科大奥瑞物理实验——光纤传感器实验

实验名称：光纤传感器实验

1. 实验目的：

1. 掌握单模光纤切割的基本方法；
2. 理解光纤耦合的直接耦合和间接耦合的基本原理；
3. 理解M-Z光纤温度传感器的基本工作原理。

2. 实验器材：

激光器、透镜
光纤夹具
CCD及显示器
五位调整架
分光装置
激光功率计
光纤切割锯
光纤剥线钳
聚光装置

3. 实验原理

（1）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。





（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

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。
（3）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

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

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

（4）光纤干涉仪的结构与测温原理
光纤干涉仪由两臂组成，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。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。
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：



由于石英光纤的热膨胀系数极小（5.510-7/℃）,其温度灵敏度几乎完全由折射率变化（0.6810-5/℃）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

4. 实验内容与步骤

（1）光纤端面制作说明
用光纤剥线钳剥去涂敷层，光纤有三层、四层、五层之分，如果是三层光纤，先用拨线钳剥去涂敷层，将剩下的包层和纤芯嵌入光纤夹具，用宝石刀切割端面，制备出完好的光纤端面；若是四层光纤，应先剥去外保护层，其它步骤同上；若是五层光纤，应先剥去第五和第四保护层，其它步骤同上。
（2）光纤耦合效率测量
1.取一根合适长度的光纤，切好端面，将切好端面的光纤固定在五维调整架上，并使光纤大致对准激光器；
2.打开激光器；
3.将功率计对准激光器的光出口处，测量激光器的输出功率，记录光功率计读数；
4.粗调节：调节五维调整架，使激光打在光纤端面上，将光纤的另一端（PC头）旋入功率计测量端口上；
5.按下 “ ”键打开光功率计；按下“λ”键选择光波长为650nm；按“W/dBm”键选择pW为测量单位；
6.细调节：仔细调节五维调整架，使得激光与光纤的耦合达到最佳状态，当功率计示数最大时，记录光功率计读数。计算激光与光纤直接耦合的耦合效率；
7.将透镜放入五维调整架上，仔细调节五维调整架，使得激光与光纤的耦合达到最佳状态，当功率计示数最大时，记录光功率计读数。计算激光与光纤间接耦合的耦合效率；
8.实验完毕后，按光功率计“ ”键关闭光功率计；关闭激光器电源。
（3）光纤传感实验
1.打开数显调节仪总电源；打开激光器电源，打开显示器电源；
2.调节分光装置与聚光装置的支架的竖直高度与水平位置，使经过分束镜分开后的光线，再经棱镜聚合照射到CCD上时，能在显示器上观察到清晰的干涉条纹；
3.按下数显调节仪上的温度设定按钮，设置最高加热温度为45°C，弹起温度设定按钮，此时数显调节仪上显示的是将被加热的光纤实时温度；
4.打开加热开关，在显示器上选择合适的参考位置，观察条纹变化，当温度示数为31°C时，开始记录数据：条纹每移动3条，记录其对应温度，记录至少10组数据；被加热的光纤长度以仪器上显示的长度计算计算，给出升温时光纤温度灵敏度 ；
5.关闭加热电源，加热装置自然降温，在显示器上选择合适的参考位置，观察条纹变化，记录降温时的温度变化数据，给出降温时光纤温度灵敏度 ；
6.实验完毕后，关闭所有电源，整理好各仪器。

5. 实验记录

6. 数据处理及误差分析

降温过程中，将以上测量记录得到的数据利用Origin作图得：

7. 思考题及实验小结

1. 能否不用分束器做该实验？是否有替代方案是什么？
   答：可以，但是必须要满足干涉的条件，所以我们需要用两个相同的相干波源去照射光纤。
2. 温度改变1℃时，条纹的移动量与哪些因素有关？
   答：①光纤的温度敏感度；②光纤处于温度场中的长度。
3. 实验中不用CCD是否也能有办法看到干涉条纹吗？替代方案是什么？
   答：可以，我们最终目的是为了看到干涉条纹，所以可以使用透镜将干涉条纹成像到光电探测器上进行测量。
4. 标定干涉仪光纤温度灵敏度的误差主要来源是什么？
   答：实验过程中使用的光纤长度。
5. 在测温光纤传感器的测量臂感温段光纤上粘贴一金属片，其温度灵敏度会如何变化？
   答：在温度传感器上贴金属片，会影响传感器被加热（冷却）到和被测温度一致的时间，但不会影响传感器本身的灵敏度。