1、,5.1 引言 5.2 变折射率光纤棒的成像理论 5.3 变折射率光纤棒的制造 5.4 变折射率光纤棒的应用 5.5 折射率光纤棒的像差 5.6 红外光纤 5.7 塑料光纤 5.8紫外光纤 5.9增敏和去敏光纤 5.10镀金属光纤,第5章 特种光纤,光电工程学院,5.1 引言 自聚焦光纤 红外光纤 塑料光纤 紫外光纤 增敏和去敏光纤 镀金属光纤,光电工程学院,5.2.1 折射率分布,5.2 变折射率光纤棒的成像理论,光电工程学院,利用自聚焦特性制成的光纤棒，称为自聚焦透镜。,光电工程学院,对于近轴子午光线，射线方程可简化为：,对平方律分布，有,5.2.2 光纤棒中光线的轨迹,光电工程学院,设z
2、=0时，r=r0，dr/dz=r0上式的解为,光电工程学院,光电工程学院,自聚焦透镜的光线方程,光电工程学院,5.2.3 自聚集透镜成像特性,自聚焦透镜的光学特性,光电工程学院,自聚焦透镜的光学成像公式,光电工程学院,光电工程学院,光电工程学院,证明：1）平行光入射，且与光轴平行距离x0 则路径方程为,光电工程学院,1.普通透镜,2.自聚焦透镜,ZP/4,Z=P/4,光电工程学院,光电工程学院,光电工程学院,自聚焦透镜作图的基本规范,平行光线入射，在透镜内部的轨迹是余弦曲线。 过光纤芯轴入射，在透镜内部的轨迹是正弦曲线。 在入射端，入射光线进入透镜时，在透镜端面满足折射定律，即进入透镜前与进入
3、透镜后的角度不同。 在出射端，出射光线射出透镜时，在透镜端面满足折射定律，即出射透镜前与出射透镜后的角度不同。,光电工程学院,光电工程学院,自聚焦透镜作图评判标准,各个透镜长短是否一致 入射线和出射线方向，即是否有箭头 透镜入射端面和出射端面光线方向是否正确 像的位置是否正确 像的大小是否正确 像的虚实 光线轨迹,光电工程学院,5.3变折射率光纤棒的制造,目前制造变折射率光纤棒的方法有多种，但以离子交换法较成熟，其余方法目前尚无实用价值。例如，中子辐射法，其主要困难是需用大量中子才能产生折射率的变化，而折射率梯度会随时间变化;化学气相沉积(CVD)法，困难是不易获得大尺寸的样品等。下面只简单介
4、绍离子交换法。,光电工程学院,5.4变折射率光纤棒的应用,1.耦合器,光电工程学院,2.分波合波器,光电工程学院,3.聚光镜,光电工程学院,5.5折射率光纤棒的像差,均匀媒质单透镜像差的曲线,伍德透镜像差的曲线,光电工程学院,5.6.红 外 光 纤,红外光纤：主要是指可用于近红外和中红外波段传输光能量，尤其是传输大功率光能量的光纤。 红外光纤分类：玻璃红外光纤晶体红外光纤空芯红外光纤：金属波导、电介质波导和混合型波导,光电工程学院,制造前两类光纤主要有两大困难: 材料和工艺,为满足制造低损耗红外光纤的要求，对材料的要求是：散射损耗小；材料色散小，可选择工作波长近于零色散的位置；杂质(过渡族金属
5、和OH基)的吸收损耗小；材料结构稳定。,光电工程学院,目前用于制造红外光纤的材料主要有:,红外玻璃，主要是氧化物玻璃和硫化物玻璃，其成分为:GeO-SbO，TeO-ZnO-BaOi As-S，Ge-Se，Ge-Se-Te； 多晶材料，主要是重金属卤化物晶体，其成分为KRS-5，即TlBr-Tl，CsBr，KCL，Ag-Br-AgCL； 单晶材料，例如AgBr，CsI等。,光电工程学院,红外光纤的制备方法,制备多晶光纤的方法：挤压法和滚压法； 制备单晶光纤的方法：激光加热小基座法(HPG法)、区熔法、引上法、引下法和Stepanov法等，但目前还没有一种公认为良好的工艺方法。 目前晶体红外光纤的
6、制作水平是:芯壳结构卤化钾多晶光纤的，损耗为0.ldB/m，传输功率约 1OOW；Csl单晶光纤的损耗为0.3dB/m；KRS-5多晶光纤的传输能量密度达5OkW/cm2等。,光电工程学院,红外空芯光纤,红外空芯光纤是以空气为纤芯优点(和其他两类红外光纤相比)： 可传输更大的光功率(激光损坏阀值高)， 稳定性好， 耦合效率高(端面无反射)； 红外透光范围更宽。 传输CO2激光的红外空芯波导始于1974年。,光电工程学院,红外空芯光纤种类,金属(圆形和矩形)波导它利用金属表面的高反射率传输红外光，材料为铝、金、银、铜等。据报导，铝质矩形波导的最低损耗为0.18dB/m(直接传输效率为90%/m)
7、，最大连续输出功率为 960W，脉冲功率可达lMW。 电介质(金属内衬一层电介质)波导它利用电介质的镜面高反射(电介质材料折射率n1)或全内反射(电介质材料折射率n1)传输红外光。前者应选择吸收系数小的材料，如硫化物玻璃等；后者则应选择反常色散区在欲传输波段的材料，如GeO2，和蓝宝石(Al2O3)用于传输CO2，的 10.6um激光。 混合型波导 为减少反射损耗，可在金属波导表面喷镀一层电介质材料，例如 Ag-ZnSe结构空芯光纤，光纤直传损耗为013dB/m，光纤弯曲时(半径5Ocm)损耗为 1OdB/m，光纤直径为15mm。,光电工程学院,5.7塑料光纤,定义 塑料光纤是以光学塑料为材料
8、的一类重要的光学纤维。,光电工程学院,塑料光纤的优点,质量小 光学塑料的密度一般是0831.50g/cm2，为玻璃密度的 1/21/3。这在导弹、人造卫星的制造和宇宙航行中有重要的应用。 韧性好 抗冲击强度好，柔软性能好，直径2mm时仍可自由弯曲而不断裂；而玻璃光学纤维直径大于50件m就不能弯曲。 对不可见光波透过性能好 光学塑料在可见光和近红外波段的透过性能比光学玻璃稍差，在远红外和紫外波段，透过率可以大于50，比光学玻璃好。 成本低，工艺简便。,光电工程学院,塑料光学纤维主要缺点,耐热性能差。一般只能在-40C8OC的温度范围内使用，只有少数塑料光学纤维可在2OOC附近工作。当温度低于-4
9、0C时，塑料光学纤维将变硬，变脆。由于塑料熔点低，因而比玻璃易老化。 抗化学腐蚀和表面磨损性能比玻璃差。在丙酮、醋酸乙酯或苯的作用下，光学性能会受到很大影响，表面易被划伤，影响光学质量。 易潮解。,光电工程学院,选择塑料光纤的材料,选择塑料光纤的材料时，主要应考虑透过性能和折射率。特别是芯料应采取光学均匀、折射率较高的光学塑料，而且要有较好的透过性能。光学塑料的折射率与塑料的化学组有关。一般而言，组成中具有的官能团越多，折射率就越大。当在基质成分中引人原子量的原子或极性大的官能团时，折射率就增加，反之折射率就减小。大多数塑料的折射率均在1416之间。 此外，材料选择中还应考虑光学塑料的一些其他
10、性能，如热性能、机械性、成本等因素。这样，可供选择的光学材料就不多了。目前只有聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酷、碳酸醋等几类。,光电工程学院,塑料光纤的芯材料,主要是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)。如果芯料采用折射率no=1.49的聚甲基丙烯酸甲酯，涂层材料可以采用折射率nD=1.40左有含氟聚合物。如果芯材料采用no=1.58的聚苯乙烯，涂层材料就可以来用聚甲基丙烯酸酯。,光电工程学院,塑料光纤的制作工艺,由于聚苯乙烯具有较强的各向异性效应的侧键，瑞利散射比聚甲基丙烯酸甲酯大，因采用聚甲基丙烯酸甲酯更易得到较低的损耗。普通塑料光纤的制作通常采用挤压法，它是将光学塑料的原材料在软化温度
11、下从模孔中挤压成光纤。,光电工程学院,5.8紫 外 光 纤,紫外光纤主要是指可用于传输波长0.3um以下的光波。,光电工程学院,紫外光纤材料,石英玻璃在紫外波段的透过率较高，但由于其折射率较低，而且难于找到折射率比石英玻璃更低的材料作光纤涂层的材料，一般用低折射率的聚合物作涂层，得到一种石英芯和塑料涂层的紫外光纤。 塑料光纤在紫外光波段有较好的透光性能，例如聚甲基丙烯甲醋(PMMA)对0250.295um波段的紫外光，其透过率可达75%，比一般光学玻璃(透过率仅06%1%)好得多。,光电工程学院,紫外光纤材料,蓝宝石拉成的晶体光纤在紫外光谱区也有良好的透过性能。 另外液芯光纤也可在紫外波段使用
12、，这种光纤是用石英管拉成光纤包层、管中充以透紫外光的液体构成纤芯，它对紫外光的透过性能良好。,光电工程学院,5.9增敏和去敏光纤,随着光通信技术的发展，尤其是光纤传感技术的发展，需要一些特殊的光纤，例如需要它对某物理量的敏感性增加(增敏)，或是对某物理量的敏感程度减小(去敏)，这类光纤统称之为增敏光纤和去敏光纤。,光电工程学院,对光纤做增敏和去敏处理方法,改变光纤结构，例如保偏光纤、镀金属光纤、液芯光纤、单晶光纤等； 改变材料的成分，例如磁敏光纤、辐射敏光纤、荧光光纤等。,光电工程学院,1耐辐射光纤,耐辐射光纤即对辐射去敏的光纤。 一般玻璃光纤不能在大剂量辐射环境下工作，因为在核辐射的照射下，
13、玻璃会因染色而不透光。玻璃染色是因为在放射性辐射作用下，玻璃中产生的局部自由电子能够被存在于玻璃中的带正电的离子捕获，此时离子就因得到电子而变成原子。为了解决这一间题，可采用耐辐射玻璃材料作光纤的芯和涂层材料，这样得到的光纤就可在核辐射环境中正常工作。,光电工程学院,2辐射敏光纤,辐射敏光纤是指对辐射更敏感的光纤，具有快速反应和增加空间分辨的能力。 磷光体、塑料和玻璃等发光材料可以制成用于探测X射线、高能粒子的光学纤维。闪烁发光材料有晶体NaI(TI)、Cs(TI)、蒽、三硝基甲苯、对称二苯乙烯等。由于发光体的辐射强度不大，因此发光体的工作效率就是一个关键参量。由于一般发光体结构的效率很低，故
14、采用发光纤维来提高探测效率。,光电工程学院,纤维闪烁体可以采用混有发光材料的塑料光纤，也可以采用充满发光液体的薄壁玻璃管的液芯光学纤维。液芯光学纤维虽然有高质量的界面，内反射损耗很小，但是由于存在管壁和管壁间的空隙，非工作面积较大，例如紧密排列的塑料光纤，非工作面积为93%，当玻璃管子的直径为管壁厚度的10倍时，非工作面积约为42%，管子的直径为管壁厚度的20倍时，非工作面积约为27%。由于带电粒子在某些发光液体中转变为光能的效率可达30%，比塑料高很多，因此，在不少应用中还是要采用液芯光学纤维制作闪烁体。,光电工程学院,磁敏光纤,磁敏光纤具有较高的Verdet常数，理论上，其Verdet常数
15、可比普通石英光纤高出一个数量级，因此，在磁场、电流传感以及全光纤型光隔离器中有广泛应用前景。目前我国已研制成掺Tb(稀土元素)的磁敏光纤，其掺杂物的质量比约为4X1O4ppm(即10-6)，其他参数为:光纤外径125um，纤芯半径4um，折射率差n为05%，截止波长入小于0633um，在 0633um波段损耗小于5OdB/km。Verdet常数为1.2XlO-5rad/A，比一般石英光纤的 Verdet常数约大27倍。主要问题是损耗大。,光电工程学院,5.6镀金属光纤,镀金属光纤是外保护层为金属膜的特种光纤。这种金属膜保护层是在光纤拉丝过程中同时涂敷上去的。金属膜的厚度一般为微米量级。镀金属光
16、纤的主要用途是改善其增敏和去敏性能，以满足不同的使用要求，尤其是高性能光纤传感的要求。这是特种光纤研究的热点之一。,光电工程学院,镀金属光纤的种类,镀铝光纤 镀锌光纤 镀金光纤等其差别之一是适应的环境温度不同，例如:镀铝光纤只能用于400以下的环境，镀金光纤则可用于800 的高温环境。,光电工程学院,镀金属光纤的特点,可用于高温环境。一般的光纤传感器由于光纤保护层不能耐高温，而只能用于1OO以下的常温。若改用镀金属光纤构成光纤传感器，则可使这种光纤传感器在高达800 的高温环境下正常工作。现已有在高温环境下用于测量应力、应变、位移和振动等参量的光纤传感器的成果报道。此外，利用镀金属光纤还可改善光纤传感器的敏感性能。,光电工程学院,本章作业,P159 5.1、5.2、5.4、,光电工程学院,Thank You !,
