强度法测量光纤数值孔径

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光纤的数值孔径

光纤的数值孔径光纤是一种用于传输光信号的光学器件，随着科技的发展，光纤应用领域越来越广泛，如通信、医疗、工业等。

在光纤的设计和制造过程中，数值孔径是一个非常重要的参数，它决定了光纤的传输性能和应用范围。

本文将详细介绍光纤的数值孔径及其影响因素。

一、数值孔径的概念数值孔径（Numerical Aperture，简称NA）是光纤传输性能的一个重要参数，它是指光纤芯内光线传输的能力。

数值孔径越大，光线的能量损失越小，传输距离越远，传输速度越快。

数值孔径的计算公式为：NA=sinθ其中，θ是入射角，NA的单位为无量纲。

二、数值孔径的影响因素1. 光纤芯径光纤芯径是指光纤芯的直径，它是影响数值孔径的重要因素之一。

一般来说，光纤芯径越小，数值孔径越大，传输性能越好。

但是，光纤芯径过小会导致光能量损失增加，传输距离减小，因此需要根据具体应用场景选择合适的光纤芯径。

2. 折射率差折射率差是指光纤芯和包层之间的折射率差，它是影响数值孔径的另一个重要因素。

折射率差越大，数值孔径越大，传输性能越好。

在实际制造过程中，可以通过改变包层材料的折射率来控制折射率差，从而实现对数值孔径的调节。

3. 包层直径包层直径是指光纤芯和包层之间的距离，它也是影响数值孔径的因素之一。

包层直径越大，数值孔径越小，传输性能越差。

因此，在设计和制造过程中需要合理控制包层直径，以达到最佳的传输性能。

三、数值孔径的应用数值孔径是光纤传输性能的重要参数之一，它对光纤的应用范围和传输距离有着重要的影响。

在实际应用中，根据不同的需求可以选择不同数值孔径的光纤。

一般来说，数值孔径较小的光纤适用于长距离传输和高速传输，而数值孔径较大的光纤适用于短距离传输和低速传输。

在通信领域，数值孔径较小的单模光纤适用于长距离传输，而数值孔径较大的多模光纤适用于短距离传输。

在医疗领域，数值孔径较大的光纤适用于内窥镜等医疗器械中的光源传输。

在工业领域，数值孔径较小的光纤适用于激光加工等高精度工业应用。

单模光纤数值孔径的测量

通常设光纤纤芯的折射率为n1,包层的折射率为 n2,纤芯和包层的相对折射率差(n1-n2)/n1,一般单模光纤为0.3%~0.6%，多模光纤为1%~2%。
光纤的分类：
（1）单模光纤单模光纤纤芯折射率n1保持不变,包层折射率为n2，
纤芯与包层界面有一个折射率突变或阶跃。纤芯直径只有 8~10um,包层直径为125um，写成8/125,9/125等形式。光线以直线形状沿着纤芯中心轴线方向传播，这种光纤只能传输一个模式。
g 1.0 1.5 2.0 2.5 10 ∞ kg 0.88 0.94 0.97 0.98 1 1
1658
g是描述光纤折射率分布曲线参数，对于实际光纤的折射率分布线可以用半径的幂指数来描述：
其中，r是离光纤纤芯轴的距离，a是光纤纤芯半径，g是幂指数。对于g=1，属于三角分布， g=2属于抛物线型分布（梯度分布），表示的是阶跃光纤。
但是NA太大时，光纤的模畸变加大，会影响光纤的带宽。因此，在光纤通信系统中，对光纤的数值孔径有一定的要求。通常为了最有效地把光射入到光纤中去，应采用其数值孔径与光纤数值孔
径相同的透镜进行集光。
光纤的数值孔径：
（1）最大理论数值孔径NAmax 无论是阶跃光纤，还是梯度光纤，最大理论数值孔径定义都是：
不能再达到最大值的5%，所以： NAeff=sin 8°=0.1329
根据NAeff=0.975NAmax可以得到 NAmax=NAeff/0.975 =0.1363
历史ⅱ岳麓版第13课交通与通讯的变化资料
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[自读教材·填要点]
一、铁路，更多的铁路 1．地位铁路是交通建运设输的重点，便于国计民生，成为国民经济发展的动脉。 2．出现 1881年，中国自建的第一条铁路——唐山至开胥平各庄铁路建成通车。 1888年，宫廷专用铁路落成。

光纤数值孔径测量实验实验原理

光纤数值孔径测量实验实验原理光纤数值孔径测量实验原理光纤是一种用于传输光信号的细长光导纤维，其内部的光信号传输是基于全反射的原理。

光纤的数值孔径是一个重要的参数，它决定了光纤的传输能力和效果。

因此，准确测量光纤的数值孔径对于光纤的设计和应用至关重要。

光纤数值孔径的测量可以采用多种方法，其中常用的方法是通过测量光纤的入射和出射光强的分布来计算数值孔径。

这种方法基于光纤中的高斯光束传输特性，通过测量光纤的光强分布来推导出数值孔径。

实验中，我们可以使用一台光学显微镜和一台光功率计来进行测量。

首先，将一段光纤放置在显微镜下，调节显微镜使其能够清晰观察到光纤端面的图像。

然后，将光功率计放置在光纤的另一端，测量出光纤出射光的功率。

在实验中，我们可以将光纤分为两个区域进行观察和测量。

首先，我们观察光纤的接近端，即距离光纤端面较近的区域。

在这个区域，光纤的数值孔径决定了光纤的采集能力。

通过观察接近端的光强分布，可以得到数值孔径的相关信息。

然后，我们观察光纤的远离端，即距离光纤端面较远的区域。

在这个区域，光纤的数值孔径决定了光纤的耦合能力。

通过观察远离端的光强分布，同样可以得到数值孔径的相关信息。

通过观察和测量光纤不同区域的光强分布，我们可以计算出光纤的数值孔径。

数值孔径的计算通常基于高斯光束的传输特性和光纤的折射率。

计算结果可以为光纤的设计和应用提供重要参考。

除了光强分布的测量，还可以使用其他方法来测量光纤的数值孔径。

例如，可以使用干涉仪测量光纤的模场直径，然后利用数值孔径和模式的关系来计算数值孔径。

此外，还可以使用自适应光学方法来测量数值孔径，通过调整光纤的入射光束形状，观察输出光束的变化来推导数值孔径。

光纤数值孔径测量是一项重要的实验，可以帮助我们了解光纤的传输特性和性能。

通过观察光强分布和采用其他测量方法，我们可以准确计算出光纤的数值孔径，为光纤的设计和应用提供准确的参考。

这对于光纤通信、光纤传感等领域的研究和应用具有重要意义。

光纤基础实验教学指导

光纤基础实验教学指导光导纤维（optical fiber），简称光纤，是一种可传导光波的玻璃纤维。

光纤在20世纪50年代首先应用于图像传输，主要在医学上用于观察人体内部。

当时用的光纤传输损耗很大，即使最透明的优质光学玻璃，损耗也达到1000dB/km。

在理论的指导下，人们不断改进光纤制造工艺，光纤的损耗已经达到2dB/km。

从而使长距离多路通信传输成为可能。

随着光纤研究的深入，人们发现某些光纤易受温度、压力、电场、和磁场等环境因素的影响，导致光强、相位、频率、偏振态和波长的变化。

光纤无需其他中介就能把待测量和光纤内的传导光联系起来，能够很容易的制成以光纤为传感媒质的传感器。

从而诞生了一门全新的光纤传感技术。

它的基本工作原理是：将稳定光源发出的光送入光纤并传输到测量现场，在测量现场的被测量对光的特性，如光的振幅、偏振态、相位、频率等进行调制，然后由同一根光纤或另一根光纤返回到光探测器，根据光特性的变化测出被测信号。

或者把光信号转化为电信号后进行测量。

光纤传感器以其高灵敏度，抗电磁干扰，可绕曲，结构简单，体积小，易于微机连接，便于遥测等优点，获得广泛应用。

本实验将学习光纤的光学特性数值孔径的测试方法、光纤的切割、耦合的理论知识和实验方法，光纤Mach－Zehnder干涉仪的原理，对温度和应变传感的测量。

一、教学目的1、掌握光纤端面制备方法和光纤端面耦合方法。

2、数值孔径的概念和测量方法。

二、教学要求1、实验三小时完成。

2、学习训练光纤端面制备技术。

3、学习掌握光纤与光源耦合技术。

4、定性观察M－Z双光纤干涉实验。

三、教学重点和难点1、重点：数值孔径的测量。

2、难点：光纤端面制备技巧。

四、讲授内容（约20分钟）1．光纤结构图1是光纤结构示意图。

它呈同心圆柱状，在折射率为n1的圆柱形纤芯外面是折射率为n2（n1>n2）的同心圆柱包层。

纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封闭在纤芯中传播。

光纤是玻璃细丝，性脆，易折断，为此在包层的外面又加上涂敷层，它一般由硅桐树脂或丙烯盐酸材料制成，可增加光纤的韧性和机械强度，防止光纤受外界损伤。

数值孔径

[编辑本段]数值孔径镜口率数值孔径又叫做镜口率，简写为N.A。

它是由物体与物镜间媒质的折射率n与物镜孔径角的一半（a\2）的正弦值的乘积，其大小由下式决定：N.A=n*sin a/2 数值孔径简写NA(蔡司公司的数值孔径简写CF)，数值孔径是物镜和聚光镜的主要技术参数，是判断两者（尤其对物镜而言）性能高低(即消位置色差的能力,蔡司公司的数值孔是代表消位置色差和倍率色差的能力),的重要标志。

其数值的大小，分别标科在物镜和聚光镜的外壳上。

物镜前透镜数值孔径（NA）是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率（η）和孔径角（u）半数的正玄之乘积。

用公式表示如下：NA=ηsinu/2 孔径角又称“镜口角”，是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。

孔径角越大，进入物镜的光通亮就越大，它与物镜的有效直径成正比，与焦点的距离成反比。

[编辑本段]达到了极限折射增大介质率显微镜观察时，若想增大NA值，孔径角是无法增大的，唯一的办法是的折射增大介质率η值。

基于这一原理，就产生了水浸系物镜和油浸物镜，因介质的折射率η值大于一，NA值就能大于一。

数值孔径最大值为1.4，这个数值在理论上和技术上都达到了极限。

目前，有用折射率高的溴萘作介质，溴萘的折射率为1.66,所以NA值可大于1.4。

发挥物镜数值孔径的作用这里必须指出，为了充分发挥物镜数值孔径的作用，在观察时，聚光镜的NA值应等于或略大于物镜的NA值，数值孔径与其它技术参数有着密切的关系，它几乎决定和影响着其它各项技术参数。

它与分辨率成正比，与放大率成正比，焦深与数值孔径的平方成反比，NA值增大，视场宽度与工作距离都会相应地变小。

光纤数值孔径数值孔径NA入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。

这个角度就称为光纤的数值孔径。

不同厂家生产的光纤的数值孔径不同。

在光学中，数值孔径是表示光学透镜性能的参数之一。

用放大镜把太阳光汇聚起来，能点燃纸张就是一个典型例子。

光纤数值孔径

4．按复位键复位点击，关机。
5．利用三波长光源，重复1~4步，测量 1550nm的光纤数值孔径。
【数据处理】
从图中可知，最大角度为90 则，有效数值孔径NAeff =sin 90 ≈0.156 一般情况下，梯度光纤接近抛物线分布
NA 0.975NAmax
则，NAmax =NAeff/0.975=0.16
NAmanx1 n2n12 n22 n1 2
n1 NA的定义常见的有两种，简单的定义如下：（1）最大理论数值孔径NAmax：
NAmax n12 n22 n1 2
其中n1、n2分别是光纤纤芯中心处最大折射
率和包层折射率；
n1
n2 n1
为纤芯—包层最大相
对折射率差。NAmax的物理意义是光纤最大可
ห้องสมุดไป่ตู้
【思考题】（1）光纤的数不胜数值孔径的的物理意义是什么？
（2）实验中的测量方法是否和数值孔径的定义相冲突，为什么这么做？
（3）还有哪些方法可以用来测量数值孔径？
【实验感想】
通过学习，我接受了基本的实验技能训练，学会了一些基本的测量的方法，熟悉了常规仪器的基本原理、性能和用法，学会了正确记录实验数据和处理实验数据，分析实验结果，以及书写实验报告。
在实验中，要积极动手去做，积极动脑去想才能更好地了解实验、掌握实验，还要善于提出问题并自己多琢磨，从而培养自己的探索创新精神。
谢谢！
【实验目的】（1）熟悉光纤的结构特点及分类（2）掌握光纤数值孔径的定义和测量方法
【实验原理】光纤数值孔径（NA）是光纤能接收光
辐射角度范围的参数，同时它也是表征光纤和光源、光检测器及其它光纤耦合时的耦合效率的重要参数，同时对连接损耗、微弯损耗以及衰减温度特性、传输带宽等都有影响

实验1-1光纤数值孔径（NA）性质和测量实验

实验1-1 光纤数值孔径（NA ）性质和测量实验一、实验目的1、熟悉光纤数值孔径的定义和物理意义2、掌握测量光纤数值孔径的基本方法二、实验原理和设备光纤数值孔径（NA ）是光纤能接收光辐射角度范围的参数，同时它也是表征光纤和光源、光检测器及其它光纤耦合时的耦合效率的重要参数。

图一示出了阶梯多模光纤可接收的光锥范围。

因此光纤数值孔径就代表光纤能传输光能的大小，光纤的NA 大，传输能量本领大。

NA 的定义式是0sin NA n θ==式中0n 为光纤周围介质的折射率，θ为最大接受角。

1n 和2n 分别为光纤纤芯和包层的折射率。

光纤在均匀光场下，其远场功率角分布与理论数值孔径m NA 有如下关系：NA m Sin *=καθ其中θ是远场辐射角，Ka 是比例因子，由下式给出：[])0(/)(2/1P P g θκα-=式中P （0）与P （θ）分别为θ=0和θ=θ处远场辐射功率，g 为光纤折射率分布参数。

计算结果表明，若取P （θ）/P （0）=5%，在g ≥2时Ka 的值大于0.975。

因此可将对应于P （θ）曲线上光功率下降到中心值5%处的角度θe ，其正弦值定义为光纤的数值孔径，并称之为有效数值孔径： e eff NA θsin =本实验正是根据上述原理和光路可逆原理来进行的。

三、实验装置He-Ne 激光器、读数旋转台、塑料光纤、光纤微调架、毫米尺、白屏、短波长光功率计四、实验步骤方法一： 1、He-Ne激光器和光功率计的电源，调整实验系统；a．调整He-Ne激光管，使激光束平行于实验平台面；b．调整旋转台，使He-Ne激光束通过旋转轴线(读数旋转台轴线与光纤所在面交点已在旋转台上标出)；c．取待测光纤，一端经旋转台上的光纤微调架与激光束耦合，另一端与光探测器相连；d．仔细调节光纤微调架，使光纤端面准确位于旋转台的旋转轴心线上．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，并辅助调节旋转台使光纤的输出功率最大。

光纤数值孔径测量实验

1实验一光纤数值孔径（N A）测量实验一、实验目的：1. 了解光纤导光的原理；2. 掌握测量石英光纤的数值孔径原理与方法；3. 掌握光电探测的基本原理及光功率计设计原理；4.掌握用CCD、matlab测量高斯光斑大小的方法及原理。

二、实验装置激光器及电源，导轨，读数旋转台，光纤，光纤耦合架，导轨滑块、支撑杆和套筒，光电探头，电阻盒，5V电源，万用表，CCD，电脑。

三、实验原理1、光纤数值孔径测量光纤，也称光纤波导，它的典型结构是多层同轴圆柱体，如图1，自内向外由纤芯、包层、涂敷层三部分组成。

纤芯位于光纤的中心部位。

纤芯和包层主要成分都是高纯度的二氧化硅，不同的是它们掺入的少量掺杂剂不同。

纤芯掺杂剂如五氧化二磷(P2O5)和二氧化锗（G e O2），掺杂的作用是提高纤芯的折射率。

包层掺杂剂有氟和硼，掺杂剂的作用是降低包层的折射率。

光纤纤芯折射率是稍大于包层折射率，纤芯的直径一般为4~60微米（单模光纤直径小于10um，多模光纤直径一般50－62.5um），为了使光纤具有较好的柔性，包层外径约为125um。

包层的外面涂敷一层很薄的涂敷层。

涂敷层材料一般为环氧树脂或硅橡胶。

该层的作用是增强光纤的机械强度。

为了加强光纤的机械强度，有的光纤在涂敷层之外加上套塑进行保护。

多模光纤损耗大、色散较强，因而脉冲畸变严重；而单模光纤损耗和色散性能都较佳，对光脉冲的影响较小。

光纤长距离通讯中的光纤是用单模光纤，就是这个原因。

实验用的单模石英光纤，它的芯和包层是由不同掺杂比例的石英材料拉制而成，保护层是环氧树脂。

光纤为什么能导光，能传送大量的信息？光纤是利用光的光的反射、折射和全反射等特性来导光的。

折射率小的物质称为光疏介质，折射率大的物质称为光密介质，当光从光密介质入射到光疏介质时，折射角大于入射角，当入射角增大到某一角度,使折射角达到90°时,折射光完全消失，只剩下反射光，这时的入射角就叫临界角。

入射角大于或等于临界角时，折射光线消失,发生了全反射现象。

光纤数值孔径测试及应用实验

光纤数值孔径测试及应用实验光纤数值孔径（Numerical Aperture，简称NA）是指光纤传输中心的一种重要参数，它决定了光纤对光信号的捕捉能力和传输效率。

光纤数值孔径测试及应用实验是一项关于光纤数值孔径的实验研究，旨在通过实验手段来测量光纤的数值孔径，并探索其在光通信和光传感领域的应用。

一、光纤数值孔径测试实验光纤数值孔径的测试主要通过测量光纤的入射角和出射角来确定。

常见的测试方法有两种：一种是使用显微镜观察法，另一种是使用光纤耦合仪进行测试。

1. 显微镜观察法该方法采用显微镜观察法，通过调整入射角度和观察出射光的亮度变化来确定数值孔径。

具体步骤如下：（1）将一束光线从显微镜下方照射到光纤末端；（2）调整显微镜的焦距，使光纤末端成像在观察平面上；（3）逐渐改变入射角度，观察出射光的亮度变化；（4）当入射角度与数值孔径匹配时，出射光最亮。

2. 光纤耦合仪测试光纤耦合仪是一种专门用于测试光纤参数的仪器，它通过测量入射和出射光的功率来确定光纤的数值孔径。

具体步骤如下：（1）将待测试的光纤端面与光纤耦合仪的接收端面对齐；（2）调整光纤耦合仪的入射角度，使其与光纤的数值孔径匹配；（3）测量入射光和出射光的功率，并计算数值孔径。

二、光纤数值孔径的应用实验光纤数值孔径在光通信和光传感领域有着广泛的应用。

以下是两个具体的应用实验示例：1. 光纤传感应用实验光纤传感是利用光纤作为传感器进行测量的一种技术，其中光纤数值孔径的选择和匹配对传感器的性能至关重要。

通过一个光纤传感实验，我们可以验证光纤数值孔径对传感器的影响，并研究最佳的数值孔径选择。

具体步骤如下：（1）选择不同数值孔径的光纤，并将其作为传感器放置在不同环境中；（2）通过测量光纤传感器的信号强度变化，分析不同数值孔径光纤的传感性能；（3）通过实验结果，选择最佳的数值孔径用于特定的传感应用。

2. 光纤通信应用实验光纤通信是一种高速、大容量的数据传输方式，而光纤数值孔径对通信质量和传输距离具有重要影响。

光斑光强渐变测量通信光纤数值孔径

第35卷，增刊红外与激光工程2006年l o月翌!：j i!兰型!竺竺!!翌墅型竺璺兰苎!!：墅量121：翌塑211：!!!!光斑光强渐变测量通信光纤数值孔径赵小兰(华南理工大学电子与信息学院，广东广州510640)摘要：数值孔径N A(N啪er i cal A pe咖r e)是通信光纤的一个重要光学参数，表征了光纤的集光能力．它与光纤传输系数的计量有密切关系，对通信光纤的传输带宽有很大影响．光纤数值孔径的测量方法有多种，丈中设计了一种用于通信光纤数值孔径快速测量的装置，该装置包括光源、刻度旋转台、微调机构及数字仪表等单元，测量基于光斑光强渐变机理，根据仪表显示值在临界点突变可确定被测光纤的数值孔径，实验表明该装置测量稳定可靠，多次测量平均值的重复性优于2％．关键词：通信光纤；数值孔径；光斑渐变法中图分类号：T N253文献标识码：A文章编号：1007．2276(2006)增B．0132．03M ea sur em e nt num er i ca l aper t ur e of t he opt i c al f i be r s f brt e l ec om m uni cat i ons ba sed on t he l i ght i nt ens i锣of l i ght s pot sZ H A OX i ao．1a n(Sch酬ofE I∞t m ni c锄d I n斯m at i叽Engi nc丽ng'Sout h chi na U niv．of l砒．，G u蛐g Z ho u510640，c}Ii眦)m eas嘲髓t N um er i ca l A p咖r e of t lle opt i ca l f i b er sA bst r act：D es i gn ed t lle equi pm ent f or f astcom nm ni c at i ons based on t he l i g ht i nt e nsi t y of Li gl l t s pot s．The m easl l r em el l t m e t hod t o a com bi n at i on of fa ct or S，w e haV e des i gned a f i b er com m uni cat i on，w hi ch con si s t s of1am p．hous e，reV ol V i ng pl a t fonn i nc l udi ng a sc al e，a n i nch m g m achi l l e，and a num er al m et er et c．The m ea sur e m ent f-Ⅸes on t he N um er i cal A per t u r e of t he opt i cal f i b er s ba si s of t he br eak of m e sho w val ue of t he i ns讥m l ent洫t he cnt i ca l poi nt．T he experi m ent al c oncl usi on i ndi ca t e d t ha t t he equi pm ent have hi gh r eli a_bi l i妙The r印ea t abi l i t y of t l l e e V e n I l e ss of也e r印et i t i ous m e鳓l r e扭ent exceeds oV er2％．K ey w or ds：opt i c al Fi b er s；N um er i c al A pcnI n．e；M eas ur伽l哪O引言数值孔径是表征通信光纤性能的一个重要参量。

光纤数值孔径

（3）还有哪些方法可以用来测量数值孔径？
【实验感想】通过学习，我接受了基本的实验技能训练，学会了一些基本的测量的方法，熟悉了常规仪器的基本原理、性能和用法，学会了正确记录实验数据和处理实验数据，分析实验结果，以及书写实验报告。在实验中，要积极动手去做，积极动脑去想才能更好地了解实验、掌握实验，还要善于提出问题并自己多琢磨，从而培养自己的探索创新精神。
谢谢！
光源
耦合系统功率计探测器
远场光强随角度分布的关系图
I
max
O
max

【实验器材】光纤数值孔径测试仪，光纤光源【实验步骤】 1．打开电源，稳定光强大约5min； 2．按复位键将电机复位，设定合适的步长；
3．通过步进控制键分别测量记录1310nm波长下的G652光纤的远场功率随角度变化的关系 4．按复位键复位点击，关机。 5．利用三波长光源，重复1~4步，测量 1550nm的光纤数值孔径。
1 2 1
（2）远场强度有效数值孔径NAeff 远场强度有效数值孔径是通过光纤强度远场强度分布确定的，它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。
NAeff sinP0.05 1 0.05 NAmax kg NAmax
g/2
数值孔径的测量原理图
旋转装置
【数据处理】
从图中可知，最大角度为90
则，有效数值孔径NAeff =sin 90 ≈0.156
一般情况下，梯度光纤接近抛物线分布
NA 0.975 NAmax
则，NAmax =NAeff/0.975=0.16
【思考题】（1）光纤的数不胜数值孔径的的物理意义是什么？
（2）实验中的测量方法是否和数值孔径的定义相冲突，为什么这么做？

光纤数值孔径

光纤数值孔径
光纤数值孔径是实现光纤细分子层技术的基本标准，是现代光纤通信技术的主要指标。

其主要影响因素有：
1、光纤的物理属性：物理属性是光纤数值孔径的关键影响因素，包括光纤的
材料、索线的形状、芯孔的形状、芯孔的尺寸和等等。

它们的变化都会引起光纤
数值孔径的变化。

2、传输衰减：传输衰减是另一个影响光纤数值孔径的因素，它主要是由光纤
中衰减材料的吸收率和衰减材料的形状来决定的，如果光纤中布置的吸收材料太多，而衰减材料形状也不合理，传输衰减很大，从而影响光纤数值孔径。

3、光纤折射率：光纤折射率也是影响光纤数值孔径的因素。

折射率高、低都
会导致光纤数值孔径的变化。

4、光纤内硬件：如果纤芯内的硬件的设计不当，会导致光纤数值孔径变化。

5、信号激励：在光纤纤芯内进行信号激励的信号强度过大或过小，也会导致
光纤数值孔径的变化。

6、温度变化：随着温度的升高，会导致光纤数值孔径变化，因为传输衰减和
折射率会随着温度变化而变化，从而导致光纤数值孔径变化。

以上便是光纤数值孔径的影响因素。

由于光纤数值孔径起着至关重要的作用，因此，现代光纤通信技术中，更注重于传输性能和细节的控制，特别是对光纤数
值孔径的检验，从而确保光纤通信性能满足用户的要求。

光纤数值孔径

功率计探测器
远场光强随角度分布的关系图
I
max
O
max

【实验器材】光纤数值孔径测试仪，光纤光源【实验步骤】
1．打开电源，稳定光强大约5min；
2．按复位键将电机复位，设定合nm波长下的G652光纤的远场功率随角度变化的关系
4．按复位键复位点击，关机。
5．利用三波长光源，重复1~4步，测量 1550nm的光纤数值孔径。
【数据处理】
从图中可知，最大角度为90 则，有效数值孔径NAeff =sin 90 ≈0.156 一般情况下，梯度光纤接近抛物线分布
NA 0.975NAmax
则，NAmax =NAeff/0.975=0.16
【思考题】（1）光纤的数不胜数值孔径的的物理意义是什么？
在实验中，要积极动手去做，积极动脑去想才能更好地了解实验、掌握实验，还要善于提出问题并自己多琢磨，从而培养自己的探索创新精神。
谢谢！
（2）远场强度有效数值孔径NAeff 远场强度有效数值孔径是通过光纤强度远
场强度分布确定的，它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。
NAeff sinP0.05 1 0.05g / 2 NAmax kgNAmax
数值孔径的测量原理图
光源
耦合系统
旋转装置
单模光纤数值径孔的测量电科091 高亚超
【实验目的】（1）熟悉光纤的结构特点及分类（2）掌握光纤数值孔径的定义和测量方法
【实验原理】光纤数值孔径（NA）是光纤能接收光
辐射角度范围的参数，同时它也是表征光纤和光源、光检测器及其它光纤耦合时的耦合效率的重要参数，同时对连接损耗、微弯损耗以及衰减温度特性、传输带宽等都有影响

（完整版）01.光纤数值孔径（NA）性质与参数测量实验1-6

（完整版）01.光纤数值孔径（NA）性质与参数测量实验1-6实验⼀光纤数值孔径(NA) 性质与参数测量实验实验⼀光纤数值孔径( NA )性质与参数测量实验、实验⽬的1、学习光在光导纤维中传播的基本原理2、掌握测量通信⽯英光纤的数值孔径2、熟练光学调节技术及熟悉光功率计、实验仪器1、光源12、读数旋转台1个3、三维微调架1个4、光纤两根(单模、多模各⼀根) 2根5、光纤适配器1个6、光斑屏1个7、光功率计1个三、实验原理1、光纤的基本构造光纤的构造如图 1－1 所⽰。

它主要有纤芯、包层、涂敷层及套塑四部分组成。

(1)纤芯纤芯位于光纤的中⼼部位。

它主要成分是⾼纯度的⼆氧化硅，其纯度⾼达 99.99999% ，其余成分为掺⼊的少量掺杂剂，如五氧化⼆磷 (P2O5)和⼆氧化锗( GeO2)。

掺杂剂的作⽤是提⾼纤芯的折射率。

纤芯的直径⼀般为 5~50 微⽶。

(2)包层包层也是含有少量掺杂剂的⾼纯度⼆氧化硅。

掺杂剂有氟和硼。

这些掺杂剂的作⽤是降低包层的折射率。

包层的直径 2b ⼀般为 125 微⽶。

(3)涂敷层包层的外⾯涂敷⼀层很薄的涂敷层。

通常进⾏两次涂敷，涂敷层材料⼀般为环氧树脂或硅橡胶。

该层的作⽤是增强光纤的机械强度。

(4)套塑涂敷层之外就是套塑。

套塑的原料⼤都是采⽤尼龙或聚⼄稀。

它的作⽤也是加强光纤的机械强度。

⼀般没套塑层的光纤称为裸光纤。

2、光纤的传光原理1）光纤的传光原理：采⽤⼏何光学来分析时主要包括光的反射、折射和全反射等。

采⽤波动理论分析时主要包括导模、模数、双折射等。

（ 2）光在光纤中的传播主要有⼆种类型，如图（ a ）阶跃型光纤其光纤折射率呈阶跃型分布。

以保证传输光能在纤芯和包层的界⾯上实现全反射，反射次数多、损耗⼤。

阶跃光纤是光纤应⽤的基本类型。

（ b ）渐变型光纤其纤芯的折射率呈曲⾯分布，数曲线），也称蛇形传光。

其优点是 NA ⼤，⾊散和损耗较⼩，传输距离⼤，但价格⾼。

另外，在单模光纤中，纤芯的直径很⼩，光线⼏乎是沿着光纤轴传播的。

光纤数值孔径测量

光纤数值孔径测量一、实训目的1、掌握光纤及其端面的处理技术2、增强对光纤数值孔径的理解3、熟悉常见光无源器件的连接和常用仪器的使用，掌握光纤主要参数的测量方法。

一、实训主要设备1．He-Ne激光光源(1mW)和电源； 2．耦合装置(测损耗时接)；3．光纤(F-MLD50：100/140多模光纤)； 4．光功率计和光检测器；5．光纤调角度器(测数值孔径时接上)； 6．光纤切割刀7．显微镜三、实训原理与说明1. 光纤的几何构造一般裸光纤具有纤芯，包层及敷层（套）的三层结构，芯和包层由硅玻璃组成，典型单模光纤的芯径为4-8μm，多模光纤为50-100μm，几何形状为圆对称；包层直径一般达百微米以上；高质量通信光纤的纤芯和包层由硅玻璃组成，纤芯中掺有少量杂质使纤芯折射率有所提高。

也有低质量的光纤是由塑料包层和玻璃纤芯构成，或由全塑料构成。

敷层是一个保护外套，直径一般达百微米或几百微米，由塑料制成，也有用极薄的清漆或丙烯酸制作。

2. 光纤的机械特性在测量光纤的数值孔径之前，需要对光纤端面进行处理，即获得一个垂直平整端面，以使光可以有效地耦合进和耦合出光纤。

这将采用划裂拉断方法完成，原理是先用碳化合物或金刚刀片在去除敷层后的光纤上沿垂直方向划开一个小裂口，然后从光纤两头贴近裂口处沿水平方向拉动光纤，均匀地加应力，使裂口穿过光纤并使光纤断裂，在垂直于光纤轴方向形成平整截面。

3. 光纤的数值孔径NA(Numerical Aperture)光纤的数值孔径NA(numerical aperture)是光纤的一个重要光学参数，它在一定程度上表征光纤集光能力和与光源耦合的难易程度，同时对连接损耗及衰减特性也有影响。

它与光纤传输系数的计量有密切的关系,对光纤的传输带宽有着很大的影响，在光学系统中的作用非常重要。

现在就最简单的阶跃折射率光纤为例，假设光线以入射角ϕ进入纤芯，如果纤芯的折射率比包层折射率稍大，则进入纤芯的光线在纤芯与包层界面上有可能发生全反射，设这个临界角为max ϕ，则数值孔径体现了光纤利用全反射将光保持在光纤中的能力，体现了光纤收集光的能力。

光纤的数值孔径

光纤的数值孔径光纤是由纤芯、包层所组成的圆柱形的介质光波导。

纤芯的折射率总是比包层的折射率略大。

当光波从折射率较大的介质入射进入较小的介质时，会在两种介质的边界发生折射和反射。

斯奈尔（Snell）定律描述了入射角和折射角与介质折射率的关系。

图1所示的是一束子午光线在一个阶跃折射率光纤中传播的情况。

设纤芯的折射率是n1，包层的折射率为n2，光线从折射率为n0的介质中进入光纤纤芯，光线与光纤轴之间的夹角为θ0。

光线进入纤芯后以入射角α投射到纤芯与包层的界面上，并在界面上发生折射和反射。

设折射角是θ2，根据斯奈尔定律，有设当α＝θc时，折射角θ2＝90°，这时，所有入射的光都不会进入n2介质。

当α＞θc 时，即n1和n2的界面上有全反射发生。

图1 理想的阶跃折射率光纤中，子午光线传播的射线光学表示根据式（7-2）可以得到在n1和n2的界面上有全反射发生，在空气（no＝1）中光线的最大入射角岛θo,max所应满足的关系式：这里，Δ=(n1-n2)/n1是光纤芯层与包层的相对折射率差。

NA是一个无量纲的数，它表示光纤接收和传输光的能力。

通常NA的数值在0.14～0.5范围之内。

光纤的数值孔径NA越大，光线可以越容易地被耦合到该光纤中。

光纤中有子午线和斜光线两类射线可以传播，子午光线是经过光纤对称轴的子午平面内的光线射线，而斜光线是沿一条类似于螺旋形的路径。

对光纤中射线传播的一般特性进行分析时仅使用子午光线就足够了。

上述有关光纤的数值孔径的分析就是应用光的射线理论对子午光线的分析获得的。

定义及相关概念入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。

这个角度a的正弦值就称为光纤的数值孔径（NA＝sina），多模光纤NA的范围一般在0.18－0.23之间，所以一般有sina=a，即光纤数值孔径NA＝a。

不同厂家生产的光纤的数值孔径不同。

在光学中，数值孔径是表示光学透镜性能的参数之一。

D光纤数值孔径的另一种定义是远场强度有效数值孔径

光纤通信实验光纤通信就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。

光纤通信是现代通信网的主要传输手段，主要通过在发送端把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

因此构成光纤通信的基本要素是光源、光纤和光检测器。

半导体激光器可以作为光纤通信的主要光源，其具有超小型、高效率和高速工作的优异特点，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。

前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham 首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。

光检测器:把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号的器件。

【实验目的】1. 了解和掌握半导体激光器的电光特性和测量阈值电流2. 了解和掌握光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。

3. 对光纤本身的光学特性进行初步的研究，对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。

4.了解光纤通信的基本原理。

【实验仪器】导轨，半导体激光器+二维调整，三维光纤调整架+光纤夹，光纤，光探头+二维调整架，激光功率指示计，一维位移架，专用光纤钳、光纤刀，示波器，音源等。

【实验原理】一、半导体激光器的电光特性实验采用的光源是半导体激光器，由于它的体积小、重量轻、效率高、成本低，已进入了人类社会活动的多个领域。

因此对半导体激光器的了解和使用就显得十分重要。

本实验对半导体激光器进行一些基本的实验研究，以掌握半导体激光器的一些基本特性和使用方法。

半导体激光器的发光原理是基于受激光发射。

要使半导体激光器产生相干的受激光需满足两个条件：既粒子数反转与阈值条件。

光纤激光器的数值孔径

光纤激光器的数值孔径光纤激光器是一种利用光纤作为传输介质的激光器。

光纤作为一种具有高强度、高品质光束传输能力的光学器件，广泛应用于通信、医疗、工业等领域。

在光纤激光器中，数值孔径是一个重要的参数，它决定了光纤的光束传输性能和功率耗散情况。

数值孔径（Numerical Aperture，简称NA）是光纤激光器中一个衡量光纤传输能力的重要指标之一。

它是光纤的集束能力的量度，表征了光纤能够接收和发射的光束角度范围。

数值孔径越大，光束的集束能力越强，传输效率越高。

数值孔径的计算公式为NA = n * sin(θ)，其中n为纤芯的折射率，θ为光束的入射角度。

数值孔径越大，纤芯接收到的入射角度范围就越大，从而能够接收到更多的光能量。

因此，数值孔径的大小直接影响到光纤的传输效率和功率损耗。

在光纤激光器中，数值孔径的选择需要根据具体的应用需求进行。

如果需要将激光光束聚焦到一个较小的区域内，提高激光器的功率密度，则需要选择较大的数值孔径。

而如果需要将激光光束传输到较长距离的目标上，则需要选择较小的数值孔径，以减小光纤的功率损耗。

数值孔径的大小还与光纤的结构有关。

一般来说，多模光纤的数值孔径较大，单模光纤的数值孔径较小。

多模光纤适用于短距离传输，而单模光纤适用于长距离传输。

除了数值孔径，光纤激光器的性能还与其他参数有关，如光纤的折射率、纤芯直径等。

这些参数的选择需要根据具体的应用需求和实际情况进行权衡。

光纤激光器的数值孔径是影响光纤传输能力和功率耗散的重要参数。

数值孔径越大，光束的集束能力越强，传输效率越高。

在选择光纤激光器时，需要根据具体的应用需求和实际情况选择合适的数值孔径。

通过合理选择数值孔径，可以提高光纤激光器的工作效率和传输性能，进而满足不同领域的需求。

多模光纤数值孔径的测量

多模光纤数值孔径的测量人类社会现在已发展到了信息社会，声音、图象和数据等信息的交流量非常大。

以前的通讯手段已经不能满足现在的要求，而光纤通讯以其信息容量大、保密性好、重量轻体积小、无中继段距离长等优点得到广泛应用。

其应用领域遍及通讯、交通、工业、医疗、教育、航空航天和计算机等行业，并正在向更广更深的层次发展。

光及光纤的应用正给人类的生活带来深刻的影响与变革。

[实验目的]学习光纤与光源耦合方法的原理；实验操作光纤与光源的耦合；学习光纤数值孔径的测量方法[实验仪器]GY-10型He-Ne 激光器1套；光功率测量仪1台；633nm 多模光纤1m ；光纤切割刀1套；[实验原理]1光纤结构与传光原理目前用于光通讯的光纤一般采用石英光纤，它主要由纤芯和包层组成：纤芯的折射率分布可以一常数(称为阶跃型光纤)，也可是具有轴对称的径向坐标的函数（称为梯度型光纤）。

下面以阶跃型光纤为例进行说明。

假设光纤端面与其轴线垂直，若光线射到光纤入射端面时包含了光纤的轴线，则这样的光线称为子午光线。

子午光线进入到纤芯后，在光纤中的传输路径是一条在光纤子午面内按“Z ”字形前进的平面射线。

若投射到光纤端面上的光射线的入射面不包含轴线，则称为偏射线，它在光纤内的传播行径不再是一条平面折线，而是一条空间折线。

为论述方便，下面仅就子午面内的传播规律作定量分析。

如图1所示，假设光纤端面与其轴线垂直，根据Snell 定律，有：z i n n θθsin sin 10= (1) 式中απθ-=2z 有αθcos sin 10n n i = (2)其中0n 是光纤入射端面左侧介质的折射率。

图1 光在光纤内的传播通常，光纤端面处于空气介质中，故0n ＝1。

由（2）式知：如果光线在光纤端面处的入射角i θ较小，则它折射到光纤内部后投射到芯子--包层界面处的入射角α有可能大于由芯子和包层材料的折射率1n 和2n 按下式决定的临界角c α：()12sin n n arc c =α (3)在此情形下，光射线在芯子—包层界面处发生全内反射。