(dāng)V>2.4時(shí)能傳播多種模式，例如V≤3.8時(shí)，光纖就傳輸四種模式()，在這種光纖輸出端可觀測到

5、對應(yīng)于這4種模式的4種光斑類型，所以一般V>2.4的光纖就稱為多模光纖。圖1-4是光脈沖在多模光纖和單模光纖中的傳輸性能示意圖。由圖1-4可見，多模光纖損耗大、色散較強(qiáng)，因而脈沖畸變嚴(yán)重；而單模光纖損耗和色散性能都較佳，對光脈沖的影響較小。光纖長距離通訊中的光纖是用單模光纖，就是這個(gè)原因。4、光纖的光學(xué)參數(shù)和特性（1）光纖的數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑（NA）是衡量一根光纖當(dāng)光線從其端面入射時(shí)，它接收光能大小的一個(gè)重要參數(shù)，也就是說它是反映光纖捕捉光線（或聚光）能力大小的一個(gè)參數(shù)。如圖六所示，通常我們考慮的是光纖中子午光線的數(shù)值孔徑。設(shè)θc為光纖內(nèi)

6、產(chǎn)生全反射時(shí)的臨界角，則可知Sinθc=n2/n1.因?yàn)楣馐菑目諝猓╪05實(shí)驗(yàn)一光纖數(shù)值孔徑(NA)性質(zhì)與參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)=1）入射到光纖端面的，所以根據(jù)圖五，可得由此又可得(1-2)通常，通訊中用的光纖為弱導(dǎo)光纖，其纖芯和包層的折折率差很小，可近似認(rèn)為n1+n2≈2n1，若定義相對折射率差為△=(n1-n2)/n1,則(1-3)這就是光纖的數(shù)值孔徑的定義式，稱之為光纖的最大理論數(shù)值孔徑。光纖的數(shù)值孔徑的測試通常采用方法有：“近場法”和“遠(yuǎn)場法”。A、“近場法”是根據(jù)數(shù)值孔徑的定義，測出折射率n1和n2，求得數(shù)值孔徑NA為。由這種方法測出的

7、數(shù)值孔徑稱為“理論數(shù)值孔徑”或“標(biāo)稱數(shù)值孔徑”。B、“遠(yuǎn)場法”如實(shí)驗(yàn)所述的測量光纖的數(shù)值孔徑（NA）的兩種方法。光纖數(shù)值孔徑（NA）是光纖能接收光輻射角度范圍的參數(shù)，同時(shí)它也是表征光纖和光源、光檢測器及其它光纖耦合時(shí)的耦合效率的重要參數(shù)。圖1－6示出了階梯多模光纖可接收的光錐范圍。因此光纖數(shù)值孔徑就代表光纖能傳輸光能的大小，光纖的NA大，傳輸能量本領(lǐng)大。NA的定義式是no*Sinθ=（1－4）式中n0為光纖周圍介質(zhì)的折射率，θ為最大接受角。n1和n2分別為光纖纖芯和包層的折射5實(shí)驗(yàn)一光纖數(shù)值孔徑(NA)性質(zhì)與參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)率。光纖在均勻光

8、場下，其遠(yuǎn)場功率角分布與理論數(shù)值孔徑有如下關(guān)系：（1－5）其中θ是遠(yuǎn)場輻射角，Ka是比例因子，由下式給出：（1－6）式中P（0）與P（θ）別分θ=0和θ=θ處遠(yuǎn)場輻射功率，g為光纖折射率分布參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表