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電氣工程塑料光纖傳光原理
瀏覽131次2017-03-16 16:01

  光纖自身不能發(fā)光,但光纖可以傳光,用于照明;光纖照明所選用的光纖,按照光纖材質(zhì)的不同,通常可分為石英光纖、多組分玻璃光纖和塑料光纖POF等,本文主要介紹POF的傳光原理,其它的光纖傳光原理同POF的傳光原理是一致的。

  人們很早就觀察到光在透明柱體中通過(guò)多次全反射向前傳播的現(xiàn)象,他們就是古代的玻璃吹制藝人。而首次科學(xué)闡述這一現(xiàn)象的,卻是英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的約翰·丁達(dá)爾向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)演示了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn),他當(dāng)時(shí)用一只盛滿水的器皿,讓水從器皿的側(cè)孔中流出,這時(shí)投射在水中的光也隨著水流傳導(dǎo)出來(lái)。

  1880年,威廉·惠勒(William Wheeler)提出“管道照明”的設(shè)想,并獲得美國(guó)專利,這是有案可查的最早的“遙控照明”裝置,其基本原理是:用內(nèi)壁涂有反射層的管子把中心光源的光象自來(lái)水一樣引至若干個(gè)需要照明的地點(diǎn), 這實(shí)際上是光纖用于照明的雛形,光纖照明系統(tǒng)簡(jiǎn)單地就可以看作是和上述的“管道系統(tǒng)”相類似的一個(gè)系統(tǒng),在這個(gè)系統(tǒng)中,所傳輸?shù)慕橘|(zhì)是光,而用以傳輸光的“管道”就是光纖,光纖可以把光線從光源處傳輸至需要照明的特定區(qū)域。1954年,《自然》雜志發(fā)表了Hopkin’s 和Kapany成功地用一束10,000到20,000 的纖維來(lái)傳輸圖像的文章,Van Heel發(fā)現(xiàn)低折射率光纖包層的作用,纖維的圖像傳輸?shù)某晒?shí)現(xiàn)和光纖包層的提出這兩個(gè)進(jìn)步標(biāo)志著光導(dǎo)纖維作為一個(gè)新興學(xué)科的誕生, 1966年,英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所英籍華裔科學(xué)家高錕(K.C.Kao)博士和G.A.Hockham 在詳細(xì)研究了玻璃的傳輸損耗后,撰寫的文章《用于光頻的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》發(fā)表在倫敦電氣工程師協(xié)會(huì)(IEE)會(huì)刊上,他們從理論上指出:如果減少或消除光導(dǎo)纖維中的有害雜質(zhì)如過(guò)渡金屬離子,可大大降低光纖傳輸損耗, 提高光纖的傳光能力,從而推動(dòng)了光纖制造工藝的研究。美國(guó)杜邦DuPont公司亦在這一年向市場(chǎng)推出了世界上第一根POF[1],POF就是光纖的一種,而光纖用于光纖照明的基本原理是利用光線在不同折射率介質(zhì)的界面發(fā)生全反射,實(shí)現(xiàn)光在光纖中的高效傳輸以及光纖與光源的充分耦合,并通過(guò)與各種光學(xué)元件的組合,達(dá)到需要的照明效果,為了解光在光纖中的傳輸方式,現(xiàn)介紹子午光線在POF中的傳輸特性。

  2. 光的基礎(chǔ)知識(shí)

  光是通過(guò)光源內(nèi)大量的分子或原子振動(dòng)而產(chǎn)生的輻射。1894年,麥克斯韋從理論上指出,光是一種電磁波,1905年愛(ài)因斯坦提出光是一粒一粒的粒子流,每個(gè)粒子可被稱為光子。也就是說(shuō)光既具有粒子性,又具有波動(dòng)性,光在傳播時(shí)表現(xiàn)為波動(dòng)性,而與物質(zhì)作用時(shí)又表現(xiàn)為粒子性。通常我們所說(shuō)的光是電磁波的一種,它通常由紫外光、可見(jiàn)光和近紅外光組成,其中1-390nm 波段的光為紫外光UV,波長(zhǎng)為280-300nm波段為UV-B,它的強(qiáng)光可以殺死或嚴(yán)重?fù)p傷地球上的生物;200-280um波段為UV-C,它的強(qiáng)光可以殺死地球上一切生物,包括人類, 比紫外光頻率更高的還有X光和γ射線等; 390-760nm波段的光為可見(jiàn)光;波長(zhǎng)在760-1500nm為近紅外光,中紅外波段波長(zhǎng)范圍為1.5-25μm,遠(yuǎn)紅外光譜波長(zhǎng)范圍25-300μm,比遠(yuǎn)紅外光頻率更小或波長(zhǎng)更長(zhǎng)的有毫米波、微波、短波、中波和長(zhǎng)波等。而可見(jiàn)光又是由七色光組成的,即可見(jiàn)光含有紅色光、橙色光、黃色光、綠色光、藍(lán)色光和靛青光等色光[2]:?

  紫色/nm 靛青/nm 藍(lán)色/nm 綠色/nm 黃色/nm 橙色/nm 紅色/nm

  390-430 430-450 450-500 500-570 570-600 600-630 630-760

  國(guó)際照明委員會(huì)統(tǒng)一規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)是:選水銀光譜中波長(zhǎng)為700nm的紅光為紅基色光, 波長(zhǎng)為546.1nm的綠光為綠基色光, 波長(zhǎng)為435.8nm的藍(lán)光為藍(lán)基色光。常規(guī)POF一般在紫外光波段并沒(méi)有很好的透光性,而石英光纖和特制的液芯光纖在這一區(qū)域有很好的透光率,POF在可見(jiàn)光區(qū)域有很好的透光率,由POF芯材選用氟化和氘化聚合物材料制備的POF在近紅外光區(qū)域才有很好的透光率。

  光在真空中的傳播速度C為3×108m/s,光的傳輸波長(zhǎng)λ,頻率f和光速C之間關(guān)系參見(jiàn)如下公式:

  C=fλ…………………… (1)

  其中f的單位為赫茲Hz或1/秒(s),波長(zhǎng)的單位為米 (m)。

  只有真空的折射率n為1.0,故光在任一傳輸介質(zhì)的傳播速度V是光速除以該介質(zhì)的折射率,即:

  光在真空中的傳播速度是最快的,傳輸介質(zhì)不同,其折射率不同,傳光速度也不同。相對(duì)而言,折射率大的傳輸介質(zhì)是光密介質(zhì),折射率小的傳輸介質(zhì)是光疏介質(zhì),對(duì)于POF而言,POF芯材為光密介質(zhì),POF皮材為光疏介質(zhì),由于光在光密媒介-芯材中的傳播速度會(huì)降低,故光在芯材中的傳輸速度慢于皮材中的傳輸速度;在空氣中,由于n≈1,光波的傳播速度接近于真空中的傳播速度C;純PMMA的折射率為1.49,故光在其中的傳輸速度約為2.01×108m/s。

  光在均勻媒質(zhì)或不均勻媒質(zhì)中傳輸時(shí),滿足費(fèi)瑪(Fermat) 原理,即光從空間一點(diǎn)到另一點(diǎn)是沿著時(shí)間為極值的路程而傳播的,即光沿著光程為最小或最大或恒量的路徑傳播。

  3. 幾何光學(xué)理論

  要了解POF傳光原理,必須了解一些幾何光學(xué)的知識(shí)。

  首先光學(xué)分為幾何光學(xué)和物理光學(xué),幾何光學(xué)是研究光在均勻介質(zhì)中的傳播特性,通常采用直線來(lái)描述,它是研究光在介質(zhì)中傳播的基礎(chǔ)光學(xué)理論。物理光學(xué)又分為波動(dòng)光學(xué)和量子光學(xué),波動(dòng)光學(xué)認(rèn)為光是一種電磁波,但它不能解釋光的微觀現(xiàn)象;量子理論認(rèn)為光的能量不是連續(xù)分布的,光是一粒粒運(yùn)動(dòng)著的光子組成,每個(gè)光子具有確定的能量。幾何光學(xué)理論的四大基本定律為:

  3.1 光的直線傳播定律:在各向同性的均勻介質(zhì)中,光是沿直線傳播的。

  3.2 光的獨(dú)立傳播定律:不同光源發(fā)出的光線從不同方向通過(guò)某點(diǎn)時(shí),彼此不影響,各光線的傳播不受其它光線影響。

  3.3 光的反射定律:當(dāng)一束光投射到某一介質(zhì)光滑表面時(shí),保存一部分光反射回原來(lái)的介質(zhì),這一光線稱為反射光線,反射光線、入射光線和法線位由于同一平面內(nèi),入射線同法線組成的角稱為入射角,反射光線同法線組成的角稱為反射角,反射角等于入射角,即θ1=θ3, 其絕對(duì)值相等,這就是反射定律。

  3.4 光的折射定律:當(dāng)一束光投射到某一介質(zhì)光滑表面時(shí)除了有一部分光發(fā)生反射外,還有一部分光通過(guò)介質(zhì)分界面入射進(jìn)第二傳輸介質(zhì)中,這一部分光線稱為折射光線,折射光線和入射光線分別位于法線的兩側(cè),折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)。折射光線同法線組成的角稱為折射角,入射角的正弦值同折射角正弦值的比值為一恒定值,這就是折射定律。需要指出的是采用幾何光學(xué)分析光在某一研究對(duì)象中的傳輸特性時(shí),這一研究對(duì)象的幾何尺寸必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng),這樣才能忽略波長(zhǎng)的長(zhǎng)度,否則就必須采用物理光學(xué)分析光在研究對(duì)象中的傳輸特性。也即是光纖纖芯直徑是所傳播光波長(zhǎng)的幾十倍或幾百倍時(shí),其傳播現(xiàn)象就可用幾何光學(xué)而不用波動(dòng)光學(xué)來(lái)研究。

  4. 子午光線在階躍型POF中的傳輸

  ? 階躍型POF是一種具有芯皮結(jié)構(gòu)的光纖。

  子午平面指的是包含有光纖軸的平面,所謂子午線,就是光線的傳播路徑始終在同一平面內(nèi),子午光線總是和光纖軸相交的,光在一種均勻介質(zhì)傳播時(shí)是一種直線式傳播:當(dāng)光從一種介質(zhì)傳至另一介質(zhì)表面時(shí),一般同時(shí)發(fā)生反射和折射;如果光從折射率小的光疏介質(zhì)射入折射率大的光密介質(zhì)時(shí),則折射角小于入射角;而當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)折射角將大于入射角,因而當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)就有可能出現(xiàn)只有反射而無(wú)折射的現(xiàn)象,這就是全反射,全反射是光折射的一種邊界效應(yīng),即光從一種透明介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)里而發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。POF就是通過(guò)全反射原理進(jìn)行光傳輸?shù)摹?/p>

  ? 由折射定律公式可得出:

  n1sinθ1=n2sinθ2 (4)

  這里n1、n2分為芯皮折射率,θ1、θ2分為入射角和折射角,設(shè)發(fā)生全反射的臨界角為θm,此時(shí)θ2=90°,故而

  當(dāng)入射角θ1>θm時(shí),則光在芯皮界面上發(fā)生全反射,而當(dāng)入射角θ1<θm時(shí),則光在芯皮表面上出現(xiàn)折射,有一部分光從芯材泄漏至皮層外。由全反射臨界角同樣可推出光纖截面臨界入射光纖角θ0,在空氣和光纖截面界面上,同樣有:

  n0sinθ0 = n1sin (90°—θm)

  = n1cosθm

  其中,n0為空氣折射率,設(shè)定其值同于真空折射率值1.0 即 n0=1.0,因而

  ? 即外界光入射角θ小于θ0時(shí),光線才能在光纖中以全反射的形式向前傳播,從光纖一端傳至光纖另一端,所以,光纖臨界接受角為:

  故光在SI POF光纖的傳輸方式為全反射式鋸齒型。

  光纖數(shù)值孔徑是光纖一個(gè)重要指標(biāo)之一,NA值越大,則θ0越大,光纖臨界入射角越大,則光纖端面接受光或發(fā)射光角度越大,光纖的集光能力愈強(qiáng),愈便于光纖同光纖連接或同光源耦合。常規(guī)POF的光纖數(shù)值孔徑參見(jiàn)如下表。

  ? 表 常規(guī)POF的光纖數(shù)值孔徑參

  ? POF    PS芯POF PMMA芯POF PC芯POF(ESK-PH) 側(cè)面發(fā)光POF

  芯材折射率 1.59   1.495    ? 1.59     ?1.475

  皮材折射率 1.49   1.402     1.31      1.34

  ? 數(shù)值孔徑NA 0.55   0.5      0.9     ? 0.65

  最大入射角或發(fā)射光角度/度 67  60     ? 128       75

  5. 子午線在階躍型光纖中的幾何行程和反射次數(shù)

  由于子午光線入射光纖中并不是同一角度,故而其在光纖中的幾何行程也不相同。無(wú)論是子午線在光線中的行程計(jì)算公式還是反射次數(shù)計(jì)算公式,都是假定光纖是處于非常理想狀態(tài)下:光纖非常直,光纖直徑均勻,光纖內(nèi)部無(wú)缺陷和光纖入射端面平直等,倘若光纖不在這一理想條件下,則入射子午線全反射的狀況就會(huì)發(fā)生變化,如有的會(huì)從光纖中反射出,有的反射角會(huì)發(fā)生變化等,因此光纖的傳輸損耗也會(huì)增加。

  6. 斜光線在階躍型折射率POF中的傳輸

  所謂斜面光線,就是光在光纖中傳輸中時(shí),并不是像子午光線一樣保證在同一平面內(nèi),它在光纖中傳輸時(shí),其軌道通常是一空間螺旋曲線,其最大入射角比子午線的大,但通常以子午線傳輸表征光纖的傳輸特性,自然這是最理想的一種狀況。

  7. 光在漸變型折射率分布POF中的傳輸

  ? 對(duì)于漸變型折射率GI POF,同樣有子午線和斜光纖,這種光纖折射率并不是一恒定常數(shù),而是隨著離軸距離的增加而折射率下降,其漸變折射分布圖參見(jiàn)如下;拋物線型折射率分布光纖具有較小的模式色散的特點(diǎn),漸變折射分布有多種形式,當(dāng)折射率分布按二次方拋物線分布時(shí),子午線在光纖中的傳播路徑為正弦曲線型,參見(jiàn)下圖,斜光纖的傳播路徑為螺旋曲線,漸變型折射率POF多用于短距離數(shù)據(jù)傳輸,用于光纖照明較少。

  ? 這種光纖傳輸?shù)募す饽芰糠植冀咏麲auss分布,即在光纖軸附近具有更高的光能量密度,也就是說(shuō)激光能量更為集中,其傳輸?shù)募す夤β拭芏?或稱激光強(qiáng)度)I可認(rèn)為與纖芯直徑α的平方成正比。若保持光纖傳輸?shù)募す夤β什蛔兊脑?,減小光纖芯徑即減小傳輸激光能量的光纖纖芯的橫截面面積,則光纖傳輸?shù)募す夤β拭芏葘⒃黾覽5],當(dāng)光在這種GI POF傳輸時(shí),可以說(shuō)是一種極低能量的傳輸,亦滿足如上所述的公式。

  8.側(cè)面發(fā)光POF的傳光原理

  側(cè)面發(fā)光POF是指光在光纖傳輸過(guò)程中,不僅將傳輸光從光纖的入射端面?zhèn)鬏斨脸錾涠嗣?,而且還有一部分光從光纖包覆層透射出來(lái),從而形成光纖側(cè)面發(fā)光的現(xiàn)象,這種光纖被稱為側(cè)面發(fā)光POF,其傳光示意圖如下,其實(shí)質(zhì)是傳輸光有一部分從光纖側(cè)面泄漏出,是一種光散射的結(jié)果,對(duì)于單芯側(cè)面發(fā)光POF多是由非固有損耗產(chǎn)生的,而對(duì)于多芯側(cè)面發(fā)光POF則是由于彎曲損耗產(chǎn)生的。

  ? 側(cè)面發(fā)光POF最顯著的特征是側(cè)面發(fā)光,據(jù)Janis Spigulis等人[5].推算,側(cè)面發(fā)光POF的側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度是隨其長(zhǎng)度的增加而呈指數(shù)性下降的,同于普通光纖光傳輸方向的發(fā)光強(qiáng)度是隨其傳輸長(zhǎng)度的增加呈指數(shù)下降,在作出如下假定后而得出的結(jié)論:

  8.1 側(cè)面發(fā)光的原理僅被認(rèn)為是由于光纖芯傳輸輻射引起的。

  8.2 所有最初的側(cè)面散射光沒(méi)有損耗穿透光纖圓形表面,其結(jié)果是均勻地傳輸至光纖外表面。

  側(cè)面發(fā)光POF在長(zhǎng)度為X米處的發(fā)光強(qiáng)度Is(x)可用如下公式表示:

  Is(x)=Aexp(-kx) (24)

  其中 K為側(cè)面發(fā)光系數(shù),單位m-1,常數(shù)A可用如下式表示:

  A=(4π)-1I。(expk-1) (25)

  其中I。是側(cè)面發(fā)光POF光輸入強(qiáng)度。

  因此在實(shí)際使用過(guò)程中,為保證側(cè)面發(fā)光POF側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度的均勻性,通常限制側(cè)面發(fā)光POF的使用長(zhǎng)度,并且在側(cè)面發(fā)光POF的兩端皆設(shè)置相同功率的光源或者一端設(shè)置全反射鏡或反光膜,當(dāng)然前者在更長(zhǎng)的使用長(zhǎng)度上保證光纖側(cè)面發(fā)光的均勻性,選用雙光源的側(cè)面發(fā)光POF在某一處的發(fā)光強(qiáng)度IS2(x)可用如下公式(26)計(jì)算。

  IS2(x)=A{exp(-kx)+exp[-k(L-x)]} (26)

  其中L為側(cè)面發(fā)光POF總長(zhǎng)度。

  選用全反射鏡計(jì)算的側(cè)面發(fā)光POF強(qiáng)度可用如下公式計(jì)算, 側(cè)面發(fā)光POF的發(fā)光強(qiáng)度和距離的關(guān)系參見(jiàn)如下圖。

  ISR(x)=A{exp(-kx)+Rexp[-k(2L-x)]} ………(26)

  其中R為鏡面反射率。

  因存在光傳輸損耗,側(cè)面發(fā)光的亮度將隨著與光源距離的增大而減小,為使光纖單位長(zhǎng)度內(nèi)的亮度接近一致,可對(duì)單端光源的光纖按長(zhǎng)度進(jìn)行刻痕處理,隨光纖長(zhǎng)度遞增,刻痕間距遞減。在實(shí)際使用過(guò)程中,當(dāng)側(cè)面發(fā)光POF的使用長(zhǎng)度在30m以下時(shí),多配用一臺(tái)150W金鹵燈光源,另端配用反光鏡或反光膜;當(dāng)側(cè)面發(fā)光POF的使用長(zhǎng)度在30~60m之間時(shí),多配用兩臺(tái)150W金鹵燈光源,以保證側(cè)面發(fā)光POF的側(cè)面發(fā)光的均勻性,下圖為實(shí)測(cè)三根直徑為14mm的側(cè)面發(fā)光POF側(cè)面光照度示意圖,可以看出當(dāng)選用一臺(tái)150W金鹵燈光源時(shí),1.5m處POF側(cè)光照度為800lx左右,而60m處的照度不到20lx,照度計(jì)測(cè)試時(shí)離光纖的表面距離為2.5cm。

  9.熒光POF的傳光原理

  熒光POF就是在POF芯材中摻入一定量的熒光劑制備而成的POF,這種POF經(jīng)過(guò)特定波長(zhǎng)的光照射后,將發(fā)出特定波長(zhǎng)的光,其原理比較復(fù)雜,可簡(jiǎn)單認(rèn)為基態(tài)分子中成鍵電子吸收光后激發(fā),然后單線態(tài)分子返回到基態(tài),即發(fā)出熒光。熒光POF 按折射率分布結(jié)構(gòu)分類,可分為熒光SI POF 和熒光GI POF,摻雜有機(jī)染料的POFA最重要特性是在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供高功率輸出。熒光POF的傳光原理示意圖如下,它滿足一般的SI 型光纖的傳光特性,但入射光的波長(zhǎng)不同于出射光的波長(zhǎng)。

  熒光POF還有另一種傳光方式,這就是入射光可從側(cè)面照射熒光POF,出射光從光纖兩端面出射,當(dāng)然入射光的波長(zhǎng)不同于出射光的傳輸波長(zhǎng)。

  熒光材料的光特性主要依賴于基質(zhì)材料,熒光POF增益放大特性同泵浦波長(zhǎng)、熒光POF長(zhǎng)度及所用摻雜劑和濃度有關(guān)。所謂增益G是指POF輸出信號(hào)光功率Pout與輸入光功率Pin之間的一種比值。

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