（材料物理與化學(xué)專(zhuān)業(yè)論文）太陽(yáng)能傳輸用空芯光纖的制備與損耗研究.pdf

摘要 為解決地球上日益緊張的能源危機(jī)，人們逐漸將目光轉(zhuǎn)向太陽(yáng)能，選擇纖維 光學(xué)和太陽(yáng)能利用技術(shù)結(jié)合的方法對(duì)室內(nèi)進(jìn)行照明，可以最大程度的節(jié)約能源。 本文以太陽(yáng)能傳輸用空芯光纖的制備與損耗研究為課題，選取內(nèi)徑為l m m 光纖 作為基管，利用液相法在內(nèi)壁先后鍍制金屬銀膜和電介質(zhì)p m m a 膜層，通過(guò)太 陽(yáng)能收集器耦合進(jìn)入h e c e m m a 泄漏型空芯光纖后，測(cè)試其損耗和衰減速率，評(píng) 價(jià)其傳輸性能。 本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能收集器主要收集3 8 0 - - - - 1 5 0 0 n m 波長(zhǎng)范圍的光，根據(jù) 拋物面鏡聚焦原理把平行入射的太陽(yáng)能匯聚成一個(gè)點(diǎn)光源，再導(dǎo)入空芯光纖進(jìn)行 傳輸。把光纖與收集器組裝后，為了減小光斑直徑引起的能量密度帶來(lái)的影響和 誤差，測(cè)量中午十二點(diǎn)至兩點(diǎn)時(shí)間范圍段太陽(yáng)能光密度變化變化來(lái)評(píng)價(jià)裝置的穩(wěn) 定性。 i g p m m a 泄漏型空芯光纖利用全反射原理傳輸太陽(yáng)光，金屬銀膜在 3 8 0 - - - 1 5 0 0 n m 波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射率高達(dá)9 0 ，為減小銀膜表面氧化引起的色散效 應(yīng)，須在銀膜上涂覆p m m a 透明電介質(zhì)層，對(duì)a g p m m a 復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)空芯光纖 進(jìn)行分析表征，通過(guò)s e i d 、f e s e m 測(cè)試研究薄膜的表面形貌和厚度，通過(guò)可見(jiàn)一 近紅外分光光度計(jì)來(lái)測(cè)試薄膜反射率，通過(guò)多功能光纖損耗測(cè)試儀來(lái)測(cè)試空芯光 纖的損耗和損耗和衰減速率，可得出如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果： l 、通過(guò)對(duì)泄漏型空芯光纖結(jié)構(gòu)理論的分析，確定了金屬銀膜厚度為0 2 t m ； p m m a 電介質(zhì)層理論最佳折射率為2 ，厚度為7 4 n m 。 2 、在基管內(nèi)鍍制銀膜時(shí)，確定銀氨液和還原液濃度分別為0 1 m o l l ， 0 0 2 5 m o l l ，反應(yīng)溫度為1 8 ，時(shí)間為2 m i n ，基管內(nèi)流量定2 5 m l m i n 。選取質(zhì) 量比為0 2 5 p m m a 丙酮溶液制備電介質(zhì)層，鍍制流量為2 5 r n l m i n ，反應(yīng)時(shí)間 為3 0 s ，制備的厚度為7 0 n m 。 3 、對(duì)碟式太陽(yáng)能收集裝置的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，中午十二點(diǎn)到兩點(diǎn)間光密度 變化為0 0 4 m w c m 2 m i n ，中午一點(diǎn)左右可獲得較強(qiáng)的光密度，可作為測(cè)試時(shí)間。 4 、從a g 與h g a m m h 結(jié)構(gòu)空芯光纖的損耗值比較可知，p m m a 電介質(zhì)膜 可有效降低衰減速率，后者衰減速率約為o 0 5 m w c m 2 天，對(duì)于a g p m m a 空芯 光纖進(jìn)行太陽(yáng)光傳輸應(yīng)用于生活生產(chǎn)中有重要的意義。 關(guān)鍵詞：a g p m m a 空芯光纖，太陽(yáng)能收集器，傳輸損耗和衰減速率 a b s t r a c t t or e l i e v et h eg r o w i n gt e n s i o ni nt h ee a r t h se n e r g yc r i s i s ，p e o p l et u r na t t e n t i o n s t os o l a re n e r g y , w i t ht h em e t h o do fc o m b i n i n gf i b e ro p t i c sa n ds o l a re n e r g yf o ri n d o o r l i g h t i n g ，f o rm a x i m i z ee n e r g ys a v i n g s i nt h i sp a p e r ，w es e l e c t e dt h el m m d i a m e t e r f i b e ra st h eb a s et u b e ，p l a t i n gm e t a l l i cs i l v e rf i l ma n dd i e l e c t r i cf i l mo nt h ei n n e rw a l l ， t h r o u g ht h es o l a rc o l l e c t o rc o u p l e di n t ot h ea g p m m ah o l l o wf i b e r , t e s t i n gi t sl o s s a n dd e c a yr a t e f i n a l l yw ee v a l u a t e di t sp r e p a r a t i o na n dt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e t h es o l a re n e r g yc o l l e c t o r p r i m a r i l y c o l l e c t e d38 0 - 15 0 0 n mr a n g eo fl i g h t ， a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so ft h ep a r a b o l i cm i r r o rf o c u s e dt h ei n c i d e n ts o l a re n e r g y , g a t h e r i n gap a r a l l e ll i g h ts o u r c ei n t oh o l l o wf i b e r , f o ro p t i m i z i n gt h e a s s e m b l eo f f i b e ra n dt h ec o l l e c t o r , d e c r e a s i n gt h eb e a md i a m e t e re r r o r , w em e a s u r e dt h et i m e r a n g eo f12 ：0 0t o 2 ：0 0s e c t i o no fs o l a rd e n s i t yc h a n g et oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo f d e v i c e s a g p m m al e a k a g eo fh o l l o wf i b e rt r a n s m i s s i o nu s i n gt o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o no f s u n l i g h t ，t h es i l v e rf i l m sr e f l e c t a n c ea sh i g ha s9 0 i nt h e3 8 0 15 0 0 n m ，w ec h o o s e p m m a t r a n s p a r e n td i e l e c t r i cl a y e rt op r o t e c tt h es i l v e rf i l ms u r f a c e t h ea g p m m a h o l l o wf i b e rw e r ec h a r a c t e r i z e db ys e m ，f e s e m ，t e s t i n gf i l ms u r f a c er o u g h n e s sa n d t h i c k n e s s ，t h r o u g h t h ev i s i b l e - n e a ri n f r a r e dr e f l e c t a n c es p e c t r o p h o t o m e t e ra n da m u l t i f u n c t i o n a lt e s t e rt o t e s tf i b e rl o s sh o l l o wf i b e rl o s sa n dd e c a yr a t e ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 、t h et h e o r yr e f r a c t i v ea n dt h i c k n e s so fp m m ad i e l e c t r i cl a y e rw a s4 2a n d7 4 n m ，t h e s i l v e rf i l m st h i c k n e s sw a s0 2 i - t m 2 、t h ec o n c e n t r a t i o no fs i l v e ra m m o n i aa n dr e d u c t i o ns o l u t i o nw e r e0 1 m o l l ， o 0 2 5 m o l l ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，t i m ea n dt h ef l o wr a t ew e r e18 ，2 m i n , 2 5 m l m i n s e l e c t e dt h ew e i g h tr a t i oo fa c e t o n es o l u t i o np r e p a r e d0 2 5 p m m ad i e l e c t r i cl a y e r , t h ef l o wr a t ea n dr e a c t i o nt i m ew e r e2 5 m l m i n ，3 0 s ，t h et h i c k n e s sw a s7 0 n m 3 、s o l a rc o l l e c t o rf o rt h eo p t i c a ld e n s i t yc h a n g eo 0 4 m w c m z m i nb e t w e e n12 ：0 0t o 2 ：0 0 ，1 ：0 0c a nb eu s e da st e s tt i m e 4 、f r o ma ga n da g p m m ah o l l o wf i b e rs t r u c t u r ec o m p a r i s o n , p m m ad i e l e c t r i c f i l mc a nr e d u c et h ed e c a yr a t e t h el a t t e rd e c a yr a t ei sa b o u to 0 5 m w c m z d a y , i t o w n e dg r e a te f f i c i e n c yf o rp r o d u c t i o na n dd a i l yl i f e k e y w o r d s ：a e ，p m m a h o l l o wf i b e r ；s o l a rc o l l e c t o r ；t r a n s m i s s i o nl o s sa n dd e c a yr a t e l i 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中 不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大 學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì) 本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 簽名：厶、日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即學(xué)校 有權(quán)保留、送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公布論 文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：恥導(dǎo)師繇壘蕉塾日期：翌紐：! ：l 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 長(zhǎng)期以來(lái)，人們就一直在努力研究利用太陽(yáng)能。我們地球所接受到的太陽(yáng)能， 只占太陽(yáng)表面發(fā)出的全部能量的二十億分之一左右，這些能量相當(dāng)于全球所需總 能量的3 - 4 萬(wàn)倍，可謂取之不盡，用之不竭。太陽(yáng)能和石油、煤炭等礦物燃料不 同，不會(huì)導(dǎo)致”溫室效應(yīng)”和全球性氣候變化，也不會(huì)造成環(huán)境污染。正因?yàn)槌Ｒ?guī) 能源資源的有限性和環(huán)境壓力的增加，使世界上許多國(guó)家重新加強(qiáng)了對(duì)太陽(yáng)能等 新能源和可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持近幾年，國(guó)際光伏發(fā)電迅猛發(fā)展，1 9 7 4 年至 1 9 9 7 年，美日等發(fā)達(dá)國(guó)家硅半導(dǎo)體光電池發(fā)電成本降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)在我 國(guó)，太陽(yáng)能的利用也一直是最熱門(mén)的話(huà)題，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)在集熱器已成 為太陽(yáng)能應(yīng)用最為廣泛、產(chǎn)業(yè)化最迅速的產(chǎn)業(yè)之一。 煤炭巨量消費(fèi)已成為我國(guó)大氣污染的主要來(lái)源。我國(guó)具有豐富的太陽(yáng)能、風(fēng) 能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿刃履茉春涂稍偕茉促Y源，開(kāi)發(fā)利用前景廣闊。 我國(guó)陸地面積每年接收的太陽(yáng)輻射總量在3 3 x 1 0 3 - - 8 4 x 1 0 6 k j m 2 之間，相當(dāng)于 2 4 x 1 0 4 億噸標(biāo)煤。全國(guó)總面積2 3 以上地區(qū)年日照時(shí)數(shù)大于2 2 0 0 h ，日照能量在 5 x 1 0 6 k j i n 2 以上。然而目前仍有大約6 0 0 0 萬(wàn)人生活在無(wú)電地區(qū)急需生活用電。 為盡快解決邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)人民的用電問(wèn)題，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電都成為可利用的 途徑，然而兩者所需成本都較高，于是人們逐漸將目光轉(zhuǎn)向太陽(yáng)光的直接利用， 通過(guò)簡(jiǎn)單有效的太陽(yáng)能跟蹤聚焦系統(tǒng)，以及耐熱、低損耗、低成本和寬光譜傳輸 的空芯塑料光纖，可以加大對(duì)太陽(yáng)能的直接利用和普及推廣。 利用太陽(yáng)光給人類(lèi)提供能源，將能解決地球上日益緊張的能源危機(jī)。生物能、 風(fēng)能，水能、溫差能和潮汐能，歸根結(jié)底都是太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化形式。即使是礦物燃 料，也是通過(guò)生物的化石形式保存下來(lái)的億萬(wàn)年以前的太陽(yáng)能。因而伴隨全球人 口的迅猛增長(zhǎng)，人類(lèi)賴(lài)以生存的資源加速耗竭，自然生態(tài)條件日益惡化，作為可 持續(xù)利用無(wú)污染的太陽(yáng)光等新能源，充分發(fā)掘其使用技術(shù)的研究工作引起國(guó)際社 會(huì)愈來(lái)愈多的關(guān)注。 1 1 太陽(yáng)能技術(shù)利用現(xiàn)狀 太陽(yáng)能( s o l a r ) 一般是指太陽(yáng)光的輻射能量，在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。太陽(yáng) 能的利用有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部或者表面的黑子 連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 武漢理t 大學(xué)碩士學(xué)位論文 為1 3 6 9 w m 2 。地球赤道的周長(zhǎng)為4 0 0 0 0 k m ，從而可計(jì)算出，地球獲得的能 量可達(dá)1 7 3 0 0 0 t w 。太陽(yáng)以電磁波的形式向地表輻射，穿過(guò)厚度為1 5 x 1 0 8 k m 的高空云層后到達(dá)地球表面，透過(guò)時(shí)間約需要l o 分鐘。地球處于太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)的 路徑中，并用一半的球體面積來(lái)承受太陽(yáng)光照射。由于照射角度不同，地球球體 表面上不同部分所承受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不盡相同。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度 為1k w m 2 ，當(dāng)?shù)厍蛱幵谌掌骄嚯x上時(shí)，與太陽(yáng)入射光線(xiàn)垂直的單位面積和時(shí) 間內(nèi)，照射在地球與大氣邊界上的太陽(yáng)輻射能大約為1 3 8 5 7 w m 2 ，此數(shù)值即是 所謂的太陽(yáng)常數(shù)瞠。，太陽(yáng)距離地球數(shù)值的平方愈大，太陽(yáng)入射光線(xiàn)垂直的地球單 位面積上能夠接收到的輻射能量愈小，即成反比關(guān)系。由于n 、0 2 、0 3 、h 2 0 蒸氣等其它大氣中懸浮分子的強(qiáng)烈吸收與光線(xiàn)在大氣層中的散射，使得光線(xiàn)在紅 外和紫外波段消失的能量較其他區(qū)域多，由于在海平面上太陽(yáng)輻照度能量范圍大 部分集中在o 3 8 1 5hm ，因此，為了在地球上更好的利用太陽(yáng)能，多考慮波 長(zhǎng)在0 3 8 一1 5 | lm 范圍內(nèi)的輻射昭。3 1 。 e 尋2 e 1 竺， ： i n 雹 哼士i r 口了 皇o 可見(jiàn)光 波長(zhǎng)( p r o ) 圖1 1 太陽(yáng)輻照示意圖 近十幾年來(lái)，利用太陽(yáng)能技術(shù)不斷獲得長(zhǎng)足的進(jìn)步。利用太陽(yáng)能進(jìn)行照明可 以通過(guò)光一電一光兩次能量轉(zhuǎn)換的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，光一電轉(zhuǎn)換可以通過(guò)光熱發(fā)電或光 伏系統(tǒng)進(jìn)行，其中光伏照明系統(tǒng)被認(rèn)為是人類(lèi)最理想的照明供電解決方案。光伏 照明系統(tǒng)主要應(yīng)用于無(wú)電地區(qū)城鎮(zhèn)道路照明，尤其適用于日照強(qiáng)度高、太陽(yáng)能資 源豐富、無(wú)電網(wǎng)或遠(yuǎn)離電網(wǎng)及環(huán)保節(jié)能地區(qū)的路燈工程照明。能有效利用自然能 源，通過(guò)安全的清潔發(fā)電來(lái)照明的系統(tǒng)，是供電困難環(huán)境下最佳照明系統(tǒng)。整個(gè) 過(guò)程自動(dòng)控制，無(wú)需人為操作。傳統(tǒng)的光伏照明系統(tǒng)由太陽(yáng)電池板、蓄電池、充 放電控制器、逆變器和傳統(tǒng)光源燈具等幾部分組成，在通過(guò)光一電一光的轉(zhuǎn)換進(jìn)行 照明的途徑中，光熱發(fā)電和光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率一般都在1 5 左右，再加上系統(tǒng) 損耗及電光轉(zhuǎn)換，使得采用這種光一電一光轉(zhuǎn)換的綠色能源利用率僅為8 以下。 2 武漢理工大學(xué)碩十學(xué)位論文 然而，由于太陽(yáng)能自身固有的以下缺點(diǎn)h 1 ，使得廣泛應(yīng)用太陽(yáng)能資源一直受到各 方面制約。 ( 1 ) 分散性：盡管到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射的總量很大，但是能流密度 很低。平均說(shuō)來(lái)，北回歸線(xiàn)附近，夏季在天氣較為晴朗的情況下，正午時(shí) 太陽(yáng)輻射的輻照度最大，在垂直于太陽(yáng)光方向1 平方米面積上接收到的太 陽(yáng)能平均有10 0 0 w 左右；若按全年日夜平均，則只有2 0 0 w 左右。而在冬 季大致只有一半，這樣的能流密度是很低的。因此，在利用太陽(yáng)能時(shí)，為 確保定的轉(zhuǎn)換功率，往往需要面積大，造價(jià)較高的收集和轉(zhuǎn)換設(shè)備。 ( 2 ) 不穩(wěn)定性：由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件 的限制以及晴、陰、云、雨等隨機(jī)因素的影響，所以，到達(dá)某一地面的太 陽(yáng)輻照度既是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這給太陽(yáng)能的大規(guī)模應(yīng)用增加了 難度。為了使太陽(yáng)能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能 源相競(jìng)爭(zhēng)的替代能源，就必須很好地解決蓄能問(wèn)題。 ( 3 ) 效率低和成本高：目前太陽(yáng)能利用的發(fā)展水平，有些方面在理論上 是可行的，技術(shù)上也是成熟的。但有的太陽(yáng)能利用裝置，因?yàn)樾势停?成本較高，總的來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)性還不能與常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)。在今后相當(dāng)一段 時(shí)期內(nèi)，太陽(yáng)能利用的進(jìn)一步發(fā)展，主要受到經(jīng)濟(jì)性的制約。 近年來(lái)，種直接利用太陽(yáng)光進(jìn)行室內(nèi)照明的裝置得到發(fā)展。在這種太陽(yáng)光 照明方案中，省卻了光一一電一一光的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，直接利用太陽(yáng)光進(jìn)行照明，可 以節(jié)約大量能源。據(jù)美國(guó)2 0 0 0 年官方統(tǒng)計(jì)，美國(guó)一天用于照明的電力費(fèi)用為0 1 億美元，占整個(gè)電力消耗的2 5 。其中4 0 的消耗是在外界陽(yáng)光非常充沛的時(shí)候， 也就是說(shuō)，當(dāng)外界陽(yáng)光普照的時(shí)候，美國(guó)人每天還要花費(fèi)4 0 0 萬(wàn)美元在室內(nèi)采用 人造光源照明。采用太陽(yáng)光室內(nèi)照明裝置，在年日照時(shí)間2 6 0 0 b 時(shí)的地區(qū)可以 節(jié)省7 0 的日間照明費(fèi)用，以美國(guó)為例，如果所有建筑都采用日光進(jìn)行日問(wèn)照明， 每天可以節(jié)省能源費(fèi)用2 8 0 萬(wàn)美元。這種產(chǎn)品好處并不僅僅限于節(jié)能，其更重要 的意義在于對(duì)人體健康的益處。眾所周知，陽(yáng)光對(duì)于人體健康是非常重要的，它 可以促進(jìn)人體鈣質(zhì)吸收、提高人體免疫機(jī)能、殺滅室內(nèi)有害細(xì)菌、促進(jìn)人體新陳 代謝，適當(dāng)?shù)亟佑|陽(yáng)光，還可以延緩人體老化過(guò)程，這些都是任何人造光源所不 能替代的。 綜上所述，研究和開(kāi)發(fā)傳輸太陽(yáng)能用光纖，利用其將高能量密度太陽(yáng)能直接 傳輸?shù)叫枰米匀还饽艿墓I(yè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和家庭生活中，具有重大的社會(huì)和經(jīng) 濟(jì)效益。太陽(yáng)能資源豐富、廉價(jià)、清潔、分布廣泛、取之不盡、用之不竭，是人 類(lèi)未來(lái)的主要能源。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 光纖傳能的應(yīng)用發(fā)展與空芯光纖的研究現(xiàn)狀 1 2 1 光纖傳能的應(yīng)用發(fā)展 光纖的全稱(chēng)為光導(dǎo)纖維，它作為光波波段傳輸?shù)囊环N介質(zhì)波導(dǎo)。利用全反射 原理，光以電磁波能量的形式，在其界面內(nèi)傳輸，并使得光線(xiàn)沿著光纖軸線(xiàn)平面 方向前進(jìn)。按應(yīng)用領(lǐng)域可將其分為兩類(lèi)：一類(lèi)是用于傳輸能量的，即傳能光纖： 一類(lèi)是用于傳輸光學(xué)信號(hào)的，即通信光纖。本文所研究的傳能光纖主要是用于可 見(jiàn)光波段光能傳輸。 光纖照明早在2 0 世紀(jì)3 0 年代就已經(jīng)被人們所接受，最早是由美國(guó)的威廉 惠勒在1 8 8 0 年申請(qǐng)的專(zhuān)利中提出的當(dāng)時(shí)稱(chēng)之為“管道照明”裝置，它是由內(nèi)涂 反射層的管子把中心光源的光引至若干個(gè)需要照明的地點(diǎn)。主要采用的光纖為集 束玻璃光纖，但由于其使用成本極高，基本無(wú)法達(dá)到大規(guī)模實(shí)用階段喵3 。我國(guó)從 事光纖研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的科研院所在8 0 年代后期也取得了一定突破。光纖逐 漸進(jìn)入計(jì)算機(jī)通信和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，并在裝飾照明方面拓展哺3 。 選擇纖維光學(xué)和太陽(yáng)能利用技術(shù)結(jié)合的方法對(duì)室內(nèi)進(jìn)行能量傳輸或照明，省 去能量轉(zhuǎn)換的中間過(guò)程，更多的拓寬太陽(yáng)能的使用范圍口1 ，可以最大程度的節(jié)約 能源。相比于傳統(tǒng)的用于電能傳輸?shù)慕饘匐娎|，光纖具有直徑小、繞性好、重量 輕、耗材少、使用方便、節(jié)省自然資源等優(yōu)點(diǎn)，再者，光纖傳輸能量密度高，所 以利用光纖對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行傳輸，將光纖傳能技術(shù)廣泛的應(yīng)用在太陽(yáng)能領(lǐng)域，將成 為未來(lái)前景中的重點(diǎn)。 光纖傳輸太陽(yáng)能系統(tǒng)由光纖直接傳輸太陽(yáng)能系統(tǒng)和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換光纖傳輸系 統(tǒng)兩部分組成剖，前者的結(jié)構(gòu)由聚光器一光纖一光能使用器件三部分構(gòu)成，后者 則可有如下列出幾種： 聚光器一太陽(yáng)能激光器一光纖一光電轉(zhuǎn)換器 熒光聚光器一激光器一光電轉(zhuǎn)換器 光電轉(zhuǎn)換器一激光器一光纖一光電轉(zhuǎn)換器 聚光器的作用可將密度性較低的太陽(yáng)能聚集處理成為高密度的太陽(yáng)能光斑， 實(shí)現(xiàn)光纖與聚光器的高效組裝，為下一步光纖傳輸太陽(yáng)能制造前提條件。目前通 過(guò)聚光器的最大聚光功率可將是太陽(yáng)能功率密度提高5 萬(wàn)倍。光能使用器件種類(lèi) 繁多，就目前而言，光纖燈在光纖直接傳輸太陽(yáng)能系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位。 太陽(yáng)能光導(dǎo)采光實(shí)驗(yàn)裝置與其裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光路示意圖如1 - 2 所示呻1 ： 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖卜2 太陽(yáng)能光導(dǎo)采光實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光路示意圖 太陽(yáng)能光纖采光屬于自然光，對(duì)人眼睛的適應(yīng)能力強(qiáng)。太陽(yáng)能光纖傳輸系 統(tǒng)可以傳輸太陽(yáng)光譜中的近紫外光、可見(jiàn)光和近紅外光，用于照明、能量傳送等。 該系統(tǒng)不僅僅可以節(jié)省大量的常規(guī)電能，而且安全可靠，顯著地改善了陰暗潮濕 處的生活和工作環(huán)境。在光纖接收端的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)濾除紫外、紅外成分的濾光器再 聚焦到光纖端面，使得光纖照明中的光線(xiàn)沒(méi)有紅外線(xiàn)，而且可以濾除絕大部分的 紫外線(xiàn)，最適合博物館、美術(shù)館等對(duì)紅外、紫外成分有嚴(yán)格限制的場(chǎng)所的珍貴物 品的照明。另外還可以把換色片安裝在接收端，通過(guò)換色片的轉(zhuǎn)換顏色，實(shí)現(xiàn)光 纖照明豐富多彩的照明效果，國(guó)內(nèi)外光纖照明的應(yīng)用有如下幾個(gè)方面n 0 。1 1 3 ： ( 1 ) 室內(nèi)和噴泉水下照明。在室內(nèi)裝飾中，用光纖側(cè)段發(fā)光均勻勾勒出物體 輪廓線(xiàn)條，在末端發(fā)光系統(tǒng)上配置透鏡型發(fā)光終端附件用在室內(nèi)大廳，光暈照明 可以更好的突出立體感?；诠饫w照明實(shí)現(xiàn)了光電分離，故其用在水景裝飾中安 全可靠。用于室外噴泉水下照明，經(jīng)比較照明效果和安全性均優(yōu)于低壓水下照明 系統(tǒng)。 ( 2 ) 珍貴物品照明。一般的燈光因紫外光的作用，使圖書(shū)文物、木結(jié)構(gòu)等 建筑物加速老化，并會(huì)造成大火的潛在隱患；對(duì)于名貴的手表、珠寶店等，因采 用的普通燈具中含有紅外線(xiàn)，很容易發(fā)熱，商品中的水分會(huì)逐漸消失，質(zhì)地不斷 下降，價(jià)值也會(huì)有所下降色。采用光纖照明，既安全又能達(dá)到理想的藝術(shù)效果。 ( 3 ) 易燃易爆場(chǎng)合。在礦區(qū)、油庫(kù)等嚴(yán)禁火種的危險(xiǎn)場(chǎng)所，從安全角度看，因 光與電分開(kāi)，所以光纖照明應(yīng)是一種最理想的照明。 作為新興的照明技術(shù)，光纖照明的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展 及其產(chǎn)品的規(guī)模化生產(chǎn)，光纖照明產(chǎn)品將在更多領(lǐng)域得到寬廣的應(yīng)用。 1 2 2 空芯光纖的研究現(xiàn)狀 依據(jù)不同的分類(lèi)條件，空芯光纖可歸屬為不同類(lèi)別，由于光線(xiàn)在空芯光纖介 質(zhì)中具有不同的傳播特點(diǎn)，故可將空芯光纖分為兩類(lèi)n 卜峙1 ：類(lèi)是泄漏型空芯光 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 纖( l e a k yt y p ef i b e r ) ，其特點(diǎn)是光線(xiàn)照射到折射率n 大于空氣折射率( n 1 ) 的 電介質(zhì)膜或金屬高反射膜上發(fā)生高反射而進(jìn)行傳輸。另一類(lèi)稱(chēng)為衰減全反射型空 芯光纖( a t rf i b e r ) ，其特點(diǎn)是光線(xiàn)照射到小于空氣折射率( n 1 ) 的材料上發(fā)生全 發(fā)射而進(jìn)行的光波傳輸。 不同結(jié)構(gòu)的泄漏型空芯光纖所采用的電介質(zhì)膜、高反射膜基本相同，但由于 基管可選用塑料、玻璃、金屬三種不同的材料n 4 ?！? ，三者的力學(xué)性能、內(nèi)表面的 光滑度、熱學(xué)性質(zhì)對(duì)空芯光纖的傳輸性能具有顯著的影響。塑料基管與其他基管 相比，柔韌性非常好，但其熱學(xué)性能較差，在傳輸高能激光時(shí)，難以滿(mǎn)足要求。 金屬基管具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)，但內(nèi)表面處理困難，導(dǎo)致了空芯光纖 的損耗較大。對(duì)于玻璃基管來(lái)說(shuō)，盡管其力學(xué)性能和熱學(xué)性能較之金屬差，但其 內(nèi)表面非常光滑，而且制備工藝較為簡(jiǎn)單，因此在空芯光纖實(shí)用化道路上得到發(fā) 展。 對(duì)比傳統(tǒng)的實(shí)芯光纖結(jié)構(gòu)而言，空芯光纖可以克服如下兩點(diǎn)缺陷：一是實(shí)芯 結(jié)構(gòu)所存在的結(jié)構(gòu)缺陷大大降低了光纖的能量傳輸閾值，二是芯層材料的折射率 較大，耦合時(shí)光纖端面產(chǎn)生的反射損失比較大n 7 | 。由此可知，與其它類(lèi)型的光 纖相比，空芯光纖具有下述明顯的優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 采用具有高度均勻性的空氣作為傳輸介質(zhì)，極大地減少了光傳輸時(shí)由 于介質(zhì)不均勻而引起的散射幾率，散射損耗小。 ( 2 ) 采用空氣作為傳輸介質(zhì)，可有效的避開(kāi)實(shí)芯光纖中引入的過(guò)渡金屬離 子和o f f 以及其它雜質(zhì)，很大程度上減少了吸收損耗。 ( 3 ) 采用晶體或氧化物玻璃作為光纖材料，空芯光纖的光學(xué)和化學(xué)性能都 比較穩(wěn)定。 ( 4 ) 采用折射率約為1 的空氣作為傳輸介質(zhì)，無(wú)終端反射，不需要在空芯 光纖端面涂覆反射涂層，可很好的降低耦合損耗。 ( 5 ) 采用空氣作為傳輸介質(zhì)，使光束分散性小，保證了高密度光斑的輸出 質(zhì)量。 ( 6 ) 空氣傳輸介質(zhì)對(duì)光的吸收小，降低了吸收光而轉(zhuǎn)化成的熱量，而且空 芯光纖芯徑較大，空氣介質(zhì)能很好的散熱?；谶@兩方面的原因，使得空芯光纖 具備較大的能量損傷閾值，即不致于因傳輸介質(zhì)吸收較多的光引起較大的熱效應(yīng) 而損壞光纖，從而可傳輸較大功率的能量。 ( 7 ) 通過(guò)合理的基材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使空芯光纖既具備良好的韌性同時(shí)具 有很好的力學(xué)性能，更容易實(shí)現(xiàn)改變方向的彎曲傳輸。 ( 8 ) 空芯光纖性能穩(wěn)定，能夠經(jīng)受高溫、紫外線(xiàn)的照射且空芯光纖中沒(méi)有 引入毒性元素，可安全放心的適用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和家庭應(yīng)用。 6 武漢理t 大學(xué)碩士學(xué)位論文 綜合空芯光纖多方面的優(yōu)點(diǎn)，它應(yīng)理應(yīng)作為當(dāng)今太陽(yáng)能直接傳輸中最具競(jìng)爭(zhēng) 力的一種選擇。因此，在能夠進(jìn)行低損耗穩(wěn)定傳輸太陽(yáng)能應(yīng)用的基礎(chǔ)，更有目標(biāo) 的研究和開(kāi)發(fā)空芯光纖，是勢(shì)在必行的趨勢(shì)。 1 3 太陽(yáng)能收集器研究背景 針對(duì)太陽(yáng)能低密度性的缺點(diǎn)，可采取聚焦的方法解決，目前應(yīng)用廣泛，技術(shù) 成熟的形式包括塔式系統(tǒng)、槽式聚焦系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)n8 。由于前兩種聚焦系統(tǒng)無(wú) 法將收集的太陽(yáng)光線(xiàn)濃縮聚焦成直徑很小的光斑，所以它們不適合用來(lái)光纖的能 量傳輸。 在2 0 世紀(jì)7 0 年代末期到8 0 年代初期，碟式聚焦系統(tǒng)由n a s a ，a d v a n c o c o r p o r a t i o n ，m d a c ，d o e 及瑞典的u s a b 等多家機(jī)構(gòu)發(fā)起研究，主要用于太陽(yáng) 能熱發(fā)電技術(shù)，接下來(lái)德國(guó)、韓國(guó)、中國(guó)等國(guó)家的科研部門(mén)陸續(xù)展開(kāi)碟式聚光太 陽(yáng)能整合器件的研制開(kāi)發(fā)，已有部分國(guó)家完成樣機(jī)測(cè)試n 蝴1 。太陽(yáng)能收集器是利 用碟式拋物面鏡聚焦的原理設(shè)計(jì)而成，其特點(diǎn)在于平行入射的太陽(yáng)光首先被匯聚 成為點(diǎn)光源，而后通過(guò)聚焦面鏡耦合進(jìn)空芯光纖內(nèi)傳輸。聚光器種類(lèi)如圖1 4 所示口，可分為： 1 一次反射結(jié)構(gòu)：太陽(yáng)光經(jīng)槽式聚光器聚光后，照射在真空集熱管上，由吸 收涂層吸收后，完成光熱轉(zhuǎn)換。 2 二次反射結(jié)構(gòu)：采用定日鏡一拋物面反射結(jié)構(gòu)，即用一組定日鏡將太陽(yáng)光 反射到一臺(tái)拋物面鏡上，陽(yáng)光經(jīng)二次聚焦后，取得了較大聚光比，從而使系統(tǒng)取 得較高的集熱溫度。 3 拋物面一拋物面反射結(jié)構(gòu)：采用拋物面一拋物面反射結(jié)構(gòu)，即在一次聚 焦的拋物面鏡焦線(xiàn)處，放置二次聚焦拋物面鏡，集熱管放置在二次聚焦的拋物 面焦線(xiàn)上。陽(yáng)光經(jīng)二次聚焦后，取得了較大聚光比，從而使系統(tǒng)取得較高的集熱 溫度。兩次聚光結(jié)構(gòu)放置在同一支架結(jié)構(gòu)上，可節(jié)省許多材料，降低成本，便于 維護(hù)。 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 定 日 董 平面一拋物面 b 拋物面一拋物面 c 拋物面一c p c 圖卜3 太陽(yáng)能聚光器分類(lèi) 如今，碟式聚光太陽(yáng)能收集器存在著匯聚的焦面光斑中間能量高，拋物面上 能量分布不均勻等問(wèn)題，針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合拋物面鏡的光學(xué)特性，綜合考慮太 陽(yáng)光線(xiàn)指向誤差、不平行度、焦面位置誤差以及鏡面的反射誤差等因素，科學(xué)計(jì) 算出一種典型碟形旋轉(zhuǎn)拋物面收集器的濃縮度和焦面光斑直徑，獲得在允許誤差 范圍內(nèi)邊緣角對(duì)光斑直徑和濃縮度的影響。 1 4 光纖傳光的物理過(guò)程和影響因素 1 4 1 光纖傳光的物理過(guò)程 我們以階躍型光纖為例，來(lái)分析光在光纖中傳播的物理過(guò)程。由于階躍型光 纖是各向同性、均勻、無(wú)源場(chǎng)的介質(zhì)，光傳播的波動(dòng)方程為乜2 刪： v 2 ( 吾) = 弘t ，8 。3 a x 2 2 ( 菩) c ， v 2 ( 言) 廚( 舌) ：o ( 2 ) f v 2 ( 號(hào) ) + ( 盯蕞2 一3 2 ) ( 寺) = o 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 式中：n 一芯體材料的折射率； k 一波數(shù)2 入； t 3 一傳輸系數(shù)。 由于我們研究的對(duì)象是沿著光纖軸線(xiàn)方向傳播的光波，并且認(rèn)為光纖是無(wú)限 長(zhǎng)的乜4 】，不可能沿z 軸產(chǎn)生反射波，e 和h 的每一分量都可寫(xiě)成沿z 方向傳播的 形式。利用分離變量法和全反射條件n 。k 1 3 n 。k ，可得到在芯體內(nèi)和包層內(nèi)應(yīng) 滿(mǎn)足貝塞爾方程： 粵+ 業(yè)+ 磚囂= 0 0(4)r 面r + f + “n 一 等+ 嚳+ j 掰書(shū)洲】_ 0 解出上述兩方程以后，即可確定電磁波在光纖傳播的規(guī)律，由于起感光作用 的主要是e ，因此只研究e 的分布與傳輸規(guī)律即可滿(mǎn)足光導(dǎo)采光的要求。 1 4 2 光纖影響因素 ( 1 ) 光纖的材料和結(jié)構(gòu)對(duì)光纖的傳輸特性起決定性作用，在傳輸波長(zhǎng)0 3 8 一1 5pi n 可見(jiàn)光范圍內(nèi)，為了制備比較理想的可見(jiàn)光傳能光纖，材料應(yīng)該具有 在可見(jiàn)光區(qū)透過(guò)率高、易于加工等特點(diǎn)。為了滿(mǎn)足制造低損耗可見(jiàn)光光纖的要求， 對(duì)材料的要求主要是：a 吸收、散射損耗?。篵 材料折射率低，可選擇工作波長(zhǎng)適 合于工作要求：c 材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定：d 易于加工制成光纖。 根據(jù)分析，設(shè)光學(xué)纖維的長(zhǎng)度為l ，光纖芯料玻璃的吸收系數(shù)為q 。端面的 折射率為n 。，入射角為0 。，入射光線(xiàn)經(jīng)過(guò)端口，進(jìn)入光學(xué)纖維的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)傳輸 后的光通量表示為n 力： f。j r 2 紙a ) = 蹦d 型- i f l 一虹鞏t n ；y l ij 麓霉l p - a l s o e e , 】 在此，我們只是假設(shè)在全反射條件下，以及芯料與皮料之間是理想的接觸 面。從關(guān)系式可以看出光學(xué)纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，吸收系數(shù)大，或者入射角過(guò)大都將影 9 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 響光學(xué)纖維的透過(guò)率。所以要想提高光學(xué)纖維的透過(guò)率，就必須在原材料上選擇 低吸收系數(shù)的光纖玻璃。 ( 2 ) 由于入射光在光纖中不可避免地會(huì)產(chǎn)生吸收、散射及透射等現(xiàn)象，所以 導(dǎo)致光纖傳輸激光功率隨光纖長(zhǎng)度的增加而衰減。通常用d b 數(shù)來(lái)表示衰減度， 當(dāng)耦合光纖足夠長(zhǎng)時(shí)，由光纖長(zhǎng)度引起的衰減不可忽視。同樣，光纖彎曲引起的 能量損耗也是不可忽視的。隨著光纖曲率的增大，光線(xiàn)在纖芯和包層界面上發(fā)生 全反射的條件將難以滿(mǎn)足，激光在光纖中傳播時(shí)的散射和透射將愈強(qiáng)，即能量損 耗愈大。 從纖維光學(xué)瞳3 3 的原理可知，光在光纖中因芯皮界面發(fā)生全反射而得以向前傳 輸，對(duì)于光纖芯皮材質(zhì)相同，長(zhǎng)度相同，入射角相同而直徑不同的光纖而言，傳 輸光在大口徑光纖中的反射次數(shù)明顯低于小口光纖。對(duì)于入射光能量分布按 g a u s s 分布的光纖來(lái)說(shuō)，其傳輸?shù)募す鈴?qiáng)度歹可認(rèn)為與纖芯半徑昂的平方成反 比，因此，若保持光纖傳輸?shù)墓β什蛔兊脑?huà)，減小光纖芯徑即減小傳輸能量的光纖 纖芯的橫截面面積，則光纖傳輸?shù)墓β拭芏葘⒃黾印?( 3 ) 光纖的數(shù)值孔徑n a 的大小既表征光纖的受光能力，同時(shí)又反映了光纖 輸出光束的發(fā)散程度。在圖1 - 5 中，角廬表示發(fā)生全反射的臨界角。不難推想， 在端面入射的光線(xiàn)中，凡是落入半錐角為9 。的圓錐角以?xún)?nèi)的入射光線(xiàn)，均可在 光纖中形成受導(dǎo)光線(xiàn)堙4 j 。 圖1 - 4 全反射臨界角矽的子午線(xiàn)入射光光路示意圖 光纖的數(shù)值孔徑n a = n o s i n 矽。，其中空氣的折射率7 0 ：1 ，由斯涅耳定理和臨 界全反射條件可知：n a = ( n ，一n ：) “2 光纖的數(shù)值孔徑越大，則受光角度范圍越大，同時(shí)出射光束的發(fā)散角也越大。 因此，在保持光纖傳輸激光功率不變的前提下，光纖的數(shù)值孔徑越小，則出射激光 的功率密度越大。 對(duì)于某一特定材料的光纖而言，在某一光波段范圍內(nèi)，光傳輸好，光透過(guò) 率高，在該范圍外，則光損耗大，光透過(guò)率小。光纖耦合引起的衰減不容忽視。 解決上述矛盾的途徑之一是在耦合處使用透鏡，將激光束聚焦堙引。事實(shí)上，采用聚 焦、準(zhǔn)直、光纖端面拋光、緊配合及固定密封等技術(shù)已成為降低因耦合引起的能 量損耗的重要手段。泄漏型空芯光纖的研制相對(duì)成熟，相應(yīng)的制備方法以及光纖 1 0 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 的種類(lèi)較多，光纖損耗也較低。但泄漏型空芯光纖還存在一些實(shí)際問(wèn)題。由于泄 漏型空芯光纖是通過(guò)光線(xiàn)在金屬表面的鏡面高反射效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光線(xiàn)的傳輸?shù)模?線(xiàn)在電介質(zhì)層和金屬層的同一部位可能發(fā)生多次高反射，容易產(chǎn)生局部過(guò)熱效 應(yīng)。一旦出現(xiàn)過(guò)熱效應(yīng)，材料原有的介電性能、光學(xué)性能都將在過(guò)熱的環(huán)境中出 現(xiàn)下降，結(jié)果使光導(dǎo)性能變差。電介質(zhì)膜層厚度是影響光損耗的重要因素，還需 要考慮金屬高反射層及其表面的鹵化物或聚合物電介質(zhì)層具有老化現(xiàn)象，此現(xiàn)象 使光導(dǎo)性能變差，將會(huì)產(chǎn)生光線(xiàn)被該部位的材料集中吸收的惡性循環(huán)，光線(xiàn)在金 屬和電介質(zhì)層之間的無(wú)限次泄漏和反射將使光線(xiàn)的傳輸模式變得十分混亂啪1 ，使 光纖因局部損壞而導(dǎo)致整體傳輸功能喪失，這對(duì)輸出光線(xiàn)的聚焦不利。 1 5 選題的研究目的和意義 目前，空芯光纖傳輸太陽(yáng)能的技術(shù)還不足夠成熟，多數(shù)只能實(shí)現(xiàn)近距離內(nèi)的 傳輸。因此，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的光纖傳輸太陽(yáng)能是眾多急需面對(duì)和解決的課題之一。 針對(duì)太陽(yáng)能在光纖中進(jìn)行直接傳輸時(shí)的于光纖的損耗問(wèn)題，尋求某種方式，研制 出合適的低損耗傳能光纖是光纖傳輸面臨的首要問(wèn)題。 傳輸?shù)奶?yáng)光波長(zhǎng)范圍主要集中在0 3 8 1 5l ai n 之間，理論上介于此波長(zhǎng) 范圍之間，沒(méi)有那種物質(zhì)在此波段的傳播速度比在真空中大，所以傳輸太陽(yáng)能只 能選擇折射率小于1 的泄漏型波導(dǎo)。為了進(jìn)一步拓展研究領(lǐng)域，提高光纖的性能 和傳輸水平，經(jīng)過(guò)查閱大量文獻(xiàn)，本文以“太陽(yáng)能傳輸用空芯光纖的制備與損耗 研究”為課題，選擇a g p m m a 空芯光纖材料的制備、結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)作為研究 課題。針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題，擬在以下三個(gè)方面開(kāi)展研究： ( 1 ) 針對(duì)a g p m m a 復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)空芯光纖，綜合考慮質(zhì)量、工藝、環(huán)保和 成本等因素，研究一種具有綜合優(yōu)勢(shì)、反應(yīng)條件溫和、操作簡(jiǎn)便的合成方法。 2 ) 通過(guò)對(duì)反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)濃度等參量的篩選與比較，得到制各 a g p m m a 復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)空芯光纖的方案。 ( 3 ) 對(duì)a g p m m a 復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)空芯光纖進(jìn)行分析表征，通過(guò)s e m 、f e s e m 測(cè)試研究薄膜的表面形貌和厚度，通過(guò)可見(jiàn)一近紅外分光光度計(jì)來(lái)測(cè)試薄膜反射 率，通過(guò)多功能光纖損耗測(cè)試儀來(lái)測(cè)試空芯光纖的直線(xiàn)損耗和彎曲損耗，進(jìn)而計(jì) 算其傳輸性能。 綜上所述，研究一種在質(zhì)量、工藝、環(huán)保和成本等方面具有綜合優(yōu)勢(shì)的、制 備條件溫和、操作簡(jiǎn)便的制備方法，得到性能優(yōu)越的a g p m m a 復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)空芯 光纖，為新型光纖的制造提供理論基礎(chǔ)。結(jié)合太陽(yáng)能收集和傳輸?shù)幕痉椒ê驮?武漢理工大學(xué)碩上學(xué)位論文 理，找出影響太陽(yáng)能收集和傳輸效率的主要因素，最優(yōu)化的完成太陽(yáng)能收集器和 空芯光纖的組裝，提供空芯光纖傳輸太陽(yáng)能應(yīng)用的基本思路和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使其能 夠早日應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)行業(yè)和家庭生活等領(lǐng)域。 1 2 武漢理工大學(xué)碩十學(xué)位論文 第2 章電介質(zhì)金屬空芯光纖的傳輸原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 1 泄漏型空芯光纖的傳輸原理 光在光纖中傳輸，有兩個(gè)基本條件，一是光在纖芯和包層界面上要發(fā)生臨界 折射( 或稱(chēng)全反射) ，否則光會(huì)穿過(guò)包層離開(kāi)光纖：二是光在傳輸過(guò)程中應(yīng)滿(mǎn)足相 干加強(qiáng)條件根據(jù)這兩個(gè)條件，提出一種階躍光纖導(dǎo)光的幾何射線(xiàn)模型。由電磁理 論分析光線(xiàn)在空氣一金屬膜界面的光傳輸特性可知瞳7 屯8 j ，假設(shè)金屬的復(fù)折射率n 的 實(shí)部和虛部分別為r l 和k ，則： n = n 一弦( 6 ) 其中玎表示媒質(zhì)的折射率，決定了光在真空中比媒質(zhì)中速度減小的原因；k 為消光系數(shù)，反映出在特有媒質(zhì)中給定頻率輻射場(chǎng)的衰減快慢，吸收系數(shù)口與消 光系數(shù)k 間的關(guān)系如下所示： k = 口以k 五4 萬(wàn)( 7 ) 由于金屬導(dǎo)體電導(dǎo)率很大，根據(jù)電磁波輻射傳播的普遍波動(dòng)方程嘲1 ，可知： n = k = 扛7 瓦( 8 ) 在給定的輻射場(chǎng)中，對(duì)于電介質(zhì)，由于電導(dǎo)率仃等于零，則消光系數(shù)k 等 于零，穿透深度強(qiáng)度比a _ a ，_ a = e x p ( - g d ) 定義為吸收系數(shù)的倒數(shù)，即光線(xiàn)強(qiáng)度減小 到原來(lái)的杉時(shí)的穿過(guò)距離，同時(shí)根據(jù)吸收系數(shù)計(jì)算波長(zhǎng)為九的光線(xiàn)在導(dǎo)電媒質(zhì)內(nèi) 的穿透深度，可以得到如下的關(guān)系： d 以) = 2 2 0 4 n k ( 9 ) 對(duì)于金屬導(dǎo)體，在電導(dǎo)率很大的極限情況下，得到穿透深度為： d 0 ) = c e o s x o ) ( 1o ) 這表明光線(xiàn)穿透金屬導(dǎo)體的深度，與材料的電導(dǎo)率和光線(xiàn)在真空中的波長(zhǎng)有 關(guān)，隨著前者的增加而減小，隨著后者的增加而增大。假定材料的電導(dǎo)率無(wú)限大， 此時(shí)穿透深度幾乎為零，光線(xiàn)將以全反射的方式經(jīng)過(guò)金屬表面上部。然而，當(dāng)頻 率高于近紅外區(qū)區(qū)域時(shí)，電子的慣性效應(yīng)加劇，反射率降低，電導(dǎo)率也隨之急劇 下降。若頻率處在中紅外區(qū)域，可忽略這一效應(yīng)的影響咖1 。 另外，當(dāng)光線(xiàn)由空氣垂直射入導(dǎo)電體界面時(shí)，考慮空氣一金屬界面的反射率， 由斯涅耳一菲涅耳公式淵可知，其反射率為： p = ( 聹一，茁一1 ) 2 ( 聹一，r + 1 ) 2 ( 1 1 ) 將( 7 ) 式結(jié)果代入( 1 0 ) 并作近似，得n - p = l 一( 2 a , e o 仃) 恐+ ( 1 2 ) 不難得出，隨著仃無(wú)限大時(shí)，反射率p 的極值趨于1 。這恰好印證前面說(shuō)明， 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 以電導(dǎo)率很高的金屬表面為界面時(shí)，光線(xiàn)將以近似全反射的方式行進(jìn)。 綜上所述，在電導(dǎo)率趨于無(wú)限大的極限情況下，穿透深度趨于零，光線(xiàn)可在 很薄的金屬膜表面上發(fā)生全反射。對(duì)于電導(dǎo)率很高的金屬導(dǎo)體，尤其在頻率很低 的長(zhǎng)波紅外區(qū)，光線(xiàn)在金屬導(dǎo)體內(nèi)的穿透深度很小。因此，即使采用很薄的高電 導(dǎo)率金屬薄膜，也可以獲得很高的反射率。按照光波導(dǎo)理論，光纖中光的傳輸條 件，就是光波在光纖中的波動(dòng)方程有解的條件，二種截止條件分別為零階和一階 貝塞函數(shù)的根。 當(dāng)光波處于高階模式時(shí)，損耗很大，所以大多數(shù)情況下，只考慮低階模式： t e n l t m 。和h e l l ，三者的場(chǎng)強(qiáng)分布如圖2 1 所示： bb - f 嘲l(fā) 獺l 恕i l 圖2 一l 圓柱波導(dǎo)中存在的三種典型的本征模及其場(chǎng)分布 隨著波導(dǎo)彎曲的角度不斷改變，場(chǎng)分布也將發(fā)生變化，電力線(xiàn)中心位置將逐 漸向彎曲中心的外部側(cè)端偏移，t e o ，低損耗模將耦合成為較高損耗的t m 。模， 增加波導(dǎo)損耗。電磁輻射由兩個(gè)在垂直方向上振動(dòng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成因?yàn)楣獠▽?dǎo) 的耦合模式主要為h e ，h e ，模為線(xiàn)性偏振模，可以將其考慮成珊m 和t e 。模的 疊加。所以，為了優(yōu)化光傳輸波導(dǎo)，理應(yīng)尋求某種減小h e 模損耗的途徑。選 擇金屬層上涂覆一層或多層電介質(zhì)層不失為一種可行方法。我們可以借由等效傳 輸線(xiàn)理論瑚1 來(lái)給與具體分析。 因?yàn)閔 e l 模可看做t e o 和t m 。，模式疊加的綜合作用，因此將電介質(zhì)膜涂覆 金屬膜上以后，可以大大降低h e l ，模的直線(xiàn)傳輸損耗，并同時(shí)提高t m ，t e 模 式的反射率，使得波導(dǎo)即使有較大的彎曲角度，線(xiàn)性極化模h e ，的變化也不大， 這在實(shí)際應(yīng)用中是值得借鑒的。 2 2 金屬膜層材料的選擇 針對(duì)具有單層或多層電介質(zhì)膜的金屬空芯波導(dǎo)作為研究對(duì)象。引入以0 ) 為 貝塞爾函數(shù)，為橫向相位常數(shù)，護(hù)為波導(dǎo)軸向z 與電磁波傳播方向的夾角，刀 為方位角，尸為邊界條件常數(shù)，所以在波導(dǎo)空芯處的電磁場(chǎng)可以用下式來(lái)表示1 ： 1 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 恥降“( “； 一半小；) c o s ( n o + 吣恥篆易， 島= _ 半( “事) 一半以( “手) s i n ( n o + = 篆e ， e = ，翥以叫肌恥一篙去( “；) s m 叭叭 其中，k o 為特定傳輸波長(zhǎng)時(shí)的波數(shù)，刀。為空氣折射率，t 為波導(dǎo)半徑。通 過(guò)引入歸一化表面導(dǎo)納和阻抗來(lái)定義邊界條件： h o ) = n o k oy r m 鼽r2 羔z 繡 ， 于是可以得到。0 ) 函數(shù)的特征方程： 瑞u j = 1 2 ( 翥kt + 殺n o k ) 讓故4 寺k o t 一寺n o k ) 2 - 玎， ( “)。l o o r 。il 門(mén)o o 丁 “4一 篇+ 奄 篇+ 歹貉k ， 若n = 0 ，此時(shí)只能傳輸橫磁波或橫電波。而傳輸太陽(yáng)光研究的為t e 和t m 的混合模即基模船。的傳輸特性，故只需考慮應(yīng)刀0 的情況。 在”0 時(shí)，須滿(mǎn)足i z 疆l z 。或i j r o 兩種之一的條件時(shí)，t e 和聊波 才能在金屬表面獲得較大的反射率，從而使波導(dǎo)以低損耗傳輸。定義 甄：z 。：n o k o t ，近似處理特征方程，衰減系數(shù)有如下的表達(dá)式： 口= 刀。七。麗u o 萬(wàn)f ( 1 9 1 5 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 表2 1 各模式的轉(zhuǎn)換及f 的值 l z 疆i z o 且 j z 陋l z 。，且l i z 。且i i r o m o d efm o d efm o d e f t e o gr e ( z 陋)t e o 彳r e ( z 巧)t e o g t e 啤志