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通體發光光纖發光均勻性探究

發布時間:2020-04-28所屬分類:科技論文瀏覽:1

摘 要: 摘要通體發光光纖是一種聚合物光纖(POF),其相較于一般玻璃光纖最大的特點在于柔軟且能夠側面出光。利用通體發光光纖的這些發光特性,其被多用在生活照明、廣告宣傳、交通指示和醫學治療等多個領域。但隨著應用范圍逐漸變大,現有的光纖結構不再能滿足現實的

  摘要通體發光光纖是一種聚合物光纖(POF),其相較于一般玻璃光纖最大的特點在于柔軟且能夠側面出光。利用通體發光光纖的這些發光特性,其被多用在生活照明、廣告宣傳、交通指示和醫學治療等多個領域。但隨著應用范圍逐漸變大,現有的光纖結構不再能滿足現實的需要。但當面臨應用部位曲折,特別是光纖發生高度彎折后,該點處的側面發光光強會發生劇變,導致該點附近周圍的光強分布不再均勻,便不滿足了對均勻性的要求。為了改進通體發光光纖的均勻性問題,需要對通體發光光纖進行加工。本文對通體發光光纖的基本性能進行了介紹,并且探究了為實現通體發光光纖發光均勻性的現存加工方式,并指出各方法的優缺點,為進一步應用發展指明了方向。

通體發光光纖發光均勻性探究

  關鍵詞通體發光光纖,側面發光,光纖加工

  1.引言

  隨著聚合物光纖(PolymerOpticalFiber,POF)自20世紀60年代誕生,它比玻璃光纖具有更好的柔軟度,易于彎曲,加工制造成本低廉,適合大量生產的優點,得到了相關專業人士的理論研究和應用研究[1]。但隨著時代發展,行業對光纖的需求日益多樣化,不僅限于通信傳輸的需要,對聚合物光纖的應用開始普及至其他領域。

  通體發光光纖,是POF光纖的一種應用方向,興起于20世紀90年代,是一種光在光纖傳輸過程中,部分光從光纖包層逸散出來,不僅讓光在光纖中以全反射進行傳輸,而且形成光纖側面發光的現象。通體發光光纖有優良的發光特性,在生活照明、廣告宣傳和醫學治療等方面均有廣泛的應用[2]。其中照明方面已經有成熟的應用,由于通體發光光纖有較長的使用壽命、POF本身不帶電、色彩連續、易于塑形、安全與節能等特性,故被廣泛用于勾勒建筑物與招牌的輪廓,巖洞、植被景觀的照明,地面路線的安全指示,陳列物品展示以及室內照明等使用場景[3]。在工程領域,通體發光光纖被用作光纖傳感器,用于位移測量。其利用通體發光光纖自身不帶電的特性,可適用于劇烈電磁干擾等惡劣的使用場景,將其作為光纖探頭,通過通體發光光纖的水平位移測距[4]。還有被用于醫學口腔科的治療[5]。

  隨著應用逐漸變廣,實際應用的情況對通體發光光纖提出了更高的要求。雖然通體發光光纖相對比較柔軟,但當面臨應用部位彎曲程度高,光纖發生高度彎折后,該點處的側面發光光強會發生劇變,導致該點附近周圍的光強分布極其不均,所以便不滿足了對均勻性的要求。為了使得通體發光光纖側面發光光強更加均勻,需要對通體發光光纖再加工,目前已存在的制備方法有錐面入射法、溶液處理皮層表面法[6]、變芯徑法、光纖編織法、芯材中添加彌散劑法[7]及飛秒激光燒蝕法[8]等,這些對于光纖本身結構或長度尺寸都有要求,且加工方式難易程度差距較大,且效果也不一定好。

  現存的加工方式仍然限制了通體發光光纖的部分應用,對于通體發光光纖均勻性的影響因素與加工方式還有待探究。本文回顧了通體發光光纖制備方法以及再加工過程中面臨的問題,對加工過程的局限性、均勻性等進行討論,以期為進一步的發展應用指明方向。

  2.基本介紹

  2.1.通體發光光纖的分類

  通體普通光纖依據纖芯折射率徑向分布等特點,可分為兩種:階躍折射率分布光纖和漸變折射率分布光纖[9]。而通體發光光纖一般為階躍型聚合物光纖,纖芯的折射率較大,包層的折射率較小,芯材可由高純度石英玻璃或者塑料組成。由于側面光纖在醫療、照明等應用領域中有廣泛的運用,為了保證在環境中有更好的延展性能和抗氧化,抗老化性能,皮材大部分情況使用四氟乙烯,在其外包層覆一層抗老化、抗紫外好的透明的材料,如透明聚氟乙烯(PVC),透明聚-4-甲基-戊烯-1(TPX)等,其目的是延長通體發光光纖使用壽命,通常,在合適的環境中,通體發光光纖使用壽命長達10年。

  依據通體發光光纖內層的光纖的數量,可分為單芯的通體發光光纖、多芯的通體發光光纖兩類[9]。單芯通體發光光纖又被叫作粗芯通體發光光纖,因為纖芯直徑比較大,一般在寒冷的情況中會變得很硬很脆,所以其使用長度通常會受到一定的限制,但是單芯通體發光光纖中所有的模式在傳播過程中的全反射均發生在纖芯和包層的界面上方,當光纖中所有模式被激發時,光纖的輸出末端將形成比較均勻的光場分布,輸出光斑包含百分八十多能量的光斑直徑與纖芯直徑相等,所以此類光纖的優點就是出光光效率高,在同等光源的情況下,其輸出光功率但是多芯側面發光光纖的10倍左右。多芯的通體發光光纖是由多股小光纖加捻,每根光纖都有規律互相纏繞,也可在扭合光纖束中增加中央反射芯,可便提高扭合后通體光纖的側面發光功率。

  依據通體發光光纖芯材的材料,有兩種類型:固態實芯和液態芯[9]。固態芯的通體發光光纖的固體芯材一般有石英、多組分玻璃和聚合物等材料。液態芯通體發光光纖芯材材料為硅油等液體材料,具有有柔軟性高,亮度均勻等優點,但是制造工藝較麻煩,只能定制。

  2.2.通體發光光纖的傳光特性

  側面發光是通體發光光纖的最明顯且重要的一個特點。由JanisSpigulis等人[10]的計算,通體發光光纖的側面發光強度是隨著光纖長度的增加而進行的負指數形式減小如圖1所示。末端處光量與散射光量大小都是與散射系數K和初光量I0和距離x有關的冪指數呈現衰減的趨勢。通體發光光纖在其光纖位置x處的發光光強sx()I可表示成如下公式:

  3.通體光纖在應用中的難題

  由于通體發光光纖有著良好的發光特性,因此在醫學工程和其他領域具有較廣泛的應用。通體發光光纖發光功率與其長度呈指數衰減關系,隨著光纖長度的增加光纖的發光功率衰減嚴重,同時因通體發光光纖延展性較低,導致當光纖彎曲程度過大時,會出現光從彎折處大量逸散的情況,從而使得整體發光功率改變而無法定量計算與推廣。例如在對口腔牙齒和耳鼻喉等狹小部位進行激光治療時,光纖需要彎折的幅度較大。而彎曲度過高會在該處折射過多光能導致后端發光強度很弱甚至會發生折斷的現象[2],使得相應醫療儀器的制作難度與成本上升;而在將通體發光光線編織進織物,利用織物表面發光而進行激光治療時,由于光衰減的原因,織物發光時會出現發光不均勻的現象,且導致通體發光光纖末端發光功率過低,無法達到治療的目的,而在實際的制作與應用中因需保證發光效果,使得在進行相關醫療儀器的設計與制備中,對光纖長度的要求較為嚴格。因此對于通體光纖加工方式的探究極其重要。

  4.現存加工方法的介紹

  在實際應用中,一般限制通體發光光纖的使用長度和彎曲程度來達到側面發光強度達到一定的均勻性。在發光均勻性的應用需求下,現存通體光纖加工的主流方式有物理接觸式加工和激光加工兩種,本質上都是對光纖包層進行了不可逆的破壞,從而使其側面發光率在一定程度上增加。

  4.1.物理接觸式加工

  物理接觸式加工方法主要是利用物理工具在光纖指定位置進行破壞或再加工。其方法大體有以下幾種:如下圖2所示,在設置兩個相同功率的光源在通體發光光纖的兩端,或者一個全反射鏡設置在一端,使得通體發光光纖整體發光強度可以達到一致,以滿足均勻性要求[11];如下圖3所示,使用尖銳鋒利工具,破壞光纖包層,使光纖在破損處光功率增加;使用化學物質對光纖包層進行腐蝕,破壞光纖包層使得光纖的側發光強度增加;使用光滑的砂紙對通體發光光纖包層進行研磨拋光等,改變光纖外層包層厚度,從而增加側面發光強度;對光纖的局部區域進行一定的加熱,從而改變光纖的結構增加光纖側面發光強度,從而達到均勻性要求。

  4.1.1.物理接觸式加工的優勢

  物理接觸式加工較為簡便,能夠較好的控制光纖加工成本;物理加工時光纖副作用小,不會對光纖未加工區域產生破壞,無太多加工后的不可控量。例如嚴璐等[12]利用輪式側邊拋磨法制作側邊拋磨光纖,研究了拋磨深、拋磨的長度與波長相關損耗等的關系,從而改善加工處的側面發光光強而不影響未加工區域。

  4.1.2.物理接觸式加工的缺點

  物理接觸式加工精度較差,且加工數據不易量化,易產生較大的誤差,加工完成后光纖易產生裂痕,彎曲時易折斷;若加工處理過程中光纖的切口不均勻,會增加二次加工的難度;物理加工受限于加工光纖的材料,例如加工石英光纖時由于石英較脆,在加工過程中易碎裂,在工業生產中需要考慮對加工工具的損耗,一定程度上增加了加工成本。

  4.2.激光加工

  激光加工方法利用了激光代替物理器具對光纖破壞。其中包含了激光劃片、激光融化切割與控制斷裂等方法,實現對光纖的切割與打孔,聚焦的激光脈沖具有較高的峰值功率密度的能量,與透明介質例如光纖等相互作用時會出現多光子吸收、等離子體激發、庫倫爆炸、乃至粒子激發等特殊現象[8]。例如李濤等[13]為了改善通體發光光纖側面發光不均勻的問題,采用了飛秒激光微加工的方法對其進行加工因素探究,探究了激光功率和脈沖速度和掃描速度對切割端面的影響,從而提高了通體發光光纖的側面發光強度;漆宇等[14]利用激光打標法,設置不同功率組使得側面發光光纖逸散高度均勻。

  如圖4所示,利用激光器輸出一定能量密度的激光在通體發光光纖的包層表面上,在較大能量密度下被加工的光纖會在該點產生一個破壞點。由激光加工產生的破壞區域會使經過該點的光發生散射,從側面的破壞點逸散出來,使得該點附近的光強發生變化,經過設置若干不同的破壞點,實現通體發光光纖的側面發光均勻。

  4.2.1.激光加工的優勢

  使用激光加工時能夠獲得較好的切割質量,加工的切割精度可達到微米級別,切口相對物理接觸式加工方式更加光滑平整。由于激光脈沖持續時間極短,峰值功率密度高,能量大,因此激光加工可以精細地加工多種多類材料,且激光加工時脈沖能量與光纖反應時間較短,不會產生大量熱量,從而減少了加工過程中因為溫度過高對相鄰區域光纖造成的損傷。

  激光加工過程中激光器與光纖沒有直接接觸,因此加工過程對加工工具的損耗較小;激光加工產生的噪聲較低,對加工環境要求不高,適用于不同實驗場合;整個加工過程沒有產生環境污染,而且更環保。

  4.2.2.激光加工的缺點

  激光加工同物理加工方式相似,主要是通過對光纖包層進行破壞,會導致光纖外層產生破裂,從而延展性下降,降低了彎曲程度,增加了光纖的二次加工的難度。激光加工的儀器價格普遍較高,大幅度增加了加工成本。對光纖的高頻率快速加工容易使得光纖內部熱量的累計,導致光纖的使用壽命降低,且當激光功率過大時,會使光纖邊緣產生裂痕。需要根據加工光纖的型號調節不同的激光功率,操作較為麻煩。

  4.3.其他加工方式

  除了物理接觸式加工以及激光加工以外還有人提出一些其他加工方式。通過改變纖芯直徑來控制散射光量,例如國際上有學者設計的一種變芯徑法,通過改變纖芯直徑以達到光偏離纖芯中軸線方向而側面逸散[15];通過改變光纖皮層材料并利用其物理化學性質的不同來控制側面發光功率,例如島田勝彥等[16]在管理光纖側面逸散的能量損耗方面,控制光纖的皮層材料的結晶率以便達到理想側面發光能量效果;通過加工光纖柱面提高光纖側面發光功率,例如江沛凡等[17]利用光纖側面拉錐技術對光纖柱面進行加工,從而對光纖進行定性研究。這種光纖器件在移動通信設備、傳感器設備、大、中小型激光器中具有廣泛的應用。

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