光纤数值孔径测试实验系统
一、实验目的
1.了解光纤数值孔径测试实验系统的基本构造和原理，熟悉各个部分，学习和掌握正确使用方法。
2.了解和掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和使用方法。
3.了解和掌握光纤数值孔径的几种测试方法。
二、实验仪器
实验仪器包括光纤数值孔径测试试验系统主机、反射式光纤位移传感器、对射式光纤位移传感器、二维调节架、准三维调节架、反射镜、带刻度白屏及光学导轨等。
其中，主机面板上的发射法兰盘内置的亮白光LED，电流调节是调节LED的工作电流，并通过数显电流表显示其大小，（0-15mA）。接收法兰盘内置高灵敏度光敏二极管，用以接收光纤传感器接收到的光强，并通过相关的电路将所接收到的光强转换为相应的电压值，通过数显电压表显示。电压表量程分三档，分别是0.2V(200mV)，2V和20V。二维调节架固定反射式光纤传感器的发射/接收探头端。二维三维调节架上根据需要可分别插入反射镜，白屏及对射单芯光纤。
三、实验原理
1.光纤传感技术的形成及其特点
光纤传感技术是一门崭新的技术，是传感器的新成就。是随着光导纤维实用化和光通信技术的发展而形成的。
光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通信技术中。但是，在实际光通信过程中发现，光纤受到外界环境因素的影响，如压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。因此，科技人员推测，如果能测出光波量的大小，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小，于是就出现了光纤传感技术。
光纤传感器与传统的传感器相比有许多特点，如灵敏度高，结构简单，体积小，耗电量少，耐腐蚀，绝缘性好，光路可弯曲，以及便于实现遥测等。因此它一出现就受到广泛重视，而且发展很快。
光纤传感技术是一门多学科性科学，它涉及知识面广泛，如纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和微型计算机应用等。而我们本实验只是从实用角度出发，用易于理解的方式阐明理论，重点是放在应用上，严格的理论证明请查阅有关文献。
2.光纤传感器的组成分类
光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和光探测器两个重要部件。光纤传感器一般分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型传感器；另一类是光纤仅仅起到传输光波的作用，必须在光纤端面或中间加装其它敏感元件才能构成传感器，它称为传光型传感器，而传光型又分为两种，一种是将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被测对象的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使敏感元件的光穿透率发生变化，这样，光探测器所接收的光量便成为被测对象调制后的信号；另一种是在光纤一端设置敏感元件加发光元件，而发光元件的发光强度作为测量所得的信息。显然，要求传光型传感器能传输的光量越多越好，所以它主要用多模光纤构成；而功能性传感器主要靠被测对象调制成改变光纤的传输特性，所以只能用单模光纤构成。
根据对光调制的手段不同，光纤传感器又有强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制、波长调制等不同工作原理的光纤传感器。
根据被测参量不同，又可分为位移、压力、温度、速度、加速度、振动、应变、电压、电流、磁场等各种光纤传感器。
3.本实验中，反射式光纤位移传感器的光纤发射/接收探头端面如下图1所示
图1 光纤传感器探头端面示意图
其中，Φ1的光纤用于光输出，16根Φ0.265的光纤用于接收反射镜反射的光。整个反射式位移传感器采用Y型结构，如图2所示
图2 Y型反射式光纤位移传感器结构示意图
当在发射/接收探头前放置一可移动的反射体时，如图3
图3 反射式光纤传感器工作原理
LED白光源发出的光源发射光纤照射到反射体上，被反射体反射的光经接收光纤传至光电三极管，光电三极管把所接收到的光信号转换为电信号—电压。其输出光强的大小取决于反射体距光纤探头的距离X。通过对光强（实际上是输出电压）的检测来得到位移量。如果反射体为一平面，则反射式光纤位移传感器的输出特性曲线如图4所示。
图4 反射式光纤位移传感器输出特性曲线图
4.对射式光纤位移传感器的工作原理
对射式光纤位移传感器的结构如图5所示
图5 对射式光纤位移传感器结构示意图
LED白光源发出的光经反射光纤输出，接收光纤接收到来自发射光纤的光传送到光电转换元件—光电三极管，再经光电三极管将所接收到的光信号转换为相应的电信号—电压。其接收到的光强大小取决于对射的二根光纤端面之间的距离X，通过对光强的检测得到位移量。当然我们也可以让两根芯径相同光纤的端面对准，中间间距只留1-2μm，光可以几乎无损耗的通过。如果因移动光纤发生位移引起两束光中心轴错位，就会增加光的损耗。光纤移动后得到的光强和两段光纤中心重叠部分的面积（见图6中阴影部分）成正比。
图6 横向位移时的损耗
利用此原理，可以设计出用于不同测量目的的光纤位移传感器。
5.光纤数值孔径
光纤数值孔径（NA）是光纤接收光辐射角度大小的度量参数，也是表征光纤和光源、光检测器及其他光纤耦合器耦合时耦合效率的重要参数。图7示出了阶跃型多模光纤可接收的光锥范围。可见，光纤的数值孔径NA代表了光纤能传输光能大小的能力，NA值越大，传输光能的本领就越大。
光纤数值孔径的定义为
图7 光纤最大接收角和接收光锥
式中，n0为光纤周围介质的折射率，n1和n2分别为光纤纤芯和包层的折射率，
为最大接收角（临界角），
为光纤的相对折射率差
光纤在均匀光场下，其远场功率角分布与理论数值孔径NAM有如下关系：
式中，
是远场辐射角，
是比例因子
如图8所示，所谓远场光辐射功率，是指在远离光纤出射端面且与光纤轴心线垂直的远场平面上测试到的光功率，其最大值是在远场平面与轴心线的相交处。
图8 有效数值孔径示意图
数值孔径是光纤端面临界入射角的正弦值，表示光纤采光能力的大小，当光纤端面入射角
时，光纤能够传光，反之则不能传光。数值孔径越大，则光纤与光源或其他光纤的耦合就越容易。但数值孔径过大，则
也大，这会增加光纤的传输损耗，故数值孔径应取适当的值。
四、实验内容和步骤
1.反射式光纤位移传感器调制特性曲线的测量
①参照图3把反射式光纤位移传感器的发射/接收探头固定到二维调节架上，反射镜固定在准三维平移台上；
②把反射式光纤位移传感器的发射光纤和接收光纤分别与光纤数值孔径测试实验仪的发射和接收法兰盘相连接。
③调节准三维平移台的纵向螺旋测微器，使其读数为10.00mm，再纵向移动发射/接收探头或固定二维调节架的滑块，将反射式光纤位移传感器的发射/接收探头端面推进到与反射镜约2-3mm的位置；
④开启电源，将白光LED的驱动电流调节到所需的电流值；
⑤调节固定发射/接收探头的二维调节架，电压表所显示的数值最大为止。
⑥调节准三维平移台的纵向螺旋测微器到反射式光纤位移传感器的发射/接收探头和反射镜几乎相接触为止。记录下螺旋测微器上的读数值和电压表的读数值。
⑦沿纵向远离反射镜的方向调节螺旋测微器，每次调节0.5mm，并记录螺旋测微器的读数值和相应的电压值；
⑧将上述所测得的数据作反射式光纤位移传感器的调制特性曲线。
2.对射式光纤位移传感器调制特性曲线的测量
①参照图5，在反射式光纤位移传感器测量的基础上，我们用Φ1mm单芯光纤替代上述的接收光纤；
②调节发射光纤与接收光纤之间的距离到即将接触为止；
③开启电源，将白光LED的驱动电流调节到所需的电流值。（注：如果LED的驱动电流过大，接收光纤输出的光强很大，将会引起高灵敏的光电三极管饱和，影响测量结果，所以一般小于3mA）；
④调节固定发射/接收探头的二维调节架，使电压表的读数最大；
⑤纵向改变发射光纤和接收光纤之间的距离，并记录相应的电压值；
⑥将所记录的数据作对射式光纤传感器的调制曲线；
⑦参照图6，用对射式光纤位移传感器作横向移动，记录位移量和电压之间的关系，并作它们之间的关系曲线；
3.光纤数值孔径的测量
（1） 通过观察屏上光斑直径的方法测量光纤数值孔径。
（2） 通过光点扫描法测量光纤的数值孔径。
方法一、光斑直径法测量数值孔径，如图9
图9 光斑直径法测量数值孔径
① 将反射式光纤位移传感器的发射光纤接入光纤数值孔径测量实验系统主机的发射端；发射/接收探头固定在二维调节架上。将带刻度尺的白屏固定在准三维调节架上。
② 开启主机电源，调节二维调节架和白屏，使从光线出射的光斑的中心与白屏刻度的中心重合。
③ 在一位置测量光斑直径D1，调节准三维平移台的纵向螺旋测微器，使其白屏向后移动的距离为L，测量此时白屏上的光斑直径为D2。
④ 计算θO，θO=arctan[(D2-D1)/2L]。
⑤ 计算此光纤的数值孔径
Na=nOsinθO。
⑥ 重复③-⑤的步骤，取其平均值。
方法二、光点扫描法测量数值孔径
参照图8，图10。用对射式光纤位移传感器作为探测头，主机的电压表显示光强。
① 将反射式光纤位移传感器的发射光纤接入光纤数值孔径测量实验系统主机的发射端，发射/接收探头固定在二维调节架上。将对射式光纤位移传感器的一端固定在准三维移动平台上，另一端接入主机的接收端。
② 开启主机电源，调节二维调节架和对射式单芯光纤的位置，使主机的电压表显示值最大。
③ 让反射式光纤的发射/接收端与对射式光纤的端面有一定的距离（需要考虑准三维平移台的横向行程）。
④ 让对射式光纤作横向位移，扫描反射式光纤输出的光斑直径，记录一组位移值及相对应的光强（电压）值。
⑤ 作位移与光强的分布曲线图。
⑥ 取其光强最大值两边5%处的位移值△t及二光纤端面之间的距离L，即可求出θe。
θe=arctan
图10 光点扫描法测量数值孔径
⑦ 计算此光纤的有效数值孔径。
⑧ 重复测量几次，取其平均值。
