塑料光纖的研究論文
1．光的基礎知識
光是通過(guò)光源內大量的分子或原子振動(dòng)而產(chǎn)生的輻射。1894年，麥克斯韋從理論上指出，光是一種電磁波，1905年愛(ài)因斯坦提出光是一粒一粒的粒子流，每個(gè)粒子可被稱(chēng)為光子。也就是說(shuō)光既具有粒子性，又具有波動(dòng)性，光在傳播時(shí)表現為波動(dòng)性，而與物質(zhì)作用時(shí)又表現為粒子性。通常我們所說(shuō)的光是電磁波的一種，它通常由紫外光、可見(jiàn)光和近紅外光組成，其中1-390nm波段的光為紫外光UV，波長(cháng)為280-300nm波段為UV-B，它的強光可以殺死或嚴重損傷地球上的生物;200-280um波段為UV-C，它的強光可以殺死地球上一切生物，包括人類(lèi),比紫外光頻率更高的還有X光和γ射線(xiàn)等;390-760nm波段的光為可見(jiàn)光；波長(cháng)在760-1500nm為近紅外光，中紅外波段波長(cháng)范圍為1.5-25μm，遠紅外光譜波長(cháng)范圍25-300μm,比遠紅外光頻率更小或波長(cháng)更長(cháng)的有毫米波、微波、短波、中波和長(cháng)波等。而可見(jiàn)光又是由七色光組成的，即可見(jiàn)光含有紅色光、橙色光、黃色光、綠色光、藍色光和靛青光等色光[2]：?
紫色/nm靛青/nm藍色/nm綠色/nm黃色/nm橙色/nm紅色/nm
390-430430-450450-500500-570570-600600-630630-760
國際照明委員會(huì )統一規定的標準是：選水銀光譜中波長(cháng)為700nm的紅光為紅基色光，波長(cháng)為546.1nm的綠光為綠基色光,波長(cháng)為435.8nm的藍光為藍基色光。常規POF一般在紫外光波段并沒(méi)有很好的透光性，而石英光纖和特制的液芯光纖在這一區域有很好的透光率，POF在可見(jiàn)光區域有很好的透光率，由POF芯材選用氟化和氘化聚合物材料制備的POF在近紅外光區域才有很好的透光率。
光在真空中的傳播速度C為3×108m/s，光的傳輸波長(cháng)λ，頻率f和光速C之間關(guān)系參見(jiàn)如下公式:
C=fλ……………………(1)
其中f的單位為赫茲Hz或1／秒(s)，波長(cháng)的單位為米(m)。
只有真空的折射率n為1.0，故光在任一傳輸介質(zhì)的傳播速度V是光速除以該介質(zhì)的折射率，即：
光在真空中的傳播速度是最快的，傳輸介質(zhì)不同，其折射率不同，傳光速度也不同。相對而言，折射率大的傳輸介質(zhì)是光密介質(zhì)，折射率小的傳輸介質(zhì)是光疏介質(zhì)，對于POF而言，POF芯材為光密介質(zhì)，POF皮材為光疏介質(zhì)，由于光在光密媒介－芯材中的傳播速度會(huì )降低，故光在芯材中的傳輸速度慢于皮材中的傳輸速度;在空氣中，由于n≈1，光波的傳播速度接近于真空中的傳播速度C；純PMMA的折射率為1.49,故光在其中的傳輸速度約為2.01×108m/s。
光在均勻媒質(zhì)或不均勻媒質(zhì)中傳輸時(shí)，滿(mǎn)足費瑪(Fermat)原理，即光從空間一點(diǎn)到另一點(diǎn)是沿著(zhù)時(shí)間為極值的路程而傳播的，即光沿著(zhù)光程為最小或最大或恒量的路徑傳播。
2．幾何光學(xué)理論
要了解POF傳光原理，必須了解一些幾何光學(xué)的知識。
首先光學(xué)分為幾何光學(xué)和物理光學(xué)，幾何光學(xué)是研究光在均勻介質(zhì)中的傳播特性，通常采用直線(xiàn)來(lái)描述，它是研究光在介質(zhì)中傳播的基礎光學(xué)理論。物理光學(xué)又分為波動(dòng)光學(xué)和量子光學(xué),波動(dòng)光學(xué)認為光是一種電磁波，但它不能解釋光的微觀(guān)現象;量子理論認為光的能量不是連續分布的，光是一粒粒運動(dòng)著(zhù)的光子組成，每個(gè)光子具有確定的能量。幾何光學(xué)理論的四大基本定律為：
2.1光的直線(xiàn)傳播定律：在各向同性的均勻介質(zhì)中，光是沿直線(xiàn)傳播的。
2.2光的獨立傳播定律：不同光源發(fā)出的光線(xiàn)從不同方向通過(guò)某點(diǎn)時(shí)，彼此不影響，各光線(xiàn)的傳播不受其它光線(xiàn)影響。
2.3光的反射定律：當一束光投射到某一介質(zhì)光滑表面時(shí)，保存一部分光反射回原來(lái)的介質(zhì)，這一光線(xiàn)稱(chēng)為反射光線(xiàn)，反射光線(xiàn)、入射光線(xiàn)和法線(xiàn)位由于同一平面內，入射線(xiàn)同法線(xiàn)組成的角稱(chēng)為入射角，反射光線(xiàn)同法線(xiàn)組成的角稱(chēng)為反射角，反射角等于入射角，即θ1=θ3,其絕對值相等，這就是反射定律。
2.4光的折射定律：當一束光投射到某一介質(zhì)光滑表面時(shí)除了有一部分光發(fā)生反射外，還有一部分光通過(guò)介質(zhì)分界面入射進(jìn)第二傳輸介質(zhì)中，這一部分光線(xiàn)稱(chēng)為折射光線(xiàn)，折射光線(xiàn)和入射光線(xiàn)分別位于法線(xiàn)的兩側，折射光線(xiàn)位于入射光線(xiàn)和法線(xiàn)所決定的平面內。折射光線(xiàn)同法線(xiàn)組成的角稱(chēng)為折射角，入射角的正弦值同折射角正弦值的比值為一恒定值，這就是折射定律。需要指出的是采用幾何光學(xué)分析光在某一研究對象中的傳輸特性時(shí)，這一研究對象的幾何尺寸必須遠遠大于所傳輸的光波長(cháng)，這樣才能忽略波長(cháng)的長(cháng)度，否則就必須采用物理光學(xué)分析光在研究對象中的傳輸特性。也即是光纖纖芯直徑是所傳播光波長(cháng)的幾十倍或幾百倍時(shí)，其傳播現象就可用幾何光學(xué)而不用波動(dòng)光學(xué)來(lái)研究。
3．子午光線(xiàn)在階躍型POF中的傳輸
階躍型POF是一種具有芯皮結構的光纖。
子午平面指的是包含有光纖軸的平面，所謂子午線(xiàn)，就是光線(xiàn)的傳播路徑始終在同一平面內，子午光線(xiàn)總是和光纖軸相交的，光在一種均勻介質(zhì)傳播時(shí)是一種直線(xiàn)式傳播：當光從一種介質(zhì)傳至另一介質(zhì)表面時(shí)，一般同時(shí)發(fā)生反射和折射；如果光從折射率小的光疏介質(zhì)射入折射率大的光密介質(zhì)時(shí)，則折射角小于入射角；而當光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)折射角將大于入射角，因而當光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)就有可能出現只有反射而無(wú)折射的現象，這就是全反射，全反射是光折射的一種邊界效應，即光從一種透明介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)里而發(fā)生彎曲的現象。POF就是通過(guò)全反射原理進(jìn)行光傳輸的。
由折射定律公式可得出：
n1sinθ1=n2sinθ2(4)
這里n1、n2分為芯皮折射率，θ1、θ2分為入射角和折射角，設發(fā)生全反射的臨界角為θm，此時(shí)θ2=90°，故而
當入射角θ1>θm時(shí)，則光在芯皮界面上發(fā)生全反射，而當入射角θ1<θm時(shí)，則光在芯皮表面上出現折射，有一部分光從芯材泄漏至皮層外。由全反射臨界角同樣可推出光纖截面臨界入射光纖角θ0，在空氣和光纖截面界面上，同樣有：
n0sinθ0=n1sin(90°—θm)
=n1cosθm
其中，n0為空氣折射率，設定其值同于真空折射率值1.0即n0=1.0，因而
即外界光入射角θ小于θ0時(shí)，光線(xiàn)才能在光纖中以全反射的形式向前傳播，從光纖一端傳至光纖另一端，所以，光纖臨界接受角為：
故光在SIPOF光纖的傳輸方式為全反射式鋸齒型。
光纖數值孔徑是光纖一個(gè)重要指標之一，NA值越大，則θ0越大，光纖臨界入射角越大，則光纖端面接受光或發(fā)射光角度越大，光纖的集光能力愈強，愈便于光纖同光纖連接或同光源耦合。常規POF的光纖數值孔徑。
4．子午線(xiàn)在階躍型光纖中的幾何行程和反射次數
由于子午光線(xiàn)入射光纖中并不是同一角度，故而其在光纖中的幾何行程也不相同。無(wú)論是子午線(xiàn)在光線(xiàn)中的行程計算公式還是反射次數計算公式，都是假定光纖是處于非常理想狀態(tài)下：光纖非常直，光纖直徑均勻，光纖內部無(wú)缺陷和光纖入射端面平直等，倘若光纖不在這一理想條件下，則入射子午線(xiàn)全反射的狀況就會(huì )發(fā)生變化，如有的會(huì )從光纖中反射出，有的反射角會(huì )發(fā)生變化等，因此光纖的傳輸損耗也會(huì )增加。
5．斜光線(xiàn)在階躍型折射率POF中的傳輸
所謂斜面光線(xiàn)，就是光在光纖中傳輸中時(shí)，并不是像子午光線(xiàn)一樣保證在同一平面內，它在光纖中傳輸時(shí)，其軌道通常是一空間螺旋曲線(xiàn)，其最大入射角比子午線(xiàn)的大，但通常以子午線(xiàn)傳輸表征光纖的傳輸特性，自然這是最理想的一種狀況。
6.光在漸變型折射率分布POF中的傳輸
對于漸變型折射率GIPOF，同樣有子午線(xiàn)和斜光纖，這種光纖折射率并不是一恒定常數，而是隨著(zhù)離軸距離的`增加而折射率下降，其漸變折射分布圖參見(jiàn)如下；拋物線(xiàn)型折射率分布光纖具有較小的模式色散的特點(diǎn)，漸變折射分布有多種形式，當折射率分布按二次方拋物線(xiàn)分布時(shí)，子午線(xiàn)在光纖中的傳播路徑為正弦曲線(xiàn)型，參見(jiàn)下圖，斜光纖的傳播路徑為螺旋曲線(xiàn)，漸變型折射率POF多用于短距離數據傳輸，用于光纖照明較少。
?這種光纖傳輸的激光能量分布接近Gauss分布，即在光纖軸附近具有更高的光能量密度，也就是說(shuō)激光能量更為集中，其傳輸的激光功率密度（或稱(chēng)激光強度）I可認為與纖芯直徑α的平方成正比。若保持光纖傳輸的激光功率不變的話(huà)，減小光纖芯徑即減小傳輸激光能量的光纖纖芯的橫截面面積，則光纖傳輸的激光功率密度將增加[5]，當光在這種GIPOF傳輸時(shí)，可以說(shuō)是一種極低能量的傳輸，亦滿(mǎn)足如上所述的公式。
7．側面發(fā)光POF的傳光原理
側面發(fā)光POF是指光在光纖傳輸過(guò)程中，不僅將傳輸光從光纖的入射端面傳輸至出射端面，而且還有一部分光從光纖包覆層透射出來(lái)，從而形成光纖側面發(fā)光的現象，這種光纖被稱(chēng)為側面發(fā)光POF,其傳光示意圖如下，其實(shí)質(zhì)是傳輸光有一部分從光纖側面泄漏出，是一種光散射的結果，對于單芯側面發(fā)光POF多是由非固有損耗產(chǎn)生的，而對于多芯側面發(fā)光POF則是由于彎曲損耗產(chǎn)生的。
側面發(fā)光POF最顯著(zhù)的特征是側面發(fā)光，據JanisSpigulis等人[5].推算，側面發(fā)光POF的側面發(fā)光強度是隨其長(cháng)度的增加而呈指數性下降的，同于普通光纖光傳輸方向的發(fā)光強度是隨其傳輸長(cháng)度的增加呈指數下降，在作出如下假定后而得出的結論：
7.1側面發(fā)光的原理僅被認為是由于光纖芯傳輸輻射引起的。
7.2所有最初的側面散射光沒(méi)有損耗穿透光纖圓形表面，其結果是均勻地傳輸至光纖外表面。
側面發(fā)光POF在長(cháng)度為X米處的發(fā)光強度Is(x)可用如下公式表示：
Is(x)=Aexp(-kx)（24）
其中K為側面發(fā)光系數，單位m-1，常數A可用如下式表示：
A=(4π)-1I。(expk-1)（25）
其中I。是側面發(fā)光POF光輸入強度。
因此在實(shí)際使用過(guò)程中，為保證側面發(fā)光POF側面發(fā)光強度的均勻性，通常限制側面發(fā)光POF的使用長(cháng)度，并且在側面發(fā)光POF的兩端皆設置相同功率的光源或者一端設置全反射鏡或反光膜，當然前者在更長(cháng)的使用長(cháng)度上保證光纖側面發(fā)光的均勻性，選用雙光源的側面發(fā)光POF在某一處的發(fā)光強度IS2(x)可用如下公式（26）計算。
IS2(x)=A{exp(-kx)+exp[-k(L-x)]}（26）
其中L為側面發(fā)光POF總長(cháng)度。
選用全反射鏡計算的側面發(fā)光POF強度可用如下公式計算,側面發(fā)光POF的發(fā)光強度和距離的關(guān)系參見(jiàn)如下圖。
ISR(x)=A{exp(-kx)+Rexp[-k(2L-x)]}………（26）
其中R為鏡面反射率。
因存在光傳輸損耗，側面發(fā)光的亮度將隨著(zhù)與光源距離的增大而減小，為使光纖單位長(cháng)度內的亮度接近一致，可對單端光源的光纖按長(cháng)度進(jìn)行刻痕處理，隨光纖長(cháng)度遞增，刻痕間距遞減。在實(shí)際使用過(guò)程中，當側面發(fā)光POF的使用長(cháng)度在30m以下時(shí)，多配用一臺150W金鹵燈光源，另端配用反光鏡或反光膜；當側面發(fā)光POF的使用長(cháng)度在30～60m之間時(shí)，多配用兩臺150W金鹵燈光源，以保證側面發(fā)光POF的側面發(fā)光的均勻性，下圖為實(shí)測三根直徑為14mm的側面發(fā)光POF側面光照度示意圖，可以看出當選用一臺150W金鹵燈光源時(shí)，1.5m處POF側光照度為800lx左右，而60m處的照度不到20lx，照度計測試時(shí)離光纖的表面距離為2.5cm。
8．熒光POF的傳光原理
熒光POF就是在POF芯材中摻入一定量的熒光劑制備而成的POF，這種POF經(jīng)過(guò)特定波長(cháng)的光照射后，將發(fā)出特定波長(cháng)的光，其原理比較復雜，可簡(jiǎn)單認為基態(tài)分子中成鍵電子吸收光后激發(fā)，然后單線(xiàn)態(tài)分子返回到基態(tài)，即發(fā)出熒光。熒光POF按折射率分布結構分類(lèi)，可分為熒光SIPOF和熒光GIPOF，摻雜有機染料的POFA最重要特性是在寬波長(cháng)范圍內提供高功率輸出。熒光POF的傳光原理示意圖如下，它滿(mǎn)足一般的SI型光纖的傳光特性，但入射光的波長(cháng)不同于出射光的波長(cháng)。
熒光POF還有另一種傳光方式，這就是入射光可從側面照射熒光POF，出射光從光纖兩端面出射，當然入射光的波長(cháng)不同于出射光的傳輸波長(cháng)。
熒光材料的光特性主要依賴(lài)于基質(zhì)材料，熒光POF增益放大特性同泵浦波長(cháng)、熒光POF長(cháng)度及所用摻雜劑和濃度有關(guān)。所謂增益G是指POF輸出信號光功率Pout與輸入光功率Pin之間的一種比值。
9.結語(yǔ)
POF之所以能傳光是因為光纖具有芯皮結構，光在POF中傳輸是按全反射原理進(jìn)行傳光的，光在SIPOF中的傳輸方式為全反射式鋸齒型，光在GIPOF中的傳輸方式為正弦曲線(xiàn)型；同時(shí)為了簡(jiǎn)化計算，選用子午線(xiàn)進(jìn)行了參數計算，子午線(xiàn)就是光線(xiàn)的傳播路徑始終經(jīng)過(guò)光纖軸并在同一平面內，這些參數計算包括最大入射角或發(fā)射光角度、數值孔徑、子午線(xiàn)在階躍型光纖中的幾何行程及反射次數；側面發(fā)光POF和熒光POF也是按全反射原理進(jìn)行傳光的，對于單芯側面發(fā)光POF多是由非固有損耗導致側面發(fā)光，而對于多芯側面發(fā)光POF則是由彎曲損耗產(chǎn)生側面發(fā)光的。熒光POF經(jīng)過(guò)特定波長(cháng)光激發(fā)后發(fā)出特定波長(cháng)的光，而且激發(fā)光不僅可從端面入射，而且可從側面入射。
摘要：塑料光纖POF之所以能傳光是因為光纖具有芯皮結構，光在POF中傳輸是按全反射原理進(jìn)行的，光在SIPOF中的傳輸方式為全反射式鋸齒型，光在GIPOF中的傳輸方式為正弦曲線(xiàn)型；子午線(xiàn)就是光線(xiàn)的傳播路徑始終經(jīng)過(guò)光纖軸并在同一平面內，選用子午線(xiàn)進(jìn)行了參數計算，這些參數計算包括最大入射角或發(fā)射光角度、數值孔徑、子午線(xiàn)在階躍型光纖中的幾何行程及反射次數；側面發(fā)光POF和熒光POF也是按全反射原理進(jìn)行傳光的，對于單芯側面發(fā)光POF多是由非固有損耗導致側面發(fā)光，而對于多芯側面發(fā)光POF則是由彎曲損耗產(chǎn)生側面發(fā)光的。熒光POF經(jīng)過(guò)特定波長(cháng)光激發(fā)后發(fā)出特定波長(cháng)的光，而且激發(fā)光不僅可從端面入射，而且可從側面入射。