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    浅析空芯塑料光纤传光机理及制备工艺

    发布时间: 2016-11-30  点击次数: 518次

    随着科学技术的发展和人类社会的进步,新能源尤其是太阳能的开发和利用越来越得到人们的重视。太阳能资源丰富、廉价、清洁、分布广泛,取之不尽,用之不竭,是人类未来的主要能源之一。随着世界人口的长,能源极度短缺,环境污染日益严重,国际社会越来越关注太阳能利用技术的研究。
    利用传光材料对可见光进行传输是太阳能利用领域中的重点。通过将可见光传至阴暗房间、地下商场、人防工事、矿井、隧道等建筑物内,可以起到照明和日光浴的作用,对于节约能源和进人体健康都具有重要意义。通常采用光学玻璃纤维作为传光材料,但其传光效率比较低,大大限制了它的发展。空芯塑料光纤是在高透明有机材料上蒸镀金属反射膜而成,大大提高了传光材料的弯曲性能,同时由于采用了空芯结构,从而降低了损耗,是一种比较理想的传光材料,如所示。
    1传光机理分析11光线传输中,射向光纤的光束可分为光线1和光线2两部分。下面首先讨论光线1的传输机理。
    当光线1从空芯塑料光纤的空腔射向透明材料层时,根据菲涅耳定律,有反射系数由于透明材料层具有极高的透射率(可达93%以上),光波的大部分能量透过该层而射向金属反射膜只有少部分被反射回空芯层而继续向前传播。
    对于介质一金属界面来说菲涅耳定律也同样适用。但由于金属的折射率与普通介质不同,艮即n―k,称为复折射率。实部n影响光波在介质中的传播速率或位相,是金属的实折射率。虚部只影响振幅大小或光强度,称为消光系数。
    金属具有很好的导电性能,这一特征与金属中存在数目很大的自由电子有关。可以证明,在不是特别高频率的电磁场作用下,金属内部的自由电子只分布于金属表面上,金属内部电荷体密度为零,并且自由电子在表面层形成表面电流。这一电流的存在将使入射波产生强烈的反射。如果用基金项目:国家自然科学基金资助项目(59708814)者简介男硕士金属的复折射率代替透明介质的n,则菲涅耳公式对金属依然适用。在入射角很小或正入射时,金属表面的反射系数可写成,大多数金属的吸收很强,有kn,P1,即金属具有极高的反射率。本文所介绍的空芯塑料光纤的金属反射膜对可见光的反射率可达92%以上。这样,入射至金属反射膜处的光线大部分经透明材料层被反射回空芯塑料光纤的空心层并继续向前传播。为所蒸镀的金属反射膜的反射能力随波长的变化关系。由可知,在可见光范围内,该金属反射膜具有极高的反射率,且随波长的变化比较平稳。
    光线2是从透明材料层射入空芯光纤的光,其传播原理与普通光纤相同,即依靠全反射使光线向前传播,从而达到传播能量的目的。也就是说,当光线2进入透明材料层后,首先发生折射,然后到达透明材料与金属膜交界处,此时,只要条件合适,根据折射定律,就会发生全反射,即入射光线全部被反射回入射介质。中的称为光纤的受光角。经计算民=60因此,空芯塑料光纤具有较大的受光角,这是普通光纤所无法比拟子,特别是过渡金属正离子和水分子中的氢氧基负离子。水分子中的氢氧基负离子会引起严重损耗。
    散射损耗包括材料散射和光波导散射。材料散射主要有本征散射和非线性效应散射两种。本征散射由于透明材料中原子热起伏冻结而引起材料密度和折射率变化不均匀,从而引起散射损耗,这种损耗是光纤损耗的基本限度,这种散射,也称瑞利散射。光波导散射也称为辐射损耗,这是由于光纤尺寸沿长度发生变化而产生的。
    空芯塑料光纤由于具有特殊的空芯结构,大大地降低了光纤的吸收损耗,从而降低了光纤的整体损耗,提高了可见光的透过率。
    13传光效率如果忽略入射光在自由空间的传播模式向波导混杂模£1尤合转换的损耗,只考虑光纤损耗,则光束通过光纤的表示式为其中,Pe为光在光纤出射端的功率;为在入射处的功率;为光纤长度;为波导模EHlm的损耗系数,其表达式为Re(Y),A为波长;为光纤半径;Ulm为贝塞耳方程/-i(Um)=0的解。对于EHim模,Y=(e+1)(e一1)1/2/2且e=(n―ik)2为光纤材料的复折射系数。
    将空芯光纤的内径、长度及材料的复折射率和消光系数分别代入上式,即可求得空芯光纤的透过率。理论上预测,空芯金属波导的透过率可达40%左右,而空芯光纤的透过率则可达90%以2制备工艺实验采用的设备为真空镀膜机,极限真空度为105Pa.将准备蒸镀的材料在10%~20%的氢氧化钠溶液中煮沸15min,以除去表面的氧化层。然后在蒸馏水或去离子水中冲洗干净,浸在无水乙醇中备用。
    基片用乙醇清洗,再用蒸馏水清洗。对于基片材料来说,其表面处理极为重要,任何刮痕、尘粒和表面不完整性都将在镀上的薄膜上显示出来,例如,尘粒可形成薄膜的“针孔”。所以基片必须平耗的原潘是材料中中着0滓杂质丨巧清洁。特别是在制备单晶薄膜时更为/重要xnki.net将钨丝通电缓慢加热,使蒸镀材料熔化而粘附在钨螺旋上,这一过程称为预熔。预熔的目的是将原来吸附在蒸镀材料内的气体和杂质原子排除出去,这样,蒸镀材料在蒸镀时就不会大量放气而破坏真空度,同时也有利于获得纯净的膜层。预熔时应先将基片移开,以免预熔时的少量的蒸镀材料喷到基片上。应采用低电流、长时间的预熔方式。由于蒸镀材料对W的湿润性,可使W加热器的毛细作用均匀,不易产生液滴的飞溅。但预熔时间也不能太长,否则蒸镀材料容易熔化而脱落。实验表明,在1. 0~1.2kA的电流下预熔15 ~20szui为合适。预熔完毕后,即可采用快速闪蒸,对基片进行蒸镀,此时电流应控制在1.7~1.8kA.采用快速蒸发方法,可使蒸气分子对基片的有效入射频率远高于残气分子对基片的入射率,同时也抑制残气分子进入金属膜及与蒸气分子反应,确保金属膜的纯度。
    本实验所采用的基底材料为高透明材料,当金属膜蒸镀完毕后,有可能观察到在淀积完毕后薄膜与衬底发生弯曲或收缩的现象。这是因为薄膜和衬底物质的力学和热学性质不完全相同,以及淀积过程的不平衡性使刚生成的薄膜处于应变状态的,从而产生了内应力的缘故。归纳起来,引起内应力的原因大致有两类:一类是与体积变化有关的各种因素;另一类是与表面(界面)效应有关的各种因素。体积相关因素包括热收缩、相变、空位消失、杂质、填隙原子效应等。表面相关因素包括表面张力与表面层、表面张力一晶粒间界、界面畸变层等因素。
    结语采用镀膜空芯塑料光纤传输太阳能,具有低损耗、易布线等优点,其制造方法以真空蒸镀工艺为基础,过程简单易于操作,成本低廉,对于推动建筑节能事业的发展和太阳能的利用有着深远的意义。

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