实验一 光纤的几何特性测试实验.docx
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实验一光纤的几何特性测试实验
实验一光纤的几特性测试实验
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学号：
1、实验的目的和意义
1、了解光纤的基本结构
2、学习光纤的处理法，包括光纤的剥线、端面切割和清洗等等法
3、利用显微镜并结合探测器放大分别观察单模和多模光纤端面结构
4、学会Matlab处理实验数据
5、掌握光学实验注意事项和实验室安全隐患及事故处理法
光纤的应用越来越广泛，了解光纤的机构、性能具有十分重要的意义。
光学主要有纤芯和包层组成，纤芯由高度透明的介质组成，包层是折射率低于纤芯折射率的介质，并经过格的工艺制成光纤，光纤还要由多层保护层保护，起着增强机械性能、保护光纤的作用。
光纤的结构特性影响光纤的特性，并决定着光纤的用途，低损耗、高效率一直都是光纤的发展目标，光纤的各种特性参数（保护几参数、传光特性、加载特性、微弯特性等）的测量时光纤应用的重要依据，同时也促进各种测量技术的发展。
[1]光纤按折射率分布可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤，按模式可以分为单模光纤和多模光纤。
光纤的损耗因素众多，包括传输损耗、连接损耗、弯曲损耗、色散吸收损耗等等，光纤损耗可以用光时域反射技术等测量。
[2]
本实验希望通过观测光纤的结构参数来测试光纤的性能，并更好的理解光纤的特性，观察光纤结构分析其带来的损耗影响。
因为光纤较脆弱，所以日常使用的光纤有多层保护，所以首先要获取只有包层和纤芯的裸纤，然后采用显微镜结合电子探测器探测放大得到光纤的端面图像，从而分析其性能等。
[3]
二、实验的系统结构和实验步骤
1、实验的系统结构
实验主要包括制作裸纤端面样本和观察端面结构两个部分，需借助剥线器得到裸纤，并进行端面处理，将得到的样本放在显微镜—探测器放大系统下观察，并利用计算机获取处理数据。
实验系统的基本结构图如下：
2、实验仪器
光纤、剥线钳、剪刀、棉球、酒精、光纤切割机、基片、双面胶、显微镜、探测器、电脑
3、实验步骤
（1）制作光纤端面样品
日常使用的光纤都经过多层保护处理，而我们实验所需的是由纤芯和包层组成的裸纤，并且由于光纤由折射率不同的纤芯包层组成、对缺损很敏感以及连接损耗等原因，必须使用专用的光纤切割机处理端面，这样才能更好的观察或熔接等加工处理。
1处理光纤
首先用专用剥线钳的粗口剥去最外层的保护壳，然后用剪刀剪断保护介质，再用剥线钳的小口剥去靠近纤芯的保护壳，光纤的表面还有一次涂覆层，起保护和防止光溢出的作用，应轻轻用剥线器刮去，再用剥线钳最小的小口除去涂覆层，由于裸纤叫脆弱容易折断，所以操作应小心。
然后再用棉球沾少量酒将光纤擦拭干净。
2处理光纤端面
将光纤放入光纤切割机凹槽并加住，手扶着左下角，将中间按钮推进去，然后按下上端盖子，得到良好端面的光纤。
3制作光纤端面样本
在基片（玻璃、木头等）一侧黏上双面胶，将光纤端口朝上垂直粘在在基片一侧，选择合适的长度，得到光纤端面样本。
（2）观察端面结构
1将处理好的光纤，粘到形铝块的边缘，使纤芯露出一小块，一端对准光源，另一端的纤芯通过调整显微镜进行观察；
2调整时，先使用低倍镜
。
通过调节显微镜上的粗调旋钮，使显微镜头的中心位置对准光纤端面，此时电脑上出现模糊的影像，然后调节显微镜上的微调旋钮，使影像变得清晰。
3换用高倍镜
，重复以上步骤直到出现清晰的光纤端面图像。
此时观察到的光纤纤芯的图像是明亮的圆形光斑，而包层的像是它围较暗的圆形阴影。
（3）实验中，先使用多模光纤进行实验；然后换单模光纤，实验步骤相同。
3、实验数据的分析和处理
1、实验结果
（a）单模光纤的实验结果图
（b）多模光纤的实验结果图
2、图像分析
从图像可以看出，单模光纤的纤芯较细而多模光纤的纤芯较粗，可以发现一般情况下单模光纤的纤芯较多模光纤的纤芯细很多，单模光纤要求只有一个模式可以传播，所以纤芯尺寸较小。
在实验过程中发现适当调整显微镜光源的亮度可以观察到更明显的图像，比如单模光纤的图像如下，可以便后期图像的处理
包层外围的黑色不均匀区域可能是由于处理光纤涂覆层没有处理干净，可能还有残留的涂覆层未除去或未擦拭干净。
同时通过图像可以发现单模光纤和多模光纤的光并没有完全束缚在包层中，还是有部分的光渗透到了包层里，可能是由于渐逝波导致的，也可能是因为光纤没有保护好，或者端面没有特别均匀。
3、数据处理
光纤的几参数是指那些仅与光纤横截面的物理结构相关的参数，与长度及传输状态无关。
这次实验中用的是多模光纤，多模光纤的几参数包括纤芯直径，包层直径，芯不圆度，包层不圆度，纤芯同心度，包层同心度。
图4多模光纤几参数的定义
对多模光纤几参数的定义如上图所示，其中纤芯、包层区域的最大直径定义为纤芯直径和包层直径，分别用d和D表示，通常纤芯和包层都不是理想的圆，二者也不同芯。
因而有：
纤芯直径：
包层直径：
纤芯不圆度：
包层不圆度：
同心度：
，
为纤芯中芯到包层中芯的距离
将实验所得到的图形用Matlab处理，依次灰度化，滤波去噪，二值化，并用最小二乘法进行椭圆拟合，改变二值化的阈值设置，可以分别提取出光纤纤芯和包层的轮廓，然后再进行椭圆拟合。
由于包层亮度较低，纤芯亮度较高，所以首先设置较低的阈值，检测到包层的轮廓并拟合，再设置较高的阈值检测纤芯。
得到纤芯和包层的拟合图像分别如下
（c）单模光纤的纤芯和包层拟合图
（c）多模光纤的纤芯和包层拟合图
具体结果为下表：
横坐标
纵坐标
横向半径
纵向半径
thetarad
单模包层
704.3458
631.3415
480.9866
478.9997
-1.5428
单模纤芯
707.1322
638.1312
31.7315
31.7416
-0.5830
单模光纤的包层直径D=960.8843；纤芯直径d=63.5321。
已知实际单模光纤包层直径为125μm，则可计算出纤芯的实际直径为
。
理论的单模光纤纤芯越为9μm左右，则相对误差为
，因为单模光纤芯径很小，我们测量的光斑存在很大的误差，其实对比单模光纤以及多模光纤光斑我们很容易发现单模光纤纤芯的椭圆度较大，猜测是因为单模光纤的纤芯芯径更小，因此衍射效应更强，这使得光斑形变大一些。
影响了实际尺寸的识别。
横坐标
纵坐标
横向半径
纵向半径
thetarad
多模包层
745.3
833.5
480.5
479.6
-0.9432
多模纤芯
750.1
885.6
229.5
230.8
1.0450
经计算得出：
多模光纤的包层直径D=960.3；纤芯直径d=459.8。
已知实际多模光纤包层直径为125μm，则可计算出纤芯的实际直径为
。
实际的多模光纤纤芯越为62.5μm左右，则相对误差为
。
多模光纤的色散效应要弱一些。
但同样也可能是制造误差，光纤不平整等影响了实际尺寸的识别。
计算同种光纤由于几形状引起的最不利耦合效率，不考虑其他因数引起的衰减，只考虑由于偏心率、椭圆率这些光纤几参数引起的损耗。
单模光纤耦合时，横截面光强分布可认为是高斯分布。
计算面积乘以光强之比得耦合效率为33.68%。
多模光纤横截面光强可认为是均匀分布。
通过计算最差交叠面积可得耦合效率为65.76%。
四、实验误差讨论
（1）图像纤芯和包层的亮度不能很好地区分，图像边缘不清晰，导致图像识别时很困难，直接影响到椭圆拟合的结果。
我认为这是本次实验最大的误差来源。
但可以通过调整显微镜光源的亮度得出明暗比较明显的图像。
（2）设置二值化阈值时，背景中杂散的点很难去掉，会对拟合结果带来误差。
可以通过对滤波函数进行优化得到解决。
（3）单模光纤的误差比多模光纤大，因为单模光纤纤芯直径更小，色散重，影响了实际尺寸的识别。
（4）得到的光纤没有擦拭干净，使得获取图像不清晰。
（5）切割光纤端面没有切整齐，使得光纤不平整，造成测量误差
（6）在显微镜下观察时，由于光纤不是竖直，导致端面各处无法同时聚焦。
（7）另外杂散光可能会影响图像。
由于我们做实验是在晚上，需要开灯，灯光对形成的图像可能造成影响
参考文献：
[1]庆安.光纤标准与光纤类型选择[J].电信工程技术与标准化.2008（03）
[2]光纤的基础知识[J].传感器世界.2004（11）
[3]高明娟.光纤特性测试及数据采集与处理[D].：
航空航天大学,2006
附程序：
包层椭圆拟合程序：
clc
closeall
clearall
A=imread（'D:
\搜狗高速下载\光电子文件\1.bmp'）;
B=rgb2gray（A）;
B1=medfilt2（B,[66]）;
N=3000;
C1=im2bw（B1,48/255）;
D1=edge（C1）;
[X1,Y1]=find（D1）;
[Elx1,Ely1,v]=FitEllip（X1,Y1,N）;
v
（1）
v
（2）
v（3）
v（4）
imshow（A）;
holdon
plot（Ely1,Elx1,'r'）;
纤芯的椭圆拟合程序和包层差不多，如下所示：
clc
closeall
clearall
A=imread（'D:
\搜狗高速下载\光电子文件\1.bmp'）;
B=rgb2gray（A）;
B1=medfilt2（B,[66]）;
N=3000;
C2=im2bw（B1,115/255）;
D2=edge（C2）;
[X2,Y2]=find（D2）;
[Elx,Ely,v]=FitEllip（X2,Y2,N）;
v
（1）
v
（2）
v（3）
v（4）
imshow（A）;
holdon
plot（Ely,Elx,'r'）;
其中Fitellipse（X1,Y1）为椭圆拟合函数，在主程序中可直接调用。
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