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光纤传感实验

光纤特性的研究和应用是20世纪70年代末发展起来的一个新的领域。光

纤传感器件具有体积小、重量轻、抗电磁干扰强、防腐性好、灵敏度高等优

点；用于测量、应变、微小折射率变化、微振动、微位移等诸多领域。特

别是光纤通信已经成为现代通信网的主要支柱。光纤通信的发展极为迅速，新

的理论和技术不断产生和发展。因此，在大学实验课程中开设“光纤特性

研究实验”已经成为培养现代高科技人才的必然趋势。传感器是的三

大技术之一。随着进入新时期，传感技术也进入了新阶段。“没有传

感器技术就没有现代”的观点已被全世界所公认，因此，传感技术受

到各国的重视，特别是倍受发达国家的重视，我国也将传感技术纳入国家重点

发展项目。

光纤特性研究和应用是一门综合性的学科，理论性较强，知识面较广，可

验教学进行了初步探索，在此基础上，该实验还可以进行一些设计性及研究性

实验。

一、实验目的

1.了解光纤与光源耦合方法的原理；

2.理解M—Z的原理和用途；了解传感器原理；

3.实测光纤温度传感器实验数据。

二、实验仪器

激光器及电源，光纤切割刀，光纤剥线钳，激光功率计，五位调整架，显

微镜，光纤传感实验仪，CCD及显示器，等等

三、实验原理

(1)光纤的基础知识

光纤的基本结构如图1，它主要包括三层（工程上

有时有四层或五层，图中是四层结构）：1.纤芯；2.包

层；3.起保护作用的涂敷层；4.较厚的保护层。纤芯和包层的折射率分别是n1

和n2，如图2，为了使光线在光纤中图1.光纤剖面图

，纤芯的折射率（n1）必须比包层(n2)的折射率大，这样才会产生全

反射。光线1以θ角入射在光纤端面上，光线经折射后进入光纤，以角入射

ϕ

θ

到纤芯和包层间的光滑界面上。只要我们选择适当的入射角，总可以使角

ϕ

大于临界角ϕ，ϕ的大小由ϕ=arcsin(n/n)决定，使光线1在界面上

mmm21

发生全反射。全反射光线1又以同样的角度在对面界面上发生第二次反射。

ϕ

如果光纤是均匀的圆柱体，入射光线经无数次反射后从另一端以和入射角相同

的角度射出。（思考：该原理是否可以帮助测量数值孔径）

图2圆柱形光纤传光原理

在光纤断面上，当光线入射角小于一个定值θ时，折射光线在纤芯和包层

a

界面上的入射角才会大于临界角ϕ，光线才能在光纤内多次全反射而传递到

ϕm

另一端。在光纤端面上，入射角θθ的那些光线，折射后在界面上的入射角