《光电子技术实验》指导书
《光电子技术实验》指导书
北京航空航天大学
仪器科学与光电工程学院
2010年12月
实验规则及注意事项
由于本实验课所用设备属于高技术实验系统，许多组件价格昂贵，易于损坏，所以实验者在做实验前应该充分复习实验大纲上的内容，实验者在做实验时应注意以下几点事项：
1．操作光纤时应注意不能用力拉扯光纤，不能随意弯曲光纤。实验时不要用手碰动与实验无关的光纤部分。
2．实验调节电流时注意不要使工作电流超过限额。电流过大有可能损坏光源和光探测器以及其它有源器件。
3．不能直视光纤、激光器出射的光束！
4．调节光学微调架时要小心、轻力，严禁强力搬拧光学微调架。
目录
实验1：光源与光纤耦合调整及光纤损耗特性测量实验 (4)
实验2：光纤温度传感系统特性实验 (8)
实验一.光源与光纤耦合调整及光纤损耗特性测量实验
一．实验目的
（1）了解提高光源与光纤耦合效率的原理及方法。重点掌握光路调整及光纤处理的基本方法。
（2） 了解光纤损耗的定义，掌握光纤衰减的测试方法。
二． 实验原理
1． 光源与光纤耦合调整实验原理
（1） 直接耦合：这种方法将光纤的端面直接靠近光源的发光面，为了保证耦合
的效率，光纤的端面必须经过特殊处理，而且光纤端面与光源发光面的距离要尽可能的近。光源的发光面不应该大于纤芯的横截面面积，这是为了避免较大的耦合损耗。通常带尾纤的光源都使用这种耦合方式。这种耦合方法对光源耦合封装工艺技术要求较高。
（2） 使用透镜耦合：具体方法描述如下——将光源发出的光通过透镜聚焦到光
纤的纤芯上，可以使光源与光纤的耦合效率提高。具体原理见图1。
五维调节架五维调节架
图1.透镜耦合
（3） 利用五维调节架对光纤入端及出端进行位置调整，使输出功率达到最大。
（4） 耦合效率的计算（适合所有的耦合方法）：
2
1P P ≡η
其中P 1为输出功率，P 2为输入功率。
2．
光纤损耗特性测量实验 光纤衰减是光纤中光功率减少量的一种度量，它取决于光纤的工作波长类型和长度，并受测量条件的影响。
在波长λ处，一段光纤上相距距离为L 的两个横截面1和2之间的衰减A(λ)定义为：
()()
)()(log 1021dB P P A λλλ= 式中，P 1（λ）：在波长λ时，通过横截面1的光功率；P 2（λ）：在波长λ时，通过横截面1的光功率。
通常，对于均匀光纤来说，可用单位长度的衰减，即衰减系数反映光纤的衰减性能的好坏。衰减系数可定义为：
()()L A λλα=（dB/km ）
式中，L 为光纤的长度（km ）。衰减系数随波长的变化曲线称为衰减谱，其能直观且形象地反映出在一定波长范围内整个光纤长度的衰减信息。
三． 实验装置
光源、透镜、五维调节架、待测光纤、光功率计
四． 实验方法及步骤
1. 光源与光纤耦合调整实验方法及步骤
（1） 按照图1准备所需要的光学器件。将光纤端面进行处理，插入调节架并与
光功率计的传感头对准，小心不要碰光纤出射头的端面。
（2） 给设备加电。
（3） 确定光束通过物镜后的焦平面位置，调节五维调节架，使得光功率计上的
读数最大，记录下该值为P 1。
（4） 保持光源条件不变，将光功率计探头直接放到光源出射功率处，调节探头，
记录下功率计显示的最大值P 2。
（5） 计算耦合效率。
（6）重复三次测量，求取耦合效率平均值。
2.光纤损耗特性测量实验方法及步骤
截断法是测量光纤衰减特性的基准实验方法。在不改变光注入条件下，分别测出通过光纤两个点的光功率P1（λ）和P2（λ），再按照定义计算出光纤的衰减系数。这种方法的优点是测量精度高，缺点是在某些情况下是破坏性的。
按照定义向老师演示光纤损耗特性测量过程，并回答老师的相关问题。五．学生要求
（1）掌握光路调整及光纤处理的基本方法。
（2）掌握光纤损耗测试方法。
（3）完成实验报告。
实验二.光纤温度传感实验
一．实验目的
（1）了解利用干涉技术实现光纤传感的方法
（2）了解光纤温度传感工作原理
二．实验原理
光纤传感器的工作原理如下：在外界物理量、化学量、生物量、生物医学量或者其它类似因素的影响下，光纤中的光波导的特性会发生变化。光纤温度传感器是通过外界温度的变化使待测光纤的传输特性发生改变而敏感温度的变化。
光纤传感中主要的技术是相位调制技术，其具体工作原理如下：外界因素使在光纤中传播的光波发生相位变化，再通过干涉测量技术将相位变化转换为振幅变化，实现对物理量的检测。
目前的光探测器只能探测光的强度信号，而不能直接探测光的相位信号，因
此要采取一定的方式将光相位转换成相应的光强信号，这种转换方式就是干涉法，按照干涉法构成的光学系统称为干涉仪，其输出为干涉条纹。由于光的干涉条纹记录了光的相位，当相位变化时干涉条纹即随之变化，因此根据探测系统探测的干涉条纹的变化情况即可解调出光相位的变化。目前用于光相位解调的干涉方法很多，主要有双光束干涉法、三光束干涉法、环形干涉法等。本实验通过对相位的改变来实现对温度的测量。测量原理图如图一所示。
图一干涉仪传感测量原理
参考臂光纤放置于恒温箱中，测温过程中光程不变，当信号臂光纤受到温度场的作用时，它的光程发生变化，通过参考臂光纤的光程和通过信号臂光纤的光程之间有了光程差，通过参考臂光纤和信号臂光纤的信号汇合，出纤干涉条纹。 光波通过长度为L 的光纤后，出射光波的相位延迟为：
nl k l 00
2==λπφ
式中，λ0：光在真空中的波长，n ：光纤纤芯的折射率，k 0：光在真空中的传播常数。两个不同光程之间的相位延迟为：
()l n n l k ?+?=?0φ
如果与温度变化联系起来，可得单位长度上相位的变化为：
)(0t
l l n t n k t l ??+??=??φ 从上式可以看出，相位变化主要取决于折射率随温度的变化。干涉条纹移动的数量反映出温度的变化。
本实验使学生了解光纤传感器的基本原理以及相位调制的基本方法，通过本实验的操作，掌握光学系统的基本操作与调试。
三．实验器材
He-Ne 激光器、平面反射镜、物镜、五维支架、分束器、CCD 摄像头、监视器、一字螺丝刀、视频线、控制箱
四．实验步骤
（1）取下控制箱侧面的输入输出光纤，并处理光纤端面；
（2）按原理图连接好装置；
（3）调节五维支架，调出较清晰的干涉条纹； （4）打开温度控制开关，预热后升温，温度每变化一度记录一次条纹变化数量。共测量8~10组数据。
五．学生要求
（1）独立调出干涉条纹； （2）根据实验数据描绘出光纤温度传感器温度变化与条纹的关系曲线；
（3）完成实验报告；
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