APP  >> Vol. 9 No. 5 (May 2019)

    通体发光光纤发光均匀性商量
    Study on Glowing Uniformity of Side Glowing Optical Fiber

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作者:  

曾嘉隽,孔 莉,苏 磊,范贤成,王 烁,何进杰:天津工业大年夜学,天津;
董晓曦:中国医学迷信院生物医学工程研究所,天津;
陈洪丽:天津工业大年夜学,天津;天津市光电检测技巧与体系重点实验室,天津

关键词:
通体发光光纤正面发光光纤加工 Side Glowing Fiber Side Glowing Optical Fiber Processing

摘要:

通体发光光纤是一种聚合物光纤(POF),其相较于普通玻璃光纤最大年夜的特点在于柔嫩且可以或许正面出光。应用通体发光光纤的这些发光特点,其被多用在生活照明、告白宣传、交通指导和医学治疗等多个范畴。但随着应用范围逐步变大年夜,现有的光纤构造不再能满足实际的须要。但当面对应用部位曲折,特别是光纤产生高度弯折后,该点处的正面发光光强会产生剧变,招致该点邻近四周的光强分布不再均匀,便不满足了对均匀性的请求。为了改进通体发光光纤的均匀性成绩,须要对通体发光光纤停止加工。本文对通体发光光纤的基本性能停止了简介,并且商量了为完成通体发光光纤发光均匀性的现存加工方法,并指出各办法的优缺点,为进一步应用生长指清楚明了偏向。

Side glowing optical fiber is a polymer optical fiber (POF), which is characterized by being soft and capable of side-emitting compared to a general glass fiber. These luminous characteristics of side glowing optical fiber are used in many fields such as living lighting, advertising, traffic indication, and medical treatment. However, as the field of application becomes wider, the existing optical fiber structure can meet the needs of reality no longer. However, when the optical fiber application region is tortuous, especially after the fiber is extremely curved, the side light intensity at this point will change drastically, resulting in the light intensity distribution around the point is no longer uniform, and the uniformity requirement of optical fiber is not satisfied. In order to improve the uniformity of side glowing optical fiber, it is necessary to process side glowing optical fiber. In this paper, the basic performance of side glowing optical fiber is introduced, and the existing processing methods for achieving the uniformity of side glowing optical fiber are explored. The advantages and disadvantages of each method are pointed out, which indicates the direction for further application development.

1. 引言

随着聚合物光纤(Polymer Optical Fiber, POF)自20世纪60年代出生,它比玻璃光纤具有更好的柔嫩度,易于曲折,加工制形本钱昂贵,合适大年夜量临盆的长处,取得了相干专业人士的实际研究和应用研究 [1] 。但随着时代生长,行业对光纤的需求日趋多样化,不只限于通信传输的须要,对聚合物光纤的应用开端普及至其他范畴。

通体发光光纤,是POF光纤的一种应用偏向,鼓起于20世纪90年代,是一种光在光纤传输过程当中,部分光从光纤包层逸散出来,不只让光在光纤中以全反射停止传输,并且构成光纤正面发光的景象。通体发光光纤有优良的发光特点,在生活照明、告白宣传和医学治疗等方面均有广泛的应用 [2] 。个中照明方面曾经有成熟的应用,由于通体发光光纤有较长的应用寿命、POF本身不带电、色彩持续、易于塑形、安然与节能等特点,故被广泛用于勾画修建物与招牌的轮廓,岩洞、植被景不雅的照明,空中道路的安然指导,摆设物品展示和室内照明等应用处景 [3] 。在工程范畴,通体发光光纤被用作光纤传感器,用于位移丈量。其应用通体发光光纤本身不带电的特点,可实用于激烈电磁搅扰等卑劣的应用处景,将其作为光纤探头,经过过程通体发光光纤的程度位移测距 [4] 。还有被用于医学口腔科的治疗 [5] 。

随着应用逐步变广,实际应用的情况对通体发光光纤提出了更高的请求。固然通体发光光纤比拟较较柔嫩,但当面对应用部位曲折程度高,光纤产生高度弯折后,该点处的正面发光光强会产生剧变,招致该点邻近四周的光强分布极端不均,所以便不满足了对均匀性的请求。为了使得通体发光光纤正面发光光强加倍均匀,须要对通体发光光纤再加工,今朝已存在的制备办法有锥面入射法、溶液处理皮层外面法 [6] 、变芯径法、光纤编织法、芯材中添加弥散剂法 [7] 及飞秒激光烧蚀法 [8] 等,这些关于光纤本身构造或长度尺寸都有请求,且加工方法难易程度差距较大年夜,且后果也不用定好。

现存的加工方法依然限制了通体发光光纤的部分应用,关于通体发光光纤均匀性的影响身分与加工方法还有待商量。本文回想了通体发光光纤制备办法和再加工过程当中面对的成绩,对加工过程的局限性、均匀性等停止评论辩论,以期为进一步的生长应用指明偏向。

2. 根本简介

2.1. 通体发光光纤的分类

通体浅显光纤根据纤芯折射率径向分布等特点,可分为两种:阶跃折射率分布光纤和突变折射率分布光纤 [9] 。而通体发光光纤普通为阶跃型聚合物光纤,纤芯的折射率较大年夜,包层的折射率较小,芯材可由高纯度石英玻璃或许塑料构成。由于正面光纤在医疗、照明等应用范畴中有广泛的应用,为了包管在情况中有更好的延展性能和抗氧化,抗老化性能,皮材大年夜部分情况应用四氟乙烯,在其外包层覆一层抗老化、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,其目标是延长通体发光光纤应用寿命,平日,在合适的情况中,通体发光光纤应用寿命长达10年。

根据通体发光光纤内层的光纤的数量,可分为单芯的通体发光光纤、多芯的通体发光光纤两类 [9] 。单芯通体发光光纤又被叫作粗芯通体发光光纤,由于纤芯直径比较大年夜,普通在酷寒的情况中会变得很硬很脆,所以其应用长度平日会遭到必定的限制,然则单芯通体发光光纤中一切的形式在传播过程当中的全反射均产生在纤芯和包层的界面上方,当光纤中一切形式被激起时,光纤的输入末尾将构成比较均匀的光场分布,输入光斑包含百分八十多能量的光斑直径与纤芯直径相等,所以此类光纤的长处就是出光光效力高,在分歧光源的情况下,其输入光功率然则多芯正面发光光纤的10倍阁下。多芯的通体发光光纤是由多股小光纤加捻,每根光纤都有规律相互环绕纠缠,也可在扭合光纤束中增长中心反射芯,可便进步扭合后通体光纤的正面发光功率。

根据通体发光光纤芯材的材料,有两种类型:固态实芯和液态芯 [9] 。固态芯的通体发光光纤的固体芯材普通有石英、多组分玻璃和聚合物等材料。液态芯通体发光光纤芯材材料为硅油等液体材料,具有有柔嫩性高,亮度均匀等长处,然则制造工艺较费事,只能定制。

2.2. 通体发光光纤的传光特点

正面发光是通体发光光纤的最明显且重要的一个特点。由Janis Spigulis等人 [10] 的计算,通体发光光纤的正面发光强度是随着光纤长度的增长而停止的负指数情势减小如图1所示。末尾处光量与散射光量大年夜小都是与散射系数K和初光量I0和间隔x有关的幂指数出现衰减的趋势。通体发光光纤在其光纤地位x处的发光光强 I s ( x ) 可表示成以下公式:

Figure 1. Attenuation of light intensity with distance

图1. 光强随长度衰减图

I s ( x ) = A e ( K x ) (1)

个中:K为正面发光系数,单位为m−1;A为常数且只与光的输入量有关。

3. 通体光纤在应用中的困难

由于通体发光光纤有着优胜的发光特点,是以在医学工程和其他范畴具有较广泛的应用。通体发光光纤发光功率与其长度呈指数衰减关系,随着光纤长度的增长光纤的发光功率衰减严重,同时因通体发光光纤延展性较低,招致当光纤曲折程度过大年夜时,会出现光从弯折处大年夜量逸散的情况,从而使得全体发光功率改变而没法定量计算与推行。例如在对口腔牙齿和耳鼻喉等狭小部位停止激光治疗时,光纤须要弯折的幅度较大年夜。而曲折度太高会在该处折射过量光能招致后端发光强度很弱乃至会产生折断的景象 [2] ,使得照应医疗仪器的制造难度与本钱上升;而在将通体发光光线编织进织物,应用织物外面发光而停止激光治疗时,由于光衰减的缘由,织物发光时会出现发光不均匀的景象,且招致通体发光光纤末尾发光功率太低,没法达到治疗的目标,而在实际的制造与应用中因需包管发光后果,使得在停止相干医疗仪器的设计与制备中,对光纤长度的请求较为严格。是以关于通体光纤加工方法的商量极端重要。

4. 现存加工办法的简介

在实际应用中,普通限制通体发光光纤的应用长度和曲折程度来达到正面发光强度达到必定的均匀性。在发光均匀性的应用需求下,现存通体光纤加工的主流方法有物理接触式加工和激光加工两种,本质上都是对光纤包层停止了弗成逆的破坏,从而使其正面发光率在必定程度上增长。

4.1. 物理接触式加工

物理接触式加工办法主如果应用物理对象在光纤指定地位停止破坏或再加工。其办法大年夜体有以下几种:以下图2所示,在设置两个雷同功率的光源在通体发光光纤的两端,或许一个全反射镜设置在一端,使得通体发光光纤全体发光强度可以达到分歧,以满足均匀性请求 [11] ;以下图3所示,应用尖利锋利对象,破坏光纤包层,使光纤在破损处光功率增长;应用化学物质对光纤包层停止腐化,破坏光纤包层使得光纤的侧发光强度增长;应用滑腻的砂纸对通体发光光纤包层停止研磨抛光等,改变光纤外层包层厚度,从而增长正面发光强度;对光纤的部分区域停止必定的加热,从而改变光纤的构造增长光纤正面发光强度,从而达到均匀性请求。

Figure 2. Adding a total reflection mirror at the end of the fiber

图2. 光纤末尾添加全反射镜表示图

Figure 3. Physical cutting fiber processing

图3. 物理切割光纤加工办法表示图

4.1.1. 物理接触式加工的优势

物理接触式加工较为简便,可以或许较好的控制光纤加工本钱;物理加工年光纤副感化小,不会对光纤未加工区域产生破坏,无太多加工后的弗成控量。例如严璐等 [12] 应用轮式侧边抛磨法制造侧边抛磨光纤,研究了抛磨深、抛磨的长度与波长相干消耗等的关系,从而改良加工处的正面发光光强而不影响未加工区域。

4.1.2. 物理接触式加工的缺点

物理接触式加工精度较差,且加工数据不容易量化,易产生较大年夜的误差,加工完成后光纤易产生裂缝,曲折时易折断;若加工处理过程当中光纤的瘦语不均匀,会增长二次加工的难度;物理加工受限于加工光纤的材料,例如加工石英光纤时由于石英较脆,在加工过程当中易碎裂,在工业临盆中须要推敲对加工对象的消耗,必定程度上增长了加工本钱。

4.2. 激光加工

激光加工办法应用了激光代替物理用具对光纤破坏。个中包含了激光划片、激光熔化切割与控制断裂等办法,完成对光纤的切割与打孔,聚焦的激光脉冲具有较高的峰值功率密度的能量,与透明介质例如光纤等相互感化时会出现多光子接收、等离子体激起、库伦爆炸、乃至粒子激起等特别景象 [8] 。例如李涛等 [13] 为了改良通体发光光纤正面发光不均匀的成绩,采取了飞秒激光微加工的办法对其停止加工身分商量,商量了激光功率和脉冲速度和扫描速度对切割端面的影响,从而进步了通体发光光纤的正面发光强度;漆宇等 [14] 应用激光打标法,设置不合功率组使得正面发光光纤逸散高度均匀。

图4所示,应用激光器输入必定能量密度的激光在通体发光光纤的包层外面上,在较大年夜能量密度下被加工的光纤会在该点产生一个破坏点。由激光加工产生的破坏区域会使经过该点的光产生散射,从正面的破坏点逸散出来,使得该点邻近的光强产生变更,经过设置若干不合的破坏点,完成通体发光光纤的正面发光均匀。

Figure 4. Laser processing of the fiber

图4. 激光加工光纤表示图

4.2.1. 激光加工的优势

应用激光加工时可以或许取得较好的切割质量,加工的切割精度可达到微米级别,瘦语相对物理接触式加工方法加倍滑腻平整。由于激光脉冲持续时间极短,峰值功率密度高,能量大年夜,是以激光加工可以精细地加工多种多类材料,且激光加工时脉冲能量与光纤反响时间较短,不会产生大年夜量热量,从而增添了加工过程当中由于温度太高对相邻区域光纤形成的毁伤。

激光加工过程当中激光器与光纤没有直接接触,是以加工过程对加工对象的消耗较小;激光加工产生的噪声较低,对加工情况请求不高,实用于不合实验场合;全部加工过程没有产生情况污染,并且更环保。

4.2.2. 激光加工的缺点

激光加工同物理加工方法类似,主如果经过过程对光纤包层停止破坏,会招致光纤外层产生决裂,从而延展性降低,降低了曲折程度,增长了光纤的二次加工的难度。激光加工的仪器价格广泛较高,大年夜幅度增长了加工本钱。对光纤的高频率快速加工轻易使得光纤外部热量的累计,招致光纤的应用寿命降低,且当激光功率过大年夜时,会使光纤边沿产生裂缝。须要根据加工光纤的型号调理不合的激光功率,操作较为费事。

4.3. 其他加工方法

除物理接触式加工和激光加工以外还有人提出一些其他加工方法。经过过程改变纤芯直径来控制散射光量,例如国际上有学者设计的一种变芯径法,经过过程改变纤芯直径以达到光偏离纤芯中轴线偏向而正面逸散 [15] ;经过过程改变光纤皮层材料并应用其物理化学性质的不合来控制正面发光功率,例如岛田胜彦等 [16] 在管理光纤正面逸散的能量消耗方面,控制光纤的皮层材料的结晶率以便达到幻想正面发光能量后果;经过过程加工光纤柱面进步光纤正面发光功率,例如江沛凡等 [17] 应用光纤正面拉锥技巧对光纤柱面停止加工,从而对光纤停止定性研究。这类光纤器件在移动通信设备、传感器设备、大年夜、中小型激光器中具有广泛的应用。

5. 现存加工方法的成绩

当今主流的两种物理接触式加工和激光加工办法由于其道理是基于光纤包层的破坏,固然能在必定程度上改良通体发光光纤的正面发光均匀性,但会使光纤的延展才能降低,使得光纤的应用艰苦。再如上文罗列的其他加工方法也能达到必定程度的正面发光均匀,但未能较好的停止量化加工光纤,没法完成精准、靠得住地对实用于人体特别患部的加工请求,且加工后的正面发光光纤发光均匀程度达不到医用请求,是以现有的加工光纤技巧未能很好的应用到医学治疗的部分范畴中。

6. 结论

通体发光光纤不合于浅显玻璃光纤最大年夜的特点就是光纤可以或许在正面必定区域内完成均匀发光,这是以后一实在验和研究环绕的中间,是决定应用前景的核心身分。经过过程对通体发光光纤停止加工,可以有效减缓部分影响正面发光均匀性的倒霉后果。由推算的实际模型可以看出,光在通体发光光纤中的光衰减,严格限制了通体发光光纤的长度和曲折程度,这对如许一个优良的照明设计的推行应用形成了妨碍。

是以面对不合的应用处景,定制相对应满足应用需求的正面发光系数 的通体发光光纤是相当重要的。因而出生了主流的加工方法:物理加工和激光加工,它们都对光纤的包层结构形成了弗成逆的破坏,使得正面的发光率在必定程度上增长,却让通体发光光纤掉去了较好延展性的特点。同时在国表里还有一些学者设计了一些独特的办法,以防止先条件到的缺乏。变芯径法是经过过程改变纤芯直径使得正面发光的强度改变,但照旧没有处理延展性变差的成绩。另外还有控制光纤皮层材料的结晶率以达到幻想正面发光的能量后果,这些办法都供给了异常好的思路,但仍有加工难度大年夜、不合适大年夜幅度曲折的情况出现。

在往后的临盆实际中,依然会碰到异样的成绩,但随着实际模型的逐步精确和现有加工方法的更新改进,新型的产品必定会进一步自我完美,走进更多范畴,完成通体发光光纤产品的普及与应用。

基金项目

国度级大年夜先生创新创业练习筹划项目(201710058041)。

NOTES

*通信作者。

文章援用:
曾嘉隽, 孔莉, 苏磊, 范贤成, 王烁, 何进杰, 董晓曦, 陈洪丽. 通体发光光纤发光均匀性商量[J]. 应用物理, 2019, 9(5): 287-293. https://doi.org/10.12677/APP.2019.95034

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