光纖光學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義(編輯修改稿)
2025-07-04 14:43 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 cn0n1n2一般用光纖端面外側(cè)介質(zhì)折射率與最大孔徑角正弦的乘積n0sini0,表征允許進(jìn)入光纖纖芯且能夠穩(wěn)定傳輸?shù)墓饩€的最大入射角范圍，稱為光纖的數(shù)值孔徑。對(duì)于階躍型光纖數(shù)值孔徑大小為：l光纖端PrrR圖5 （2）光纖數(shù)值孔徑的另一種定義是遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑。遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑是通過測(cè)量光纖遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布來確定的。它被定義為光纖遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖上光強(qiáng)下降到最大值的1/e2處的半角的正弦值，如圖5所示。當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)態(tài)分布時(shí)，測(cè)量光線最大出射的光功率分布曲線及光纖端與探測(cè)界面的距離，利用光強(qiáng)下降到最大值的1/e2處的半張角的正弦值，計(jì)算光纖的數(shù)值孔徑。n0為空氣中的折射率，n0187。1。 （3） 四、模式根據(jù)光的波導(dǎo)理論，光在光纖中的傳播，應(yīng)可用電磁波的麥克斯韋方程來描述，在特定的邊界條件下麥克斯韋方程有一些特定的解，這些解代表著一些可在光纖中長(zhǎng)期穩(wěn)定傳輸?shù)墓馐?，這些光束或解即被我們稱為模式。理論可以證明，對(duì)于波長(zhǎng)為1310nm或1550nm的光波當(dāng)纖芯小于10um時(shí)，我們所使用的光線中只有一個(gè)基模可以穩(wěn)定傳輸。它沿徑向的光強(qiáng)分布為高斯分布。這種光纖被我們稱為單模光纖。光纖中的模式除了與光纖本身的參數(shù)折射率、直徑有關(guān)外，還與光的波長(zhǎng)有關(guān)。在本實(shí)驗(yàn)中采用的是單模光纖，但此“單模”是針對(duì)13101550nm波長(zhǎng)的，而本實(shí)驗(yàn)采用的是650nm的可見激光，因此有時(shí)光纖中耦合模式將不是單模，而是一個(gè)簡(jiǎn)單的多模（如梅花狀），各模式間可能有不同的傳輸路徑和偏振態(tài)。不同的傳輸路徑將導(dǎo)致光信號(hào)的脈沖展寬（色散）。五、光纖的耦合和耦合效率光纖的耦合是指將激光從光纖端面輸入光纖，以使激光可沿光纖進(jìn)行傳輸。一般來說，將激光的不對(duì)稱發(fā)射光束與圓對(duì)稱的光纖進(jìn)行最優(yōu)耦合，需要在光纖和光源之間插入透鏡，即所謂的直接耦合。直接耦合技術(shù)上比較簡(jiǎn)單，但耦合效率比較低。實(shí)驗(yàn)采用五個(gè)自由度的調(diào)整機(jī)構(gòu)來進(jìn)行光纖的耦合。（半導(dǎo)體激光器被固定在一個(gè)二個(gè)自由度的角度調(diào)整架上，光纖固定在一個(gè)三自由度的直線調(diào)整架上）。通過五個(gè)自由度的反復(fù)、細(xì)致的調(diào)整，使經(jīng)過聚焦的激光焦點(diǎn)盡量準(zhǔn)確地、垂直地落在光纖端面上，以使盡量多的激光進(jìn)入光纖。由于激光焦點(diǎn)和光纖的端面過于明亮和細(xì)小，因此無法用肉眼來判斷耦合的情況。從光纖的另一端（輸出端）通過觀察輸出光的強(qiáng)弱（光功率）和光斑的情況來判斷耦合情況。當(dāng)將激光耦合進(jìn)光纖后，會(huì)在輸入端面后的一段光纖壁上看到一些泄漏的激光（光纖成紅色）這是一些不滿足光纖全反射條件的光，從光纖壁上泄漏出來的結(jié)果。也可在光纖的任何一段通過強(qiáng)烈彎曲光纖來觀察到這種泄漏情況。這是由于強(qiáng)烈的彎曲破壞了該處光纖的軸方向，使一部分光線的全反射條件被破壞，激光從光纖芯中泄漏出來進(jìn)入了涂覆層中。光纖的彎曲會(huì)改變光纖中光的傳輸模式、光強(qiáng)和偏振狀態(tài)?？梢酝ㄟ^觀察輸出端的光斑來觀察這些現(xiàn)象。耦合效率h反應(yīng)了進(jìn)入光纖中的光的多少。定義如下： （4）其中P1為進(jìn)入光纖中的光功率，P0為激光的輸出功率。h在理論上與光纖的幾何尺寸，數(shù)值孔徑等光纖參數(shù)有著直接的關(guān)系，在實(shí)際操作中它還與光纖端面的處理情況和調(diào)整情況有著更直接的關(guān)系。在本實(shí)驗(yàn)中采用光
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