透射式光强无极衰减实验
 

一、实验目的

  1．了解透射式强度调制的机理；

  2．掌握几种透射式强度调制的方法；

  3．重点掌握透射式光强无极衰减速的方法。

二、实验仪器

  1．SYG多功能光纤实验仪；

2．SYG-DC透射式光强无极衰减器（图6）。

 

 

 

 

 

 

 

 

图6  SYG-DC透射式光强无极衰减器

三、实验原理

透射式光强无极衰减器由发射光纤、自聚焦透镜、接收光纤、遮光片等部分组成。

1．自聚焦透镜

设自聚焦透镜的折射率分布为：

式中n（r）为距轴r处的折射率；n0为轴上的折射率；A为聚焦常数。对于近轴光，光线在自聚焦透镜中的光路为正弦曲线，对于1/4节的自聚焦透镜，其焦距和主焦点位置由下式给出：

焦点和主点位置如图（图7）所示，由此可见，焦点在自聚焦透镜端面，主点在透镜内部，且有。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                  

 

 

 

 

 

 

图7   自聚焦透镜

 

2．透射式光强无极衰减的基本原理

透射式光无极衰减的基本原理是，在发射光纤与接收光纤之间加置一定形式的光，对进入接收光产生一定程度的遮挡，外界信号通过控制光的位移来约遮光程度，实现对进入接收光纤的光强的调制。光的形式很多，本实验采用简单的遮的光片式。透射式光强无极衰减的示意图如图8所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图8  遮光片

 

接收光纤接收到的光功率可近似表示为：

 

 

式中x为位移，r为自聚焦透镜的半径，k为常数。

3．其他光强调制方式简介

如图9a所示，采用双透镜系统使入射光纤在出射光纤上聚焦成像，遮光屏在垂直于两透镜的光传播方向上下移动。这种传感器光耦合计算方法与反射式感器是一样的。比值与可移动遮光屏及两透镜间半径为r的光柱相交叠面积的百分比a：

也可以用图10的曲线表示。用这种结构式制作的传感器灵敏度可达到变化范围的百分之一。

 

 

              

图9 a（上图）带透镜结构；b（下图）不带透镜结构

 

               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图10

 

不同透镜的两光纤直接耦合系统，见图9b。这种结构虽然简单，但也能很好地工作。只是接收光纤端面只占发射光纤发出的光锥底面的一部分，使光耦合系数减小，灵敏度也减小，灵敏度也降低一个数量级。例如，用心径为200，数值孔径为0.5的光纤，两光纤间隔为1mm，系数=1/3，给出的分辨率为光纤半径的0.1%，即0.1，而且可测位移的动态范围小，仅为光纤芯径200。

在简单的遮光屏透射式光强调制基础上，还可以改进提高测量的灵敏度。比如，对遮光屏加以改进。如图11所示，遮光屏是由等宽度、交替地排列着的透明区和不透明区的光栅组成，其中一支为固定光栅，另一支为可移动光栅。于是，通过这一对光栅遮光屏的透射率，在此遮光屏的空间周期内，光的透射率从50%（当两个屏完全重叠时）变到零（当一个屏的不透明条完全覆盖住另一个屏的透明部分）。在此周期性结构范围内，光的输出的强度是周期性的。而且它的分辨率在光栅条纹间距的10-6数量级以内。这是能够构成很灵敏、很简单、高可靠的位移传感器的基础。

 

图11

 

 

图12 透射式光强调制原理

    

光强度调制可以采用图12所示的遮光式。发射光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上，使接收光纤只能接收到发射光纤发出的部分光，从而实现光强调制。图12（a）所示为动光结式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等物理量。这些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离，光强按图12（b）所示的曲线减弱。图中D是纤芯直径。由图中曲线可知光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。

四、实验的内容及操作要点

1．连接光路，即将透射式光强无极衰减器的光纤适配器分别与多功能光纤实验仪的PIN接口及LED接口相连；

2．接通电源；

3．转动螺旋测微器，观察光功率值的变化，将光功率值最大的点作为位移值的零点；

4．改变螺旋测微器的值，读取一组读数，做出强度一位移曲线；

5．对实验结果进行分析。