一种测定光导纤维的数值孔径和衰减系数的实验设备

摘要

本发明提供了一种测定光导纤维的数值孔径和衰减系数的实验设备，所述实验设备包括：光源、聚焦装置（2）、多个光强传感器、准直管（5）、遮光盒（8）、半反半透镜（9）、处理器（11）、角度传感器（12）、第一致动装置（16）、第二致动装置（17）。所述实验设备对相同构造、不同长度的第一待测光纤（6）和第二待测光纤（14）进行测量。所述实验设备具有两种工作模式，数值孔径模式和衰减系数模式，能够方便地在两种模式之间切换，从而测量待测光纤的数值孔径和衰减系数。

说明书

技术领域

本发明涉及参数测定领域，具体涉及一种用于光导纤维的参数测定的 实验设备。

背景技术

随着光通信技术的飞速发展，光导纤维即光纤的应用已非常普及。数 值孔径表征光纤的集光能力，衰减系数反应光纤的传输损耗。这两个参数 的准确测定对光纤质量的评定和光纤通信系统的传输距离的确定起着非常 重要的作用。大学物理实验中，由于数值孔径和衰减系数的测量方法以及 仪器的不同，通常分别使用两套仪器测量。测量装置繁多，步骤复杂，测 试时间长，仪器设备没有高效利用。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种实验设备，其可以同时完成光纤的数值 孔径和衰减系数的测量，从而简化测试过程，提高设备利用率，节省时间。

数值孔径的测量

数值孔径（NA）有两种定义方式：一是最大理论数值孔径，二是远场 强度有效数值孔径NA_eff。NA_eff定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值 5%处的半张角的正弦值。通常测定的为远场强度有效数值孔径NA_eff，因而 本发明也旨在对该有效数值孔径进行测定，可以通过测量光通过光纤后光 强的变化来有效测定数值孔径。

衰减系数β的测量

为了测量衰减系数β，一般是使同样角分布的激光束分别通过长度为 L₁和L₂的两根材料相同的光纤，分别测量经过两根光纤后的透射光强I₁和 I₂，从而得到：

I₁=I₀(1-R)²(1-A)ⁿe^-βL1       （1）

I₂=I₀(1-R)²(1-A)^n’e^-βL2     （2）

其中，入射光强为I₀，对于两根光纤采用相同的入射光强，R为端面的光 强反射率，A为全反射的损失率，n、n’分别为光在两根光纤中的全反射次 数，如果L₁和L₂相差不多，n≈n’。可选用不同长度例如80mm和60mm, 40mm和30mm，两者长度不能相差大于20mm。当相差超过20mm时， 由于全反射的损失率A不便测量，将引入较大误差。

式(1)/(2)，得到I1/I2=e-β（L1-L2）=e-β△L，△L=L1-L2为两根 光纤的长度差，两边取自然对数，得光纤的衰减系数β=(lnI₂-lnI₁)/△L。

在数值孔径的测量中，需要不断调整入射光束在光纤端面的入射角来 得到光纤远场辐射图。一般现有技术中，采用转动光纤或采用转动光源的 方式来调整入射光束在光纤端面的入射角。其通常情况下要求入射光束一 般限定为平行光束，以保证转动过程中，入射光束的所有光线的入射角是 相同的并且入射到光纤端面的光量保持不变。否则，转动过程中，无法保 证入射光量和角度，这会导致光强曲线图的基准不一致。整个测量过程需 要一根光纤，进行一次测量即可得出结果。

在现有技术中，测量衰减系数时，不需要改变入射光束中光线的入射 角，即不需要转动光纤或是光源，但需要分别对两根光纤先后进行测量。 因此，需要将入射光线汇聚到一起，照射到光纤的端面上，以保证每次的 透射光强相同。整个测量过程需要两根光纤，进行两次测量，计算可得结 果。

为了采用同一套设备测量数值孔径和衰减系数两种参数，需找到两者 的相通点。本申请的发明人发现，数值孔径和衰减系数最后都与光通过光 纤后的光强大小相关。基于此，本申请的发明人设计了本发明的实验设备。

具体而言，本发明提出一种测定光导纤维的数值孔径和衰减系数的实 验设备，所述实验设备包括：光源、聚焦装置、多个光强传感器、准直管、 遮光盒、半反半透镜、处理器、角度传感器、第一致动装置、第二致动装 置，其中，所述实验设备对相同构造、不同长度的第一待测光纤和第二待 测光纤进行测量，

所述光源用于发射激光束；

所述聚焦装置对所述激光束进行会聚，并且在所述聚焦装置的焦点附 近设置第一光强传感器；

所述第一待测光纤的第一端面接收所述激光束并在所述第一待测光纤 的第二端面处输出所述激光束，在所述第一待测光纤的第二端面处设置第 二光强传感器；

所述遮光盒设置在所述第一待测光纤的第二端面处，并且在所述遮光 盒的入光口处接收来自所述第一待测光纤的激光束；

所述半反半透镜置于所述遮光盒内，使得从所述遮光盒的入光口处接 收的激光束的部分被反射并从所述遮光盒的第一出光口离开所述遮光盒朝 向所述第二待测光纤的第一端面入射，从所述遮光盒的入光口处接收的光 束的另一部分透射并从所述遮光盒的第二出光口离开所述遮光盒；

在所述遮光盒的第二光出口处和所述第二待测光纤的第二端面处分别 设置第三光强传感器和第四光强传感器；

所述第一致动装置与所述准直管相连接，能够驱动所述准直管进入或 离开所述聚焦装置与所述第一待测光纤之间的光路中；

所述第二致动装置与所述第一待测光纤相连接，用于驱动所述第一待 测光纤相对于所述光源所发出的激光的光轴旋转；

所述角度传感器测量所述第一待测光纤相对于所述光源所发出的激光 的光轴而旋转的角度；

所述处理器接收各个光强传感器和所述角度传感器所测得的信号，并 且对所接收到的信号进行处理。

优选地，所述半反半透镜的反射和透射比率为50%：50%。

优选地，所述实验设备能够工作在两种模式下：数值孔径模式和衰减 系数模式。

优选地，在数值孔径模式下，所述第一致动装置驱动所述准直管进入 所述聚焦装置与所述第一待测光纤之间的光路中，并且所述聚焦装置将所 述光源发出的激光束聚焦在所述准直管的第一端面处，所述激光束经所述 准直管准直后从所述准直管的第二端面出射，并入射到所述第一待测光纤 的第一端面。所述第三光强传感器测量由所述半反半透镜所透射的光束的 最大光强以及随着所述第一待测光纤的旋转所透射的光束的光强下降到最 大光强的5%时，所述第一待测光纤所旋转的角度，所述处理器基于所述角 度确定所述第一待测光纤的数值孔径。

优选地，在衰减系数模式下，所述第一致动装置驱动所述准直管离开 所述聚焦装置与所述第一待测光纤之间的光路，并且所述聚焦装置将所述 光源发出的激光束聚焦在所述第一待测光纤的第一端面处。所述处理器基 于所述第一待测光纤的第一端面处的入射光强、第二端面处的出射光强、 所述第二待测光纤的第二端面处的出射光强、所述第一待测光纤和所述第 二待测光纤二者的长度差来确定所述第一待测光纤和所述第二待测光纤的 衰减系数。

本发明将激光光源、透镜、准直管组合在一起形成可选的两种入射光 束模式，解决数值孔径和衰减系数的入射光束不同的问题；通过采用半反 半透镜，解决衰减系数中需要两根光纤的问题，简化测试过程，使两种参 数测量装置更容易融合。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的实验设备在模式一状态下的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的实验设备在模式二状态下的示意图；

图3是测量衰减系数时图2中所示的两根待测光纤的局部放大视图。

具体实施方式

图1和图2分别示出了本发明的一个实施例在数值孔径模式和衰减系 数模式下的工作示意图。

如图1所示，本实施例的实验设备包括：光源（图1中仅示出了光源 所发出的光束1）、聚焦装置2、多个光强传感器4、7、10和14、准直管5、 遮光盒8、半反半透镜9、处理器11、角度传感器12、第一致动装置17、 第二致动装置16。图1中还示出了光阑3、导线15。本领域技术人员应该 理解，在聚焦装置2的聚焦效果足够好的情况下，光阑3是可以省略的。

由于本发明中的实验设备要兼顾对光纤数值孔径和衰减系数二者的测 定，因此，测量时，要采用两根待测光纤（第一待测光纤6和第二待测光 纤14），两根待测光纤的构造相同，即，属于同种光纤，只是二者的长度存 在一定差异。

光源优选采用激光器，用于发射激光束。

聚焦装置2为凸透镜，优选为可变聚焦凸透镜或者为可沿激光光轴移 动的可移动透镜。聚焦装置2用于对所述激光束进行会聚/聚焦，在所述聚 焦装置2的焦点附近设置一个光强传感器。这里所说的“附近”是指在激 光束的聚焦范围内但不会影响实验测量效果的位置。本发明中所采用的光 强传感器的对光强的影响足够小，以至于衰减系数和数值孔径的计算过程 中，可以认为光强传感器的影响可以忽略不计。优选地，本发明采用透射 型光强传感器。

优选地，经聚焦装置聚焦后激光束的焦斑等于光纤端面的内径，从而 使得基于光强传感器的测量值，能够容易地得到进入光纤的光量。

第一待测光纤6的第一端面接收来自聚焦装置或准直管的激光束，在 所述第一待测光纤6的第二端面处设置第二光强传感器7，对该处的激光光 强进行测量。

遮光盒8设置在第一待测光纤6的第二端面处，并且遮光盒8的入光 口对准第一待测光纤6的第二端面，用于接收来自第一待测光纤6的激光 束。

半反半透镜9置于遮光盒8内，对从遮光盒8的入光口处接收的光束 进行部分反射、部分透射。具体而言，进入遮光盒8的光束的部分被反射 并从遮光盒8的第一出光口离开所述遮光盒，进而朝向第二待测光纤14的 第一端面入射；从遮光盒8的入光口处接收的光束的另一部分透射通过半 反半透镜9并从遮光盒8的第二出光口离开遮光盒8。

在第二待测光纤14的第二端面处和遮光盒8的第二光出口处各设置一 个光强传感器，在本实施例中，为第三光强传感器10和第四光强传感器13。 第一致动装置17通过支撑杆与准直管5相连接，能够驱动准直管5进入或 离开聚焦装置2与第一待测光纤6之间的光路中。

第二致动装置16通过支撑杆与所述第一待测光纤相连接，用于驱动所 述第一待测光纤6相对于光源所发出的激光的光轴旋转。这里所说的相对 于激光光轴旋转指的是随着第一待测光纤的旋转，第一待测光纤的中心轴 与该光轴的夹角变化。角度传感器12附着至所述第二致动装置16或与该 致动装置连接的支撑杆或第一待测光纤，用于测量所述第一待测光纤相对 于所述光源所发出的激光的光轴旋转的角度。所述处理器接收多个光强传 感器和角度传感器12所测得的信号，并获得相应的数值孔径和/或衰减系 数。

本实施例的实验设备能够工作在两种模式下：数值孔径模式和衰减系 数模式，下面将分别就这两种模式进行说明。

模式一：数值孔径模式

下面结合图1对在数值孔径模式下本实施例的实验设备的工作方式进 行详细介绍。

在数值孔径模式下，准直管5在聚焦装置2与第一待测光纤6之间的 光路中，优选地，三者的中心轴线共线。该模式可以为本实验设备的初始 模式。或者，为了进入该模式，第一致动装置17驱动准直管5进入聚焦装 置2与第一待测光纤6之间的光路中。准直管5的作用就是使聚焦装置出 射的光变成平行光束，保证所有或至少大部分进入到第一待测光纤的入射 光线的入射角是一致的。

如图1所示，在此模式下，激光器产生的激光束1通过聚焦装置2会 聚到光阑3，光阑3的出口处装有第一光强传感器4，激光照射进入准直管 5的第一端面，然后从准直管5的第二端面出射。如上所述，在聚焦装置2 的聚焦效果足够好的情况下，光阑3是可以省略的。在这种情况下，激光 直接聚焦到准直管5的入光口处。

激光束经准直管5准直后从准直管5的第二端面出射，并入射到第一 待测光纤6的第一端面。在准直管5与第一待测光纤6之间可以进行无泄 漏耦合，从而保证进入到待测光纤6中的光量与进入准直管中的光量相等。

可选地，第一光强传感器4可以设置在第一待测光纤6的第一端面处， 即入光口处。本领域技术人员可以根据需要自行调整。第一光强传感器4 用于对即将进入第一待测光纤6的光强进行测量。

第一待测光纤6的支撑杆下部装有第二致动装置16。第一待测光纤6 或其支撑杆上附着有角度传感器12。

激光光束通过第一待测光纤6后，进入到遮光盒8中，遮光盒8中有 半反半透镜9，光束经过半反半透镜一部分9被反射，并从遮光盒8的第一 出光口（下侧出口）出射，进入到第二光纤14的第一端面（入光口），另 一部分透射通过半反半透镜9，从遮光盒8的第二出光口出射。在遮光盒8 的第二出光口（右侧出口）处设置有第三光强传感器10。第二光纤14的第 二端面（出光口）设置有第四光强传感器13。所有传感器通过导线与处理 器11相连，可以进行信号通信。

在模式一下，光强传感器13在处理器11的控制下不工作。处理器11 控制致动装置16使第一待测光纤6发生水平转动，角度传感器12将水平 转动的角度值实时发送到处理器11，光强传感器10将透射通过半反半透镜 9后的光束的光强值实时发送到处理器11，处理器11得到角度与光强的对 应关系或曲线图，并基于此确定光强下降到最大值5%处的半张角的正弦 值。由数值孔径的定义，即光强下降到最大值5%处的半张角的正弦值，可 得到数值孔径大小。

具体而言，第一待测光纤6在处理器11控制下发生转动，从准直管5 发出的平行光束照在光纤端面的入射角不断发生变化。这样经过半反半透 镜9后，从第一待测光纤光强的大小也会实时发生变化，光强传感器10和 角度传感器12分别将测得的光强和角度值实时传送到处理器11，处理器得 到一个光强与入射角的曲线。在本实施例中，需要确定：（1）第一待测光 纤6沿光束的光轴放置时，光强传感器10处所测得的光强，该光强为最大 光强；（2）光强传感器10处测得的激光的光强等于最大光强5%时，第一 待测光纤相对于激光光轴的角度。

初始时刻，光束通过准直管垂直进入待测光纤，入射角为零度，光强 传感器10处测得的光强最大。接着待测光纤顺时针旋转，入射角不断增大， 光强传感器10处测得的光强不断减小直到等于最大光强5%时，所对应的 旋转角度即是用于确定数值孔径的角度。

然后，处理器基于该角度确定第一待测光纤的数值孔径NA_eff。

模式二：衰减系数模式

本实施例中的实验设备的模式二用来测量衰减系数。

如图2所示，当处在模式二的状态时，处理器11控制致动装置17，驱 动准直管5向下移动，离开激光束的光路，即，使其与聚焦装置2和第一 待测光纤6不在同一轴线上。当准直管5离开聚焦装置与第一待测光纤之 间的光路后，致动装置17和角度传感器12在处理器11控制下不工作。

激光器发出的激光经聚焦装置2聚焦后直接照射在第一待测光纤6的 第一端面处，或者经光阑3对孔径进行调整后照射在第一待测光纤6的第 一端面处。激光光束在第一待测光纤6中传播后从其第二端面出射。从第 一待测光纤6出射的激光束还是进入遮光盒8。在遮光盒8中，通过半反半 透镜9对进入遮光盒8的光束进行分光。部分激光被反射朝向第二待测光 纤14的第一端面（入光口），另一部分激光被半反半透镜9透射，从遮光 盒8的一个出光口离开，并照射在光强传感器10上。进入第二待测光纤14 的光束从其第二端面出射，并照射在第四光强传感器13上。各个光强传感 器将各自所测得的光强传输到处理器中。

图3为图2中第一待测光纤6、遮光盒8、半反半透镜9和第二待测光 纤14的局部放大视图，用于说明测量衰减系数时，光强的变化。由于半反 半透镜9所能透过的光强的比例是已知的，例如，本实施例中所选择的是 透射和反射各为50%的半反半透镜。所以，在本实施例中，基于光强传感 器7处所测得的光强，可以知道进入到第二待测光纤14中的光束的光强。

如图3所示，L₁和L₂分别代表两根材料相同、长度不同的光纤的长度， 即第一待测光纤6和第二待测光纤14的长度。假设，入射光强为I₀的光束 经过第一待测光纤6后，光强变为I₁，再经过50%:50%的半反半透镜9后， 进入到第二待测光纤14的光强变为0.5I₁，接着光束从第二待测光纤14的 另一端出来后光强变为I₂。参照上述的公式（1）和（2），即

I₁=I₀(1-R)²(1-A)ⁿe^-βL1

I₂=0.5I₁(1-R)²(1-A)^n’e^-βL2

通过将公式(1)/(2)，得到：I₁/I₂=2I₀/I₁e^{-β（L1-L2）}=2I₀/I₁e^-β△L，

△L=L₁-L₂为两根光纤的长度差，

公式变形得到：I₁²/2I₀I₂=e^-β△L

两边取自然对数，求得光纤的衰减系数β=(ln（I₁²/2I₀I₂)）/△L。

光强传感器4、7、13分别测出光强I₀、I₁、I₂，代入上式计算即可得出 第一待测光纤和第二待测光纤的衰减系数，二者的衰减系数相同。

本发明的实验设备通过采用半反半透镜进行分光，采用准直管进行光 束调节，能够方便地在两种模式之间切换，从而测量待测光纤的数值孔径 和衰减系数，设备精巧，使用方便。

需要说明的是，附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其 真实形状存在一定差异，附图1-3仅用于对本发明的原理进行说明，并非意 在对本发明进行限制。

本领域技术人员将理解本发明可以以本文中所述的那些以外的、没有 偏离本发明的精神和本质特性的特定形式来执行。因此，所有方面的上述 实施方式应当被解释为例示的而不是限制性的。本发明的范围应当由所附 权利要求书和它们的法律等同物来确定，而不是由上述描述来确定，并且 所有落入所附权利要求书的含义和等同范围之内的改变都将包括进来。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，在所附权利要求书中没有显 示地互相引用的权利要求可以组合起来，作为本发明的示例性实施方式， 或者被包括而在提交本申请之后通过之后的修改而成为新权利要求。

本发明的方式

以用于执行本发明的最佳方式已经描述了各种实施方式。

工业应用性

如根据上述描述所显而易见的，对于本领域技术人员来说显而易见的 是，可以对本发明做出各种修改和变型，而不偏离本发明的精神或范围。 因此，旨在本发明覆盖落入所附权利要求书和它们的等同物的范围之内的 修改例和变型。