梯度型光導(dǎo)纖維

梯度型光導(dǎo)纖維

1學(xué)復(fù)合材料的定義光導(dǎo)纖維是一種將光能關(guān)閉在纖維中，起到導(dǎo)光作用的光學(xué)建筑材料，稱為明光。它把以光的形式出現(xiàn)的電磁波能量利用全反射的原理約束在其界面內(nèi),并引導(dǎo)光波沿著光纖軸線的方向前進(jìn)。光纖的傳輸特性有其結(jié)構(gòu)和材料決定。2光導(dǎo)纖維入射方向的選取,使各光由折射率大的物質(zhì)進(jìn)入折射率小的物質(zhì)時(shí),在兩種物質(zhì)的交界面上會產(chǎn)生全反射,使光不進(jìn)入折射率小的物質(zhì),而全部返回到折射率大的物質(zhì)中。光導(dǎo)纖維由纖芯和包層兩部分組成。纖芯的折射率n1比包層的折射率稍大,它們之間有良好的光學(xué)接觸。只要選取合適的入射角,總可以使折射光線在界面上的入射角大于全反射的臨界角。這樣,光線將在界面上發(fā)生多次的內(nèi)全反射,向前傳送,由光纖另一端射出。大量的光導(dǎo)纖維集成一束,不僅能傳光,而且還能傳送圖像。3分類3.1根據(jù)傳輸模式的數(shù)量劃分可以分為單模光纖和多模光纖,前者只能傳輸一種模式,后者能傳輸多種模式。它們的主要差別是纖芯的尺寸和纖芯包層的折射率差值。3.2波浪式全反射型有階躍折射率型和梯度折射率型。前者纖芯的折射率是均勻的,入射光線在纖芯和包層間界面產(chǎn)生全反射,因此呈鋸齒狀曲折前進(jìn),所以又稱全反射型光導(dǎo)纖維或突變指數(shù)型。后者的纖芯折射率從中心軸線開始向著徑向逐漸減小。因此,入射光線進(jìn)人光纖后,偏離中心軸線的光將呈曲線路徑向中心集束傳輸,光束在梯度型光導(dǎo)纖維中傳播時(shí),形成周期性的匯聚和發(fā)散,呈波浪式曲線前進(jìn)。故梯度型光導(dǎo)纖維又稱聚焦型光導(dǎo)纖維或漸變指數(shù)型。3.3光導(dǎo)纖維的分類光導(dǎo)纖維的分類方式有很多,除了上述介紹的幾種,還可以按形狀和柔性分為可撓性和不可撓性光導(dǎo)纖維。按傳遞光的波長分為可見光、紅外線、紫外線、激光等光導(dǎo)纖維。按化學(xué)組成分為熔石英玻璃光纖、氟化物玻璃光纖和硫化物玻璃光纖等。一般人們把光導(dǎo)纖維大致分為無機(jī)光導(dǎo)纖維和有機(jī)光導(dǎo)纖維兩類。這兩種光導(dǎo)纖維都有各自的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于社會生活的各個方面。4無機(jī)光導(dǎo)纖維無機(jī)光導(dǎo)纖維包括玻璃光導(dǎo)纖維和石英光導(dǎo)纖維。由于石英玻璃光導(dǎo)纖維低光損耗,可擴(kuò)大光波使用范圍,實(shí)現(xiàn)長距離通訊,它已成為無機(jī)光導(dǎo)纖維的主體。它的制造工藝有以氣相法為主的母材制造、母材加熱熔融拉伸纖維化、用樹脂包覆等過程。目前公認(rèn)的母材制造方法是MCVD法(化學(xué)蒸汽沉積法)、VAD法(氣相軸向沉積法)、DVD法(改良的VAD法)、PCVD法(等離子化學(xué)沉淀法)四種氣相合成法,它們都是以添加了鍺的折射率較高的石英玻璃作芯,純石英玻璃為皮作為原料。這些無機(jī)光導(dǎo)纖維由于其天然具有良好的透明度和結(jié)晶度,使其具有優(yōu)異的光傳輸性能,石英光纖光纜的使用將人類帶進(jìn)光通訊時(shí)代。隨著無機(jī)光導(dǎo)纖維在海底通訊光纜等長距離通訊應(yīng)用范圍的多大,要求無機(jī)光導(dǎo)纖維高性能、可靠性、低價(jià)格。無機(jī)光導(dǎo)纖維的芯材常用SiO2和GeO2,但隨著GeO2添加量的增加,會發(fā)生光的亂散射而損失,而且SiO2、GeO2石英玻璃在長期使用中會與氫氣反應(yīng),導(dǎo)致光散射增加,影響輸送的可靠性。現(xiàn)有制造石英光纖技術(shù)的發(fā)展已很完善,使光損耗率降至極低水平,因此遠(yuǎn)程通訊均采用石英光纖。但由于石英玻璃纖維脆性較大,這種光導(dǎo)纖維的抽絲和對接難度大,在應(yīng)用上難度較大。但是,近年來隨著人們對玻璃纖維的研究也更加深入,石英玻璃纖維也被應(yīng)用到了更多領(lǐng)域中。玻璃纖維是良好的絕緣和過濾材料,所以它被廣泛地應(yīng)用在絕緣和環(huán)境領(lǐng)域。玻璃纖維具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,能夠抵抗水、酸、堿等介質(zhì)的侵蝕,同時(shí)它的耐熱性、隔音性也比較優(yōu)良,它的耐熱性僅次于碳纖維,因此宜于用來制作隔熱材料及應(yīng)用于各種聲學(xué)設(shè)備中。另外,它也被很好地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、建筑、航空航天等領(lǐng)域。5有機(jī)高聚物薄膜層有機(jī)光導(dǎo)纖維是一種很細(xì)的皮芯型光學(xué)合成纖維,其芯絲是高光學(xué)純的有機(jī)高聚物,直徑在0.005~0.1mm,在它外面包裹著一層較低光折射率的有機(jī)高聚物薄膜層。制備有機(jī)光纖的有機(jī)高聚物必須透明性好,折射率高以及芯材與皮層的附著性優(yōu)良,而且用于皮層的高聚物的折射率必須小于芯材高聚物折射率的2%~3%。有機(jī)光導(dǎo)纖維主要包括塑料光導(dǎo)纖維,簡稱POF,最近一些單位正在研究橡膠光導(dǎo)纖維的開發(fā)。5.1界面粘性測定制造有機(jī)光導(dǎo)纖維芯材的聚合物要求具有極優(yōu)良的透明性、適當(dāng)?shù)恼凵渎?芯材和皮層界面粘接性良好;光學(xué)上要求等向性,在拉伸后不產(chǎn)生雙折射和偏光,并且在可見光區(qū)不吸收、不散射;芯材折射率高,皮層低;另外還要求為非晶態(tài)、有耐高溫和強(qiáng)韌性。目前這類聚合物可分為五大類。5.1.1非酸酯這是目前最常用的高性能POF,包括PMMA及PMMA共聚物、氘代PMMA、鹵代PMMA、鹵氘代PMMA芯POF。5.1.2改性pof纖芯材料PS的折射率較高,NA很大,透光性好,是僅次于PMMA的第二類POF纖芯材料,包括PS均聚物、PS共聚物、鹵代PS及其共聚物、氘化PS和鹵氘化PS五大類型。5.1.3重組pof特性PC是非晶聚合物,折射率為1.59,Tg約為130℃,具有較強(qiáng)柔韌性,可制得直徑高達(dá)3.0mm的POF。與其它類型POF材料相比,PC能耐較高的溫度(150℃)。5.1.4硅氧烷硅氧烷類(SR)可撓性極佳,可制成大口徑、大容量POF。硅氧烷類POF具有耐高溫、耐濕、耐寒、耐熱水、耐放射性等性能。5.1.5聚碳酸酯4-甲基光纖4-立體模型其他類型有聚酯、氮雜環(huán)聚合物等。但用它們作纖芯時(shí),制造和提純方法及工藝都很復(fù)雜,綜合性能控制較嚴(yán)格。目前,有機(jī)光纖的芯用材料主要是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS),因它們的透光性好,又易纖維化,由于聚碳酸酯(PC)耐熱性能好,也應(yīng)用于要求耐熱和較低價(jià)值的光纖用芯材。而PMMA的機(jī)械穩(wěn)定性和耐熱性比PS好,是PMMA成為有機(jī)光導(dǎo)纖維芯材的主要材料。5.2用具有特殊功能的有機(jī)光纖作為有機(jī)光纖的皮層材料,選用比芯材折射率低的透明性高聚物。選擇皮材時(shí)要充分考慮皮材的熔融性與芯材的熔融性差異要小,防止制造纖維時(shí)芯材變形大,還要充分考慮芯材和皮材的親和性。常用于生產(chǎn)包層的聚合物主要有多氟烷基側(cè)鏈的聚甲基丙烯酸酯類、偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物、有機(jī)硅樹脂、尼龍以及液晶等。制造有機(jī)光導(dǎo)纖維的工藝流程一般為:近年來塑料光導(dǎo)纖維得到了迅速的發(fā)展,以聚苯乙烯為芯、有機(jī)玻璃為外皮是最簡單的一種。與石英光導(dǎo)纖維相比,塑料光導(dǎo)纖維柔軟、易加工、質(zhì)量輕、價(jià)廉,廣泛應(yīng)用在某些設(shè)備或建筑內(nèi)部傳遞光信號,或用作裝飾與廣告陳列室等等;還可用作光傳導(dǎo)器。而最近幾年來,從低損耗POF成為研究熱點(diǎn)到現(xiàn)今GI型POF成為研究生產(chǎn)重點(diǎn),每種POF的研制成功都提高了POF的某些性能,利用有機(jī)光導(dǎo)纖維特有的優(yōu)勢,人們研究開發(fā)了各種具有特殊功能的有機(jī)光纖,如低損耗POF、熒光POF、非線性POF、通體發(fā)光POF等。采用高度透明的有機(jī)高聚物制成的光導(dǎo)纖維的最大優(yōu)點(diǎn)是柔軟性特別好,經(jīng)過多次彎曲而不斷裂,它還具有價(jià)格較低,重量輕,牢度好,有一定的防輻射的能力。POF相對密度一般僅為1左右,具有占有空間小、耦合損耗低、串話少、保密性極強(qiáng)、加工方便等優(yōu)點(diǎn)。因此,光纖通訊取代電纜和微波通訊是當(dāng)今通訊技術(shù)的發(fā)展趨勢。近年塑料光纖的研制發(fā)展很快?，F(xiàn)在還有人開發(fā)出四氯化硅液體光纖,但尚屬試驗(yàn)階段,離實(shí)用還有距離。但是有機(jī)光導(dǎo)纖維也存在一些不足之處:一是耐熱性能差,只能在80℃以下長期使用,只有少數(shù)產(chǎn)品可在135℃以上的溫度中工作;二是耐溶劑、耐老化性能差,化學(xué)試劑、氧、光、高能輻射等會引起分子主鏈