發(fā)布時間：2020-04-28所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要通體發(fā)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(diǎn)在于柔軟且能夠側(cè)面出光。利用通體發(fā)光光纖的這些發(fā)光特性，其被多用在生活照明、廣告宣傳、交通指示和醫(yī)學(xué)治療等多個領(lǐng)域。但隨著應(yīng)用范圍逐漸變大，現(xiàn)有的光纖結(jié)構(gòu)不再能滿足現(xiàn)實(shí)的
摘要通體發(fā)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(diǎn)在于柔軟且能夠側(cè)面出光。利用通體發(fā)光光纖的這些發(fā)光特性，其被多用在生活照明、廣告宣傳、交通指示和醫(yī)學(xué)治療等多個領(lǐng)域。但隨著應(yīng)用范圍逐漸變大，現(xiàn)有的光纖結(jié)構(gòu)不再能滿足現(xiàn)實(shí)的需要。但當(dāng)面臨應(yīng)用部位曲折，特別是光纖發(fā)生高度彎折后，該點(diǎn)處的側(cè)面發(fā)光光強(qiáng)會發(fā)生劇變，導(dǎo)致該點(diǎn)附近周圍的光強(qiáng)分布不再均勻，便不滿足了對均勻性的要求。為了改進(jìn)通體發(fā)光光纖的均勻性問題，需要對通體發(fā)光光纖進(jìn)行加工。本文對通體發(fā)光光纖的基本性能進(jìn)行了介紹，并且探究了為實(shí)現(xiàn)通體發(fā)光光纖發(fā)光均勻性的現(xiàn)存加工方式，并指出各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為進(jìn)一步應(yīng)用發(fā)展指明了方向。
關(guān)鍵詞通體發(fā)光光纖，側(cè)面發(fā)光，光纖加工
1.引言
隨著聚合物光纖(PolymerOpticalFiber,POF)自20世紀(jì)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(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，得到了相關(guān)專業(yè)人士的理論研究和應(yīng)用研究[1]。但隨著時代發(fā)展，行業(yè)對光纖的需求日益多樣化，不僅限于通信傳輸?shù)男枰瑢酆衔锕饫w的應(yīng)用開始普及至其他領(lǐng)域。
通體發(fā)光光纖，是POF光纖的一種應(yīng)用方向，興起于20世紀(jì)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(jìn)行傳輸，而且形成光纖側(cè)面發(fā)光的現(xiàn)象。通體發(fā)光光纖有優(yōu)良的發(fā)光特性，在生活照明、廣告宣傳和醫(yī)學(xué)治療等方面均有廣泛的應(yīng)用[2]。其中照明方面已經(jīng)有成熟的應(yīng)用，由于通體發(fā)光光纖有較長的使用壽命、POF本身不帶電、色彩連續(xù)、易于塑形、安全與節(jié)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(nèi)照明等使用場景[3]。在工程領(lǐng)域，通體發(fā)光光纖被用作光纖傳感器，用于位移測量。其利用通體發(fā)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(fā)光光纖的水平位移測距[4]。還有被用于醫(yī)學(xué)口腔科的治療[5]。
隨著應(yīng)用逐漸變廣，實(shí)際應(yīng)用的情況對通體發(fā)光光纖提出了更高的要求。雖然通體發(fā)光光纖相對比較柔軟，但當(dāng)面臨應(yīng)用部位彎曲程度高，光纖發(fā)生高度彎折后，該點(diǎn)處的側(cè)面發(fā)光光強(qiáng)會發(fā)生劇變，導(dǎo)致該點(diǎn)附近周圍的光強(qiáng)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(fā)光光纖側(cè)面發(fā)光光強(qiáng)更加均勻，需要對通體發(fā)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(jié)構(gòu)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(xiàn)存的加工方式仍然限制了通體發(fā)光光纖的部分應(yīng)用，對于通體發(fā)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(fā)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(jìn)行討論，以期為進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用指明方向。
2.基本介紹
2.1.通體發(fā)光光纖的分類
通體普通光纖依據(jù)纖芯折射率徑向分布等特點(diǎn)，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(fā)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(cè)面光纖在醫(yī)療、照明等應(yīng)用領(lǐng)域中有廣泛的運(yùn)用，為了保證在環(huán)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(fā)光光纖使用壽命，通常，在合適的環(huán)境中，通體發(fā)光光纖使用壽命長達(dá)10年。
依據(jù)通體發(fā)光光纖內(nèi)層的光纖的數(shù)量，可分為單芯的通體發(fā)光光纖、多芯的通體發(fā)光光纖兩類[9]。單芯通體發(fā)光光纖又被叫作粗芯通體發(fā)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(fā)光光纖中所有的模式在傳播過程中的全反射均發(fā)生在纖芯和包層的界面上方，當(dāng)光纖中所有模式被激發(fā)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(yōu)點(diǎn)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(cè)面發(fā)光光纖的10倍左右。多芯的通體發(fā)光光纖是由多股小光纖加捻，每根光纖都有規(guī)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(cè)面發(fā)光功率。
依據(jù)通體發(fā)光光纖芯材的材料，有兩種類型：固態(tài)實(shí)芯和液態(tài)芯[9]。固態(tài)芯的通體發(fā)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(tài)芯通體發(fā)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(yōu)點(diǎn)，但是制造工藝較麻煩，只能定制。
2.2.通體發(fā)光光纖的傳光特性
側(cè)面發(fā)光是通體發(fā)光光纖的最明顯且重要的一個特點(diǎn)。由JanisSpigulis等人[10]的計算，通體發(fā)光光纖的側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度是隨著光纖長度的增加而進(jìn)行的負(fù)指數(shù)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(shù)K和初光量I0和距離x有關(guān)的冪指數(shù)呈現(xiàn)衰減的趨勢。通體發(fā)光光纖在其光纖位置x處的發(fā)光光強(qiáng)sx()I可表示成如下公式：
3.通體光纖在應(yīng)用中的難題
由于通體發(fā)光光纖有著良好的發(fā)光特性，因此在醫(yī)學(xué)工程和其他領(lǐng)域具有較廣泛的應(yīng)用。通體發(fā)光光纖發(fā)光功率與其長度呈指數(shù)衰減關(guān)系，隨著光纖長度的增加光纖的發(fā)光功率衰減嚴(yán)重，同時因通體發(fā)光光纖延展性較低，導(dǎo)致當(dāng)光纖彎曲程度過大時，會出現(xiàn)光從彎折處大量逸散的情況，從而使得整體發(fā)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(jìn)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(dǎo)致后端發(fā)光強(qiáng)度很弱甚至?xí)l(fā)生折斷的現(xiàn)象[2]，使得相應(yīng)醫(yī)療儀器的制作難度與成本上升;而在將通體發(fā)光光線編織進(jìn)織物，利用織物表面發(fā)光而進(jìn)行激光治療時，由于光衰減的原因，織物發(fā)光時會出現(xiàn)發(fā)光不均勻的現(xiàn)象，且導(dǎo)致通體發(fā)光光纖末端發(fā)光功率過低，無法達(dá)到治療的目的，而在實(shí)際的制作與應(yīng)用中因需保證發(fā)光效果，使得在進(jìn)行相關(guān)醫(yī)療儀器的設(shè)計與制備中，對光纖長度的要求較為嚴(yán)格。因此對于通體光纖加工方式的探究極其重要。
4.現(xiàn)存加工方法的介紹
在實(shí)際應(yīng)用中，一般限制通體發(fā)光光纖的使用長度和彎曲程度來達(dá)到側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到一定的均勻性。在發(fā)光均勻性的應(yīng)用需求下，現(xiàn)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(zhì)上都是對光纖包層進(jìn)行了不可逆的破壞，從而使其側(cè)面發(fā)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(jìn)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(shè)置兩個相同功率的光源在通體發(fā)光光纖的兩端，或者一個全反射鏡設(shè)置在一端，使得通體發(fā)光光纖整體發(fā)光強(qiáng)度可以達(dá)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(xué)物質(zhì)對光纖包層進(jìn)行腐蝕，破壞光纖包層使得光纖的側(cè)發(fā)光強(qiáng)度增加;使用光滑的砂紙對通體發(fā)光光纖包層進(jìn)行研磨拋光等，改變光纖外層包層厚度，從而增加側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度;對光纖的局部區(qū)域進(jìn)行一定的加熱，從而改變光纖的結(jié)構(gòu)增加光纖側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度，從而達(dá)到均勻性要求。
4.1.1.物理接觸式加工的優(yōu)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(qū)域產(chǎn)生破壞，無太多加工后的不可控量。例如嚴(yán)璐等[12]利用輪式側(cè)邊拋磨法制作側(cè)邊拋磨光纖，研究了拋磨深、拋磨的長度與波長相關(guān)損耗等的關(guān)系，從而改善加工處的側(cè)面發(fā)光光強(qiáng)而不影響未加工區(qū)域。
4.1.2.物理接觸式加工的缺點(diǎn)
物理接觸式加工精度較差，且加工數(shù)據(jù)不易量化，易產(chǎn)生較大的誤差，加工完成后光纖易產(chǎn)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(yè)生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)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(zhì)例如光纖等相互作用時會出現(xiàn)多光子吸收、等離子體激發(fā)、庫倫爆炸、乃至粒子激發(fā)等特殊現(xiàn)象[8]。例如李濤等[13]為了改善通體發(fā)光光纖側(cè)面發(fā)光不均勻的問題，采用了飛秒激光微加工的方法對其進(jìn)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(fā)光光纖的側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度;漆宇等[14]利用激光打標(biāo)法，設(shè)置不同功率組使得側(cè)面發(fā)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(fā)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(diǎn)產(chǎn)生一個破壞點(diǎn)。由激光加工產(chǎn)生的破壞區(qū)域會使經(jīng)過該點(diǎn)的光發(fā)生散射，從側(cè)面的破壞點(diǎn)逸散出來，使得該點(diǎn)附近的光強(qiáng)發(fā)生變化，經(jīng)過設(shè)置若干不同的破壞點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通體發(fā)光光纖的側(cè)面發(fā)光均勻。
4.2.1.激光加工的優(yōu)勢
使用激光加工時能夠獲得較好的切割質(zhì)量，加工的切割精度可達(dá)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(xù)時間極短，峰值功率密度高，能量大，因此激光加工可以精細(xì)地加工多種多類材料，且激光加工時脈沖能量與光纖反應(yīng)時間較短，不會產(chǎn)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(qū)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(chǎn)生的噪聲較低，對加工環(huán)境要求不高，適用于不同實(shí)驗場合;整個加工過程沒有產(chǎn)生環(huán)境污染，而且更環(huán)保。
4.2.2.激光加工的缺點(diǎn)
激光加工同物理加工方式相似，主要是通過對光纖包層進(jìn)行破壞，會導(dǎo)致光纖外層產(chǎn)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(nèi)部熱量的累計，導(dǎo)致光纖的使用壽命降低，且當(dāng)激光功率過大時，會使光纖邊緣產(chǎn)生裂痕。需要根據(jù)加工光纖的型號調(diào)節(jié)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(xué)者設(shè)計的一種變芯徑法，通過改變纖芯直徑以達(dá)到光偏離纖芯中軸線方向而側(cè)面逸散[15];通過改變光纖皮層材料并利用其物理化學(xué)性質(zhì)的不同來控制側(cè)面發(fā)光功率，例如島田勝彥等[16]在管理光纖側(cè)面逸散的能量損耗方面，控制光纖的皮層材料的結(jié)晶率以便達(dá)到理想側(cè)面發(fā)光能量效果;通過加工光纖柱面提高光纖側(cè)面發(fā)光功率，例如江沛凡等[17]利用光纖側(cè)面拉錐技術(shù)對光纖柱面進(jìn)行加工，從而對光纖進(jìn)行定性研究。這種光纖器件在移動通信設(shè)備、傳感器設(shè)備、大、中小型激光器中具有廣泛的應(yīng)用。
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