特种光纤幻灯片.ppt

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1、特种光纤特种光纤第1页，共50页，编辑于2022年，星期一v5.1 引言引言v自聚焦光纤自聚焦光纤v红外光纤红外光纤v塑料光纤塑料光纤v紫外光纤紫外光纤v增敏和去敏光纤增敏和去敏光纤v镀金属光纤镀金属光纤光电工程学院光电工程学院第2页，共50页，编辑于2022年，星期一5.2.1 折射率分布折射率分布5.2 5.2 变折射率光纤棒的成像理论变折射率光纤棒的成像理论光电工程学院光电工程学院第3页，共50页，编辑于2022年，星期一 利用自聚焦特性制成的光纤棒，称为利用自聚焦特性制成的光纤棒，称为自聚焦透镜。自聚焦透镜。光电工程学院光电工程学院第4页，共50页，编辑于2022年，星期一对于近轴子午

2、光线，射线方程可简化为：对平方律分布，有对平方律分布，有 5.2.2 光纤棒中光线的轨迹光纤棒中光线的轨迹光电工程学院光电工程学院第5页，共50页，编辑于2022年，星期一设设z=0时，时，r=r0，dr/dz=r0上式的解为光电工程学院光电工程学院第6页，共50页，编辑于2022年，星期一光电工程学院光电工程学院第7页，共50页，编辑于2022年，星期一自聚焦透镜的光线方程自聚焦透镜的光线方程 光电工程学院光电工程学院第8页，共50页，编辑于2022年，星期一5.2.3 5.2.3 自聚集透镜成像特性自聚集透镜成像特性v自聚焦透镜的光学特性自聚焦透镜的光学特性光电工程学院光电工程学院第9页，

3、共50页，编辑于2022年，星期一自聚焦透镜的光学成像公式自聚焦透镜的光学成像公式 光电工程学院光电工程学院第10页，共50页，编辑于2022年，星期一 （物平面位于有限远）（物平面位于有限远）（物平面位于无限（物平面位于无限 远，最大允许视场角远，最大允许视场角）等效入瞳位置等效入瞳位置物象位置关系物象位置关系物方主点位置和像方主物方主点位置和像方主点位置点位置物方焦距和像方焦距物方焦距和像方焦距物方焦点位置和像方焦物方焦点位置和像方焦点位置点位置计算公式计算公式参量名称参量名称自聚焦透镜的光学特性自聚焦透镜的光学特性光电工程学院光电工程学院第11页，共50页，编辑于2022年，星期一光电工

4、程学院光电工程学院第12页，共50页，编辑于2022年，星期一证明：证明：1）平行光入射，且与光轴）平行光入射，且与光轴平行距离平行距离x0则路径方程为则路径方程为光电工程学院光电工程学院第13页，共50页，编辑于2022年，星期一1.1.普通透镜普通透镜2.自聚焦透镜自聚焦透镜Z1)或全内反射或全内反射(电介电介质材料折射率质材料折射率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，和蓝宝石(Al2O3)用于传输用于

5、传输CO2，的，的 10.6um激光。激光。v混合型波导混合型波导 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结构结构空芯光纤，光纤直传损耗为空芯光纤，光纤直传损耗为013dB/m，光纤弯曲时，光纤弯曲时(半径半径5Ocm)损耗为损耗为 1OdB/m，光纤直径为，光纤直径为15mm。光电工程学院光电工程学院第30页，共50页，编辑于2022年，星期一5.7塑料光纤塑料光纤 v定义定义塑料光纤塑料光纤是以光学塑料为材料的一类重要的光是以光学塑料为材料的一类重要的光学纤维。学纤维。光电工程学院光电工程学院第31页

6、，共50页，编辑于2022年，星期一塑料光纤的优点塑料光纤的优点v质量小质量小 光学塑料的密度一般是光学塑料的密度一般是0831.50g/cm2，为玻璃密度的，为玻璃密度的 1/21/3。这在导弹、人造卫星的制。这在导弹、人造卫星的制造和宇宙航行中有重要的应用。造和宇宙航行中有重要的应用。v韧性好韧性好 抗冲击强度好，柔软性能好，直径抗冲击强度好，柔软性能好，直径2mm时仍时仍可自由弯曲而不断裂；而玻璃光学纤维直径大于可自由弯曲而不断裂；而玻璃光学纤维直径大于50件件m就不能弯曲。就不能弯曲。v对不可见光波透过性能好对不可见光波透过性能好 光学塑料在可见光和近红外光学塑料在可见光和近红外波段的

7、透过性能比光学玻璃稍差，在远红外和紫外波段，波段的透过性能比光学玻璃稍差，在远红外和紫外波段，透过率可以大于透过率可以大于50，比光学玻璃好。，比光学玻璃好。v成本低，工艺简便。成本低，工艺简便。光电工程学院光电工程学院第32页，共50页，编辑于2022年，星期一塑料光学纤维主要缺点塑料光学纤维主要缺点v耐热性能差耐热性能差。一般只能在一般只能在-40C8OC的温度范围内的温度范围内使用，只有少数塑料光学纤维可在使用，只有少数塑料光学纤维可在2OOC附近工附近工作。当温度低于作。当温度低于-40C时，塑料光学纤维将变硬，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。变脆。由于

8、塑料熔点低，因而比玻璃易老化。v抗化学腐蚀和表面磨损性能比玻璃差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，影响光学能会受到很大影响，表面易被划伤，影响光学质量。质量。v易潮解易潮解。光电工程学院光电工程学院第33页，共50页，编辑于2022年，星期一选择塑料光纤的材料选择塑料光纤的材料v选择塑料光纤的材料时，主要应考虑透过性能和折射率。特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

9、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，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小。大多数塑料的折射率均在1416之间。之间。v此外，材料选择中还应考虑光学塑料的一些其他性能，如热此外，材料选择中还应考虑光学塑料的一些其他性能，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。性能、机械

10、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。目前只有聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酷、碳酸醋等几类。光电工程学院光电工程学院第34页，共50页，编辑于2022年，星期一塑料光纤的芯材料塑料光纤的芯材料v主要是主要是聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和和聚苯乙烯聚苯乙烯(PS)。如果芯料采用折射率如果芯料采用折射率no=1.49的聚甲基丙烯的聚甲基丙烯酸甲酯，涂层材料可以采用折射率酸甲酯，涂层材料可以采用折射率nD=1.40左有左有含氟聚合物。含氟聚合物。如果芯材料采用如果芯材料采用no=1.58的聚苯乙烯，涂层的聚苯乙烯，涂层材料就可以来

11、用聚甲基丙烯酸酯。材料就可以来用聚甲基丙烯酸酯。光电工程学院光电工程学院第35页，共50页，编辑于2022年，星期一塑料光纤的制作工艺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，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作通常采用挤压法挤压法，它是将光学塑料的原材料在软，它是将光学塑料的原材料在软化温度下从模孔中挤压成光纤。化温度下从模孔中挤压成光纤。光电工程学院光电工程学院第36页，共50页

12、，编辑于2022年，星期一5.8紫紫 外外 光光 纤纤v紫外光纤紫外光纤主要是指可用于传输波长主要是指可用于传输波长0.3um以下的光波。以下的光波。光电工程学院光电工程学院第37页，共50页，编辑于2022年，星期一紫外光纤材料紫外光纤材料v石英玻璃石英玻璃在紫外波段的透过率较高，但由于其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。层的紫外光纤。v塑料光

13、纤塑料光纤在紫外光波段有较好的透光性能，例在紫外光波段有较好的透光性能，例如聚甲基丙烯甲醋如聚甲基丙烯甲醋(PMMA)对对0250.295um波段的紫外光，其透过率可波段的紫外光，其透过率可达达75%，比一般光学玻璃，比一般光学玻璃(透过率仅透过率仅06%1%)好得多。好得多。光电工程学院光电工程学院第38页，共50页，编辑于2022年，星期一紫外光纤材料紫外光纤材料v蓝宝石蓝宝石拉成的晶体光纤在紫外光谱区也拉成的晶体光纤在紫外光谱区也有良好的透过性能。有良好的透过性能。v另外另外液芯光纤液芯光纤也可在紫外波段使用，这也可在紫外波段使用，这种光纤是用石英管拉成光纤包层、管中种光纤是用石英管拉成

14、光纤包层、管中充以透紫外光的液体构成纤芯，它对紫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。外光的透过性能良好。光电工程学院光电工程学院第39页，共50页，编辑于2022年，星期一5.9增敏和去敏光纤增敏和去敏光纤 v随着光通信技术的发展，尤其是光纤传感技术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物理量的敏感性增加(增敏增敏)，或是对某物理量的，或是对某物理量的敏感程度减小敏感程度减小(去敏去敏)，这类光纤统称之为，这类光纤统称之为增敏光增敏光纤和去敏光纤。纤和去敏光纤。光电工程学院

15、光电工程学院第40页，共50页，编辑于2022年，星期一对光纤做增敏和去敏处理方法对光纤做增敏和去敏处理方法v改变光纤结构，改变光纤结构，例如保偏光纤、镀金属光纤、例如保偏光纤、镀金属光纤、液芯光纤、单晶光纤等；液芯光纤、单晶光纤等；v改变材料的成分，改变材料的成分，例如磁敏光纤、辐射敏光纤、例如磁敏光纤、辐射敏光纤、荧光光纤等。荧光光纤等。光电工程学院光电工程学院第41页，共50页，编辑于2022年，星期一1耐辐射光纤耐辐射光纤v耐辐射光纤即对辐射去敏的光纤。耐辐射光纤即对辐射去敏的光纤。v一般玻璃光纤不能在大剂量辐射环境下工作，因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

16、，玻璃会因染色而不透光。玻为在核辐射的照射下，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涂层材料，这样得到的光纤就可在核辐射环境中正常工作。常工作。光电工程学院光电工程学院第42页，共50页，编辑于2022年，星期一2辐射

17、敏光纤辐射敏光纤v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。加空间分辨的能力。v磷光体、塑料和玻璃等发光材料可以制成用于探测磷光体、塑料和玻璃等发光材料可以制成用于探测X射射线、高能粒子的光学纤维。闪烁发光材料有晶体线、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、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，故采个关键参量。由于一般

18、发光体结构的效率很低，故采用发光纤维来提高探测效率。用发光纤维来提高探测效率。光电工程学院光电工程学院第43页，共50页，编辑于2022年，星期一v纤维闪烁体可以采用混有发光材料的纤维闪烁体可以采用混有发光材料的塑料光纤塑料光纤，也，也可以采用充满发光液体的薄壁玻璃管的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。液。液芯光学纤维虽然有高质量的界面，内反射损耗很小，但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，非工作面积为如紧密排列的塑料光纤，非工作面积为93

19、%，当玻璃，当玻璃管子的直径为管壁厚度的管子的直径为管壁厚度的10倍时，非工作面积约为倍时，非工作面积约为42%，管子的直径为管壁厚度的，管子的直径为管壁厚度的20倍时，非工作面积倍时，非工作面积约为约为27%。由于带电粒子在某些发光液体中转变为光。由于带电粒子在某些发光液体中转变为光能的效率可达能的效率可达30%，比塑料高很多，因此，在不少，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。应用中还是要采用液芯光学纤维制作闪烁体。光电工程学院光电工程学院第44页，共50页，编辑于2022年，星期一磁敏光纤磁敏光纤 磁敏光纤具有较高的磁敏光纤具有较高的Verdet常数，理论上，

20、其常数，理论上，其Verdet常数可常数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。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目前我国已研制成掺Tb(稀土元素稀土元素)的磁敏光纤，其掺杂物的质的磁敏光纤，其掺杂物的质量比约为量比约为4X1O4ppm(即即10-6)，其他参数为，其他参数为:光纤外径光纤外径125um，纤芯半径，纤芯半径4um，折射率差，折射率差n为为05%，截止波长入小于，截止波长入小于0633um，在，在 0633um波段损耗小于波段损耗小于5OdB/km。Ver

21、det常常数为数为1.2XlO-5rad/A，比一般石英光纤的，比一般石英光纤的 Verdet常数约大常数约大27倍。主要问题是损耗大。倍。主要问题是损耗大。光电工程学院光电工程学院第45页，共50页，编辑于2022年，星期一5.6镀金属光纤镀金属光纤v镀金属光纤镀金属光纤是外保护层为金属膜的特种光纤。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。镀金属敷上去的。金属膜的厚度一般为微米量级。镀金属光纤的主要用途是改善其增敏和去敏性能，以满足光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

22、要求，尤其是高性能光纤传感的要求。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。这是特种光纤研究的热点之一。光电工程学院光电工程学院第46页，共50页，编辑于2022年，星期一镀金属光纤的种类镀金属光纤的种类v镀铝光纤镀铝光纤v镀锌光纤镀锌光纤v镀金光纤等镀金光纤等 其差别之一是适应的环境温度不同，例如其差别之一是适应的环境温度不同，例如:镀铝镀铝光纤只能用于光纤只能用于400以下的环境，镀金光纤则可用以下的环境，镀金光纤则可用于于800 的高温环境。的高温环境。光电工程学院光电工程学院第47页，共50页，编辑于2022年，星期一镀金属光纤的特点镀金属光纤的特点v可用

23、于高温环境。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，而只能用于高温，而只能用于1OO以下的常温。若改用以下的常温。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传感器在高达800 的高温环境下正常工作。的高温环境下正常工作。现已有在高温环境下用于现已有在高温环境下用于测量应力、应变、位测量应力、应变、位移和振动移和振动等参量的光纤传感器的成果报道。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此外，利用镀金属光纤还可改善光纤传感器的敏感性能。器的敏感性能。光电工程学院光电工程学院第48页，共50页，编辑于2022年，星期一本章作业本章作业vP159 5.1、5.2、5.4、光电工程学院光电工程学院第49页，共50页，编辑于2022年，星期一光电工程学院光电工程学院第50页，共50页，编辑于2022年，星期一