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张×× 1092049458@ @Hust___2013/12/17 光纤中声波的衰减 超声波属于声波，具有声波的共同物理性质，如必须通过弹性介质进行传播，传播方式为纵波，具有波的反射、入射、折射、衍射、散射和衰减等特性。 声波在均匀介质中传播时，其振幅、声强等随声源的距离的增大而减弱，这种现象称为声波的衰减。声波衰减的主要原因是由于介质对声波的吸收和介质中的粒子 (流体的悬浮粒子或固体的颗粒结构) 对声波的散射。由于声压的距离平方反比定律而降低的一般不算在衰减内。 衰减系数 (a) 是描述声波传播损失的一个物理量。它同传播的距离有关。 (1) 式中：A1、I1——分别是x1处的振幅与声强; A2、I2——分别是x2处的振幅与声强; ——衰减系数，单位常用奈培/厘米，NP/cm，1NP/cm=868.6dB/m 在长度为L的光纤中声光耦合系数的平均值： (2) 那么，在波矢匹配的条件得到满足的条件下声光模式转换效率为 (3) 单模光纤中声衰减系数的测量 测量出不同长度光纤上的声光模式转换效率并根据(2)式算出各长度下的平均声光耦合系数的大小, 再通过曲线拟合就可以得到声波的衰减系数。测量装置如图1所示。声光换能器( 压电陶瓷) 产生的声波经过铝锥放大后在铝锥锥尖处耦合进入一段去掉涂敷层的裸光纤。宽带光源( LED) 输出的光( 波长范围1420~1620nm) 进入裸光纤后与光纤中的声波发生相互作用产生模式耦合, 形成滤波特性。保持压电陶瓷上的电压和频率不变, 通过在光纤的不同位置放置声波吸收器改变实际参与作用的光纤长度, 在光谱仪上可以看到该滤波峰值高度的变化,从而测量出平均声光耦合系数随光纤长度的变化。 问题： 1．光纤声光耦合一共有几种方式？每一种方式各有什么特点？每一种耦合方式的原理是什么？ 2．如果让你自己构建一种光纤声光耦合系统，你需要哪些设备和材料？设置哪些参数？激光器的类型、波长、功率如何选择？选择怎样的光纤？压电材料如何选择？声光耦合系统怎样安装？ 3．计算分析和评价一下你设计的光纤声光耦合系统（由于条件有限，我采用数值计算来分析）。 1.光纤中模式耦合的原理 光纤中任意两个模式间的耦合系数k，可以用这两个模式的电场空间矢量重积分来描述[1]: 分别为发生耦合的两个模式的电场分布，D为耦合叠加积分面积。为由外界影响而而产生的折射率扰动。 在光纤没有扰动时，k=0. 加载声波后，光纤中折射率的分布将会受到应力的改变而发生变化，通过文献记载，目前主要有两种形式，也是声光耦合的两种形式。 光纤声光耦合的方式有两种，一种是切变声波激发超声光栅，另一种是声疏密波引起超声光栅。如下图所示。 A 切变声波激发超声光栅 B 声疏密波引起超声光栅 图3两种光纤声光耦合方式 切变声波激发超声光栅的模式耦合系数 在双模光纤中，两个模式LP01和LP11模之间的耦合机理是在光纤中传播的切变声波会引起光纤周期性的弯曲。耦合系数k可以表示为： 从图A可以看到，由于光纤受切边声波的激发产生了周期性的微弯形变。在切变声波的振动平面内存在微弯形变，而在垂直于振动平面内不存在微弯形变，即两个垂直平面内产生的扰动是不对称的，因而这种扰动的不对称性破坏了LP01和LP11模之间的正交性，产生了径向方向上的变化，即积分项中的指数项。在没有扰动时，LP01和LP11模之间的电场是正交的，其交叠积分为零，而受扰动后，交叠积分结果不为零，这就表明原本的模式LP01和LP11之间产生了耦合，发生了能量的交换。 耦合系数k简化为： 声疏密波引起超声光栅的模式耦合系数 假设声疏密波引起的折射率微扰是正弦的变化，则， 可以得到，LP01和LP11模间的耦合系数k为： 并且k=0. 综上所述，声切变波能够使双模光纤中的两个模式LP01和LP11模之间发生模式耦合，而声疏密波不能够使LP01和LP11模发声模式耦合。原因在于，声切变波破坏了LP01和LP11模的径向电场的正交性，从而使得两个模式能够发生耦合，而疏密波则不能破环这两个模式径向电场的正交性，也就无法使两个模式发生耦合了。 2.构建一个声光耦合的系统，具备的器材：a)光源，b)单模光纤或双模光纤，c)压电陶瓷片，d)信号发生器，e)电压放大器，f)光谱仪。 选材：a)光源的选择，b)光纤的选择，c)压电陶瓷片的选择，d)信号发生器的选择，e)电压放大器的选择。 仪器的使用与参数的设置：光源调节，信号发生器的调节，光波长的设置，信号频率和幅值的设置 平台的搭建：光源的安装，光纤的安装，压电陶瓷片的安装 系统的调试与运行。