光导纤维中光速的实验测定实验报告.docx

光导纤维中光速的实验测定实验报告光导纤维中光速的测定【目的要求】 、【仪器设备】 —【实验原理】光纤中光速的测定是一个十分有趣的实验,通过这一实验能使学生亲身感受到光在介质中传播的真实物理过程和深刻了解介质折射率的物理意义。在通常的光纤光速测量系统中,对被测光波均采用正弦信号对光强进行调制。在此情况下,为了测出调制光信号通过一定长度光纤后引起的相位差,必须采用较为复杂的由模拟乘法电路及低通滤波器组成的相位检测器,这种相位检测电路的输出电压不仅与两路输入信号的相位差有关,而且也与两路输入信号幅值有关。这里提出一种采用方波调制信号,应用具有异或逻辑功能的门电路进行相差测量的巧妙方法。由这种电路所组成的相位检测器结构简单、工作可靠、相位——电压特性稳定。在光纤折射率n1已知的情况下,利用这种方法还可测定光纤长度。一、光导纤维的结构如图1示,它由纤芯和包层两部分组成,纤芯半径为α,折射率为n,包层的光纤传光原理及光在光纤中的速度学的角度考虑,光波实际上是一种振荡频率很高的电磁波,当光波在光导纤维中传播时,光导纤维就起着一种光波导的作用。应用电磁场理论中E矢量和H矢量应遵从的麦克士威尔方程及它们在芯纤和包层面处应满足的边界条件可知:在光导纤维中主要存在着两大类电磁场形态。一类是沿光纤横载面呈驻波状,而沿光导纤维轴线方向为行波的电磁场形态,这种形态的电磁场其能量沿横向不会辐射,只沿轴线方向传播,故称这类电磁场形态为传导模式;另一类电磁场形态其能量在轴线方向传播的同时沿横向方向也有辐射,这类电磁场形态称为辐射模。利用光导纤维来传输光信息时就是依靠光纤中的传导模式。随着光导纤维芯径α的增加,光导纤维中允许存在的传导模式的数量也会增多,纤芯中存在多个传导模式的光纤称为多模光纤;当光纤芯径小到某一程度后,纤芯中只允许称为基模的一种电磁场形态存在,这种光纤就称为单模光纤。目前光纤通讯系统上使用的多模光纤纤芯直径为 50μm,包层外径为125μm。单模光纤的芯径为5~10μm范围内,包层外径也为125μm。在纤芯范围内上述各种光纤的传光原理及传光性能的详尽理论分析见文献[1]。当一束由光导纤维的入射端耦合到光导纤维内部之后,会在光纤内同时激励起传导模式和辐射模式,但经过一段传输距离,辐射模的电磁场能量沿横向方向辐射尽后,只剩下传导模式沿光纤轴线方向继续传播,在传播过程中只会因光导纤维纤芯材料的杂质和密度不均引起的吸收损耗和散射损耗外,不会有辐射损耗。目前的制造工艺能使光导纤维的吸收和散射损耗做到很小的程度,所以传导模式的电磁场能在光纤中传输很远的距离。根据理论分析,光导纤维中光速的表达式可近似为: Vz? 其中C是光波在自由空间中的传播速度. 二、光导纤维中光速的实验测定1、1 图2是测定光导纤维中光速的实验装置的方框结构图,图中各部分的功能分别是:时钟信号源:由高电平“1”和低电平“0”构成的周期信号;LED:发光二极管,把电信号转换为光信号;光纤:只能传输光信号; 再生电路:把光电二极管转换出的电信号还原为与时钟信号源同周期的时钟信号,本实验通过调节“再生调节”旋钮实现; 检测仪器包括示波器和相位检测器, 示波器:观察再生信号的波形,与“再生调节”旋钮配合,使再生信号与时钟信号源的时钟信号同周期;测量这两种信号的延时; 相位检测器:配合示波器使用,当由示波器观察到再生信号与时钟信号源的时钟信号同周期时, 测量两信号的相位差,用以更精确计算延时; 图2测定光导纤维中光速实验装置的方框图在该图中由调制信号源提供的周期为T,占空比为50%的方波时钟信号对半导体发光二极管LED的发光光强进行调制,调制后的光信号经光导纤维、光电检测器件和信号再生电路再次变换成一个周期为T、占空比为50%的方波序列,但这一方波序列相对于调制信号源输出的原始方波序列有一定的延时,这一延时包括了LED驱动与调制电路和光电转换及信号再生电路引起的延时,也含有我们要测定的调制光信号在给定长度光纤中所经历的时间在内。实验中采用“双光纤比较法”。即:保持电路状态不变,分别测出信号通过?1、?2的延时?1、?2,则有: Vz? 2、相差测量方法?1??2 ?1??2 如果把再生信号和作为参考信号的原始调制信号接到一个具有异或逻辑功能的逻辑电路的两个输入端,则在0~π的相移所对应的延时范围内,该电路的输出波形就是一个周期为T/2,但脉宽与以上两路信号的相对延时成正比的方脉冲序列,这一脉冲序列的直流分量的电平值就与以上两路输入信号的相对延时成正变关系。用示波器可观察到异或门输出的占空比随