透射式光強無極衰減實驗
 

一、實驗目的

  1．了解透射式強度調(diào)制的機理；

  2．掌握幾種透射式強度調(diào)制的方法；

  3．重點掌握透射式光強無極衰減速的方法。

二、實驗儀器

  1．SYG多功能光纖實驗儀；

2．SYG-DC透射式光強無極衰減器（圖6）。

圖6  SYG-DC透射式光強無極衰減器

三、實驗原理

透射式光強無極衰減器由發(fā)射光纖、自聚焦透鏡、接收光纖、遮光片等部分組成。

1．自聚焦透鏡

設自聚焦透鏡的折射率分布為：

式中n（r）為距軸r處的折射率；n0為軸上的折射率；A為聚焦常數(shù)。對于近軸光，光線在自聚焦透鏡中的光路為正弦曲線，對于1/4節(jié)的自聚焦透鏡，其焦距和主焦點位置由下式給出：

焦點和主點位置如圖（圖7）所示，由此可見，焦點在自聚焦透鏡端面，主點在透鏡內(nèi)部，且有。

圖7   自聚焦透鏡

2．透射式光強無極衰減的基本原理

透射式光無極衰減的基本原理是，在發(fā)射光纖與接收光纖之間加置一定形式的光，對進入接收光產(chǎn)生一定程度的遮擋，外界信號通過控制光的位移來約遮光程度，實現(xiàn)對進入接收光纖的光強的調(diào)制。光的形式很多，本實驗采用簡單的遮的光片式。透射式光強無極衰減的示意圖如圖8所示。

圖8  遮光片

接收光纖接收到的光功率可近似表示為：

式中x為位移，r為自聚焦透鏡的半徑，k為常數(shù)。

3．其他光強調(diào)制方式簡介

如圖9a所示，采用雙透鏡系統(tǒng)使入射光纖在出射光纖上聚焦成像，遮光屏在垂直于兩透鏡的光傳播方向上下移動。這種傳感器光耦合計算方法與反射式感器是一樣的。比值與可移動遮光屏及兩透鏡間半徑為r的光柱相交疊面積的百分比a：

也可以用圖10的曲線表示。用這種結(jié)構(gòu)式制作的傳感器靈敏度可達到變化范圍的百分之一。

圖9 a（上圖）帶透鏡結(jié)構(gòu)；b（下圖）不帶透鏡結(jié)構(gòu)

圖10

不同透鏡的兩光纖直接耦合系統(tǒng)，見圖9b。這種結(jié)構(gòu)雖然簡單，但也能很好地工作。只是接收光纖端面只占發(fā)射光纖發(fā)出的光錐底面的一部分，使光耦合系數(shù)減小，靈敏度也減小，靈敏度也降低一個數(shù)量級。例如，用心徑為200，數(shù)值孔徑為0.5的光纖，兩光纖間隔為1mm，系數(shù)=1/3，給出的分辨率為光纖半徑的0.1%，即0.1，而且可測位移的動態(tài)范圍小，僅為光纖芯徑200。

在簡單的遮光屏透射式光強調(diào)制基礎上，還可以改進提高測量的靈敏度。比如，對遮光屏加以改進。如圖11所示，遮光屏是由等寬度、交替地排列著的透明區(qū)和不透明區(qū)的光柵組成，其中一支為固定光柵，另一支為可移動光柵。于是，通過這一對光柵遮光屏的透射率，在此遮光屏的空間周期內(nèi)，光的透射率從50%（當兩個屏完全重疊時）變到零（當一個屏的不透明條完全覆蓋住另一個屏的透明部分）。在此周期性結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，光的輸出的強度是周期性的。而且它的分辨率在光柵條紋間距的10-6數(shù)量級以內(nèi)。這是能夠構(gòu)成很靈敏、很簡單、高可靠的位移傳感器的基礎。

圖11

圖12 透射式光強調(diào)制原理

光強度調(diào)制可以采用圖12所示的遮光式。發(fā)射光纖與接收光纖對準，光強調(diào)制信號加在移動的遮光板上，使接收光纖只能接收到發(fā)射光纖發(fā)出的部分光，從而實現(xiàn)光強調(diào)制。圖12（a）所示為動光結(jié)式光強調(diào)制模型，用來測量位移、壓力、溫度等物理量。這些物理量的變化使接收光纖的軸線相對于發(fā)射光纖錯開一段距離，光強按圖12（b）所示的曲線減弱。圖中D是纖芯直徑。由圖中曲線可知光強度調(diào)制器的線性度和靈敏度都很好。

四、實驗的內(nèi)容及操作要點

1．連接光路，即將透射式光強無極衰減器的光纖適配器分別與多功能光纖實驗儀的PIN接口及LED接口相連；

2．接通電源；

3．轉(zhuǎn)動螺旋測微器，觀察光功率值的變化，將光功率值最大的點作為位移值的零點；

4．改變螺旋測微器的值，讀取一組讀數(shù)，做出強度一位移曲線；

5．對實驗結(jié)果進行分析。