塑料光纤的性能及其应用和制备gkeb.docx
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1、塑料光纤纤的特性性以及应应用08066113338 丁宁宁摘要:介介绍了塑塑料光纤纤在局域域网、汽汽车工业业、传感感器等领领域的应应用。通通过对石石英光纤纤、金属属电缆与与塑料光光纤的性性能进行行比较,得得到了塑塑料光纤纤具有芯芯径大、柔柔韧性好好、价格格低廉、制制作简单单等特点点。就塑塑料光纤纤在局域域网、汽汽车工业业、传感感器等领领域的应应用进行行了分析析、总结结。此外外还指出出阻碍塑塑料光纤纤进一步步发展的的因素。一、引言言随着通信信产业的的迅猛发发展,光光纤作为为信息载载体的光光信号传传输介质质在大容容量数据据的高速速传输中中起着重重要的桥桥梁和纽纽带作用用。目前前,石英英光纤由由于其
2、宽宽带、低低损耗、适适合长距距离通信信传输,而而占据着着光通信信的主要要市场。然然而,由由于石英英光纤芯芯径小、连连接复杂杂、成本本高,所所以在光光纤人户户时遇到到很大的的困难。随随着短距距离、大大容量的的数据通通信系统统及汽车车等工业业的迅速速发展,塑塑料光纤纤(P00F)以以其芯径径大、柔柔韧性可可塑性强强、重量量轻、价价格低廉廉等优点点而受到到国际的的普遍关关注。为为了对塑塑料光纤纤有一个个较为全全面的认认识,本本在查阅阅有关文文献的基基础上,阐阐述塑料料光纤的的主要特特性和应应用以及及制备方方法。二、基本本原理塑料光纤纤的定义义:塑料料光学纤纤维是以以光学塑塑料为材材料的一一类重要要的
3、光学学纤维。塑料光纤纤传光原原理:1、子午午光线在在阶跃型型塑料光光纤中的的传输阶跃型塑塑料光纤纤是一种种具有芯芯皮结构构的光纤纤。子午午平面指指的是包包含有光光纤轴的的平面,所谓子午线,就是光线的传播路径始终在同一平面内,子午光线总是和光纤轴相交的,光在一种均匀介质传播时是一种直线式传播:当光从一种介质传至另一介质表面时,一般同时发生反射和折射;如果光从折射率小的光疏介质射入折射率大的光密介质时,则折射角小于入射角;而当光从光密介质射入光疏介质时折射角将大于入射角,因而当光从光密介质射入光疏介质时就有可能出现只有反射而无折射的现象,这就是全反射,全反射是光折射的一种边界效应,即光从一种透明介
4、质进入到另一种介质里而发生弯曲的现象。塑料光纤就是通过全反射原理进行光传输的。2、子午午线在阶阶跃型光光纤中的的几何行行程和反反射次数数由于子午午光线入入射光纤纤中并不不是同一一角度,故故而其在在光纤中中的几何何行程也也不相同同。无论论是子午午线在光光线中的的行程计计算公式式还是反反射次数数计算公公式,都都是假定定光纤是是处于非非常理想想状态下下:光纤纤非常直直,光纤纤直径均均匀,光光纤内部部无缺陷陷和光纤纤入射端端面平直直等,倘倘若光纤纤不在这这一理想想条件下下,则入入射子午午线全反反射的状状况就会会发生变变化,如如有的会会从光纤纤中反射射出,有有的反射射角会发发生变化化等,因因此光纤纤的传
5、输输损耗也也会增加加。3、斜光光线在阶阶跃型折折射率塑塑料光纤纤中的传传输所谓斜面面光线,就就是光在在光纤中中传输中中时,并并不是像像子午光光线一样样保证在在同一平平面内,它它在光纤纤中传输输时,其其轨道通通常是一一空间螺螺旋曲线线,其最最大入射射角比子子午线的的大,但但通常以以子午线线传输表表征光纤纤的传输输特性,自自然这是是最理想想的一种种状况。4、光在在渐变型型折射率率分布塑塑料光纤纤中的传传输对于渐变变型折射射率GII 塑料料光纤,同同样有子子午线和和斜光纤纤,这种种光纤折折射率并并不是一一恒定常常数,而而是随着着离轴距距离的增增加而折折射率下下降,其其渐变折折射分布布图参见见如下;抛
6、物线线型折射射率分布布光纤具具有较小小的模式式色散的的特点,渐渐变折射射分布有有多种形形式,当当折射率率分布按按二次方方抛物线线分布时时,子午午线在光光纤中的的传播路路径为正正弦曲线线型,斜斜光纤的的传播路路径为螺螺旋曲线线,渐变变型折射射率塑料料光纤多多用于短短距离数数据传输输,用于于光纤照照明较少少。5、荧光光塑料光光纤的传传光原理理荧光塑料料光纤就就是在塑塑料光纤纤芯材中中掺入一一定量的的荧光剂剂制备而而成的塑塑料光纤纤,这种种塑料光光纤经过过特定波波长的光光照射后后,将发发出特定定波长的的光,其其原理比比较复杂杂,可简简单认为为基态分分子中成成键电子子吸收光光后激发发,然后后单线态态分
7、子返返回到基基态,即即发出荧荧光。荧荧光塑料料光纤按按折射率率分布结结构分类类,可分分为荧光光SI 塑料光光纤和荧荧光GI 塑料光光纤,掺掺杂有机机染料的的塑料光光纤A最重要要特性是是在宽波波长范围围内提供供高功率率输出。它满足一般的SI 型光纤的传光特性,但入射光的波长不同于出射光的波长。荧光塑料光纤还有另一种传光方式,这就是入射光可从侧面照射荧光塑料光纤,出射光从光纤两端面出射,当然入射光的波长不同于出射光的传输波长。荧光材料的光特性主要依赖于基质材料,荧光塑料光纤增益放大特性同泵浦波长、荧光塑料光纤长度及所用掺杂剂和浓度有关。所谓增益G是指塑料光纤输出信号光功率Pout与输入光功率Pin
8、之间的一种比值。6、结语语塑料光纤纤之所以以能传光光是因为为光纤具具有芯皮皮结构,光光在塑料料光纤中中传输是是按全反反射原理理进行传传光的,光光在SII 塑料料光纤中中的传输输方式为为全反射射式锯齿齿型,光光在GII 塑料料光纤中中的传输输方式为为正弦曲曲线型;同时为为了简化化计算,选选用子午午线进行行了参数数计算,子子午线就就是光线线的传播播路径始始终经过过光纤轴轴并在同同一平面面内,这这些参数数计算包包括最大大入射角角或发射射光角度度、数值值孔径、子子午线在在阶跃型型光纤中中的几何何行程及及反射次次数;侧侧面发光光塑料光光纤和荧荧光塑料料光纤也也是按全全反射原原理进行行传光的的,对于于单芯
9、侧侧面发光光塑料光光纤多是是由非固固有损耗耗导致侧侧面发光光,而对对于多芯芯侧面发发光塑料料光纤则则是由弯弯曲损耗耗产生侧侧面发光光的。荧荧光塑料料光纤经经过特定定波长光光激发后后发出特特定波长长的光,而而且激发发光不仅仅可从端端面入射射,而且且可从侧侧面入射射。三、基本本性质塑料光纤纤具有如如下许多多突出的的优点:(1) 重量轻。光光学塑料料的比重重一般是是0.88311.5克克/厘米米3,大多多在1克克/厘米米3左右,为为玻璃比比重的11/21/33。这在在导弹、人人造卫星星、宇宙宙航行中中有重要要的应用用。(2) 韧性好。例例如厚33毫米的的聚碳酸酸酯材料料,一般般子弹既既打不透透也打不
10、不碎,抗抗冲击强强度好。塑料光学纤维柔软性能好,直径2毫米仍可自有弯曲而不断裂,而玻璃光学纤维直径大于50微米就不能弯曲。(3) 对不可见见光波透透过性能能好。 在可见见光和近近红外波波段的透透过性能能接近光光学玻璃璃,在远远红外和和紫外波波段,透透过率可可以大于于50%,比光光学玻璃璃好。(4) 成本低、工工艺简便便。塑料料的原材材料比玻玻璃原料料便宜,而而且塑料料光学纤纤维的操操作温度度通常在在3000C以下下,而玻玻璃光学学纤维的的制作则则需要110000C以上上的高温温,工艺艺比玻璃璃光学纤纤维简单单。塑料光学学纤维主主要有如如下缺点点:(1) 耐热性能能差。一一般只能能在-40C88
11、0C的温温度范围围内使用用,只有有少数塑塑料光学学纤维可可以在2200C附近近工作。当当温度低低于-40C时,塑塑料光学学纤维将将变硬、变变脆。由由于塑料料的熔点点低,比比玻璃易易老化。(2) 抗化学腐腐蚀和表表面磨损损性能比比玻璃差差,因而而表面易易被划伤伤,影响响光学质质量。(3) 易潮解。由于塑料料光学纤纤维具有有上述优优缺点,在在光学纤纤维的广广泛应用用中可以以用它来来补充玻玻璃光学学纤维之之不足。因因而,塑塑料光学学纤维进进来已成成为光学学纤维的的一个极极其重要要的方面面。塑料光学学纤维的的特性:1、光学学特性由于塑料料光学纤纤维是一一种纤维维状长链链分子,随随着拉丝丝过程,长长链分
12、子子的宏观观取向将将和光学学纤维轴轴一致。同同时塑料料光学纤纤维是用用单体聚聚合而成成,很难难得到密密度均匀匀的材料料,因而而,光学学不均匀匀性就很很难避免免,损耗耗难以大大幅度下下降。2、机械械性能塑料光学学纤维的的一个显显著的特特点是柔柔软性好好。例如如,一毫毫米粗的的塑料光光学纤维维,按曲曲率半径径为6毫毫米做1180的来回回弯曲1100多多次,对对光学纤纤维毫无无损害,透透过率并并无变化化。总之之,塑料料光学纤纤维的曲曲率半径径大于塑塑料光学学纤维直直径的33倍时,透透过率仍仍无大的的变化。塑料光学学纤维耐耐热性能能差事一一个大缺缺点。一一般不能能超过880C,这这是因为为塑料本本身熔
13、点点低的缘缘故。塑料硬度度差,易易破损,易易老化。3、化学学性能 塑塑料光学学纤维的的化学稳稳定性较较差,在在丙酮,醋醋酸乙酯酯或者苯苯的作用用下,光光学性能能会受到到很大影影响。 表表一给出出了塑料料光学纤纤维的一一些主要要性能及及与玻璃璃光学纤纤维的比比较;表表二给出出了几种种塑料光光学纤维维的主要要性能。表一:塑塑料光学学纤维与与玻璃光光学纤维维的比较较纤维塑料光学学纤维玻璃光学学纤维光学性能能光吸收系系数一般般为0.00880.00118厘米米,实验验室公认认最低损损耗为220分贝贝/公里里(65506680毫毫微米波波段),接接近一般般玻璃的的光吸收收,紫外外和远红红外透过过性能好好
14、光吸收系系数一般般为0.0000020.0000001/厘厘米,实实验室中中熔融硅硅的最低低损耗00.2分分贝/公公里(在在1.55微米)相相应的吸吸收系数数100厘米,近近红外波波段通过过性能好好热学性能能使用温度度一般小小于1000C,个个别可短短时间在在2000C下工工作多组分光光纤可用用于3000C,石石英光纤纤波导可可用于4400CC,塑料料涂层玻玻璃光纤纤可用于于1500C以下下力学性能能柔软性能能好,耐耐弯曲,耐耐冲击,光光纤直径径一般不不小于550微米米,作导导光束用用的塑料料单纤维维直径可可大于22毫米,这这时柔软软性能仍仍很好单纤维直直径一般般为51500微米,大大于100
15、0微米米的光纤纤就不能能弯曲,易易折断化学稳定定性在化学药药品的浸浸蚀下,易易着色,变变质或老老化优良耐辐射性性较差差加工性能能制作温度度低,加加工工艺艺简单制作需要要高温(如如石英光光纤需要要19000C),工工艺复杂杂比重比重小,一一般在11左右,因因而质量量轻比重大,一一般在22.4左左右,因因而较重重成本原料便宜宜,易于于大量生生产,成成本低原料较贵贵,可大大批生产产,成本本高表二:几几种典型型的塑料料光纤的的主要参参数制造厂与与光纤牌牌号材料直径(微微米)光缆直径径(毫米米)衰减(分分贝/公公里)抗张强度度(公斤斤)弯曲半径径(厘米米)NA最大长度度(公里里)杜邦公司司PFX-P74
16、40塑料375470110.31杜邦公司司PFX-P1440R塑料400470400.11杜邦公司司PFX-P2440R塑料400470900.11克林格(A)塑料10155125001021波利光学学10100丙烯酸酯酯200110001500.40.5112波利光学学10100丙烯酸酯酯500110001502.50.5113汤姆逊布布兰特ET10017塑料859.410055150.1东芝塑料0.131270062095000.566三菱人造造丝公司(厄厄斯卡)丙烯酸酯酯0.12.5510200700130000.500茨城电气气研究所芯:MMMA涂层:氟氟化丙烯烯酸酯55茨城电气气研究
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