第七章光纖在傳光照明、能量信號傳輸與控制方面的應(yīng)用—2

1、第二篇第二篇 光纖技術(shù)應(yīng)用光纖技術(shù)應(yīng)用 半個多世紀(jì)以來，隨著光纖光學(xué)學(xué)科與技術(shù)的迅速發(fā)展與成熟，光纖與光纖技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，取得了廣泛而突飛猛進的發(fā)展。從50年前起始于傳像（醫(yī)用內(nèi)窺鏡等）、傳光的應(yīng)用，到20世紀(jì)80年代以后，光纖傳感特別是光纖通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展與廣泛大量的應(yīng)用，光纖與光纖技術(shù)已經(jīng)越來越深入到國民經(jīng)濟、科學(xué)研究與人們生活的各個領(lǐng)域。20世紀(jì)末21世紀(jì)初，光纖通信更被視為通信技術(shù)的三大支撐技術(shù)之一（衛(wèi)星通信、光纖通信、移動通信）?？梢韵嘈?1世紀(jì)光纖技術(shù)的全面應(yīng)用必將展現(xiàn)更加輝煌的前景。本篇將較全面地依次介紹光纖在傳光照明信號控制與能量傳輸、光纖傳像、光纖通信以及光纖傳感等各

2、方面的應(yīng)用。第第7 7章章 光纖在傳光照明、能量信號傳光纖在傳光照明、能量信號傳輸與控制方面的應(yīng)用輸與控制方面的應(yīng)用 利用光纖的傳光功能，將光纖與可見光光源或激光光源相結(jié)合，可以實現(xiàn)照明、裝飾以及光信號與高功率能量的傳輸與控制，這是光纖應(yīng)用的一個重要分支領(lǐng)域，而且隨著建筑業(yè)新型照明裝飾等潛在的巨大需求被開發(fā)，光纖在照明裝飾、能量信號傳輸與控制這一領(lǐng)域?qū)⒊士焖僭鲩L趨勢。 能實現(xiàn)上述全部或部分功能的材料有：玻璃光纖、石英光纖、液芯光纖和塑料光纖。不同的材料由于其性能的差異，各有其適合的應(yīng)用領(lǐng)域與場合。從上述各種材料所制成的傳光器件的結(jié)構(gòu)形式與形狀看，有如下幾類：剛性的導(dǎo)光棒，具有半柔性的大芯徑單纖

3、或多纖光纜，具有柔性的非相關(guān)光纖束（以上三類均為端面發(fā)光），以及側(cè)面發(fā)光的大芯徑光纖；而從具體用途和應(yīng)用領(lǐng)域區(qū)分主要有：儀器、設(shè)備、兵器裝備與汽車內(nèi)部儀表盤照明，利用傳導(dǎo)太陽能的室內(nèi)綠色照明，大量彩色光纖工藝制品，各種建筑物室內(nèi)外光纖照明裝飾工程，醫(yī)療用人體內(nèi)照明，大功率激光傳輸治療以及電力系統(tǒng)等工業(yè)用光信號傳輸與控制。 以下按材料區(qū)分依次介紹玻璃光纖、石英光纖、液芯光纖與塑料光纖等各自在上述各方面的主要應(yīng)用領(lǐng)域。7.3 7.3 液芯光纖及其應(yīng)用液芯光纖及其應(yīng)用 液芯光纖是一種新型結(jié)構(gòu)的傳光元件，它是采用四氯乙烯（n=1.50）等液體材料作為纖芯，而以聚合物材料作為包層和保護層。要求纖芯液體高

4、透明、無色、無雜質(zhì)，折射率必須高于外套包層的折射率。這種液芯光纖具有大芯徑（310），大數(shù)值孔徑（NA0.5,2 60），光譜傳輸范圍寬（300600nm, 300800nm兩種系列），光譜透過效率高參見圖7.9（a）液芯光纖與多組分玻璃光纖光譜透過率比較，尤其紫外光譜段透過率可達每米80，使用壽命長等特點。現(xiàn)有產(chǎn)品參見圖7.9（b）的傳光直徑規(guī)格有3、5、8、10,其最小彎曲半徑分別為40、60、100、150，環(huán)境適應(yīng)溫度為-10+20。液芯光纖特別適用于光譜治療、紫外固化、熒光檢測、刑偵取證等方面。 7.4 7.4 塑料光纖塑料光纖(POF)(POF)在照明、裝飾中的應(yīng)用在照明、裝飾中的

5、應(yīng)用 塑料光纖即聚合物光纖（Polymer Optical Fiber，POF），是采用聚合物材料或有機材料制造的可傳導(dǎo)光功率的傳輸線。其主要光學(xué)與物理特性已在5.1.3節(jié)中討論過。近年來，塑料光纖與光、電、聲等技術(shù)相結(jié)合，在室內(nèi)裝飾照明、文物、珠寶照明、室外工程照明與建筑物輪廓裝飾照明、光纖工藝制品與廣告牌等方面的應(yīng)用發(fā)展迅速，產(chǎn)品琳瑯滿目。 根據(jù)光纖發(fā)光的部位與機理分類，可將塑料光纖分為端面發(fā)光（End-Light）POF和側(cè)面發(fā)光（Side-Light）POF兩類（參見圖7.10）。圖圖7.10 POF7.10 POF的兩種發(fā)光機理示意圖的兩種發(fā)光機理示意圖7.4.1 7.4.1 端面發(fā)

6、光端面發(fā)光POFPOF的應(yīng)用的應(yīng)用 圖7.11（a）、（b）表示塑料光纖在輸入端注入照明光條件下，輸出端端面發(fā)光的狀態(tài)。圖圖7.11 7.11 端面發(fā)光塑料光纖端面發(fā)光塑料光纖 端面發(fā)光塑料光纖的主要應(yīng)用有： （1）制成用于傳光照明的單芯與多芯POF系列光纜，參見圖7.12圖圖7.12 7.12 端面發(fā)光的端面發(fā)光的POFPOF光纜光纜 （2）用多根細(xì)塑料光纖制成的傳光束亦可用做光纖照明，參見圖7.13。圖圖7.13 7.13 用于照明的塑料光纖傳光束用于照明的塑料光纖傳光束 （3）塑料光纖一個非常重要的應(yīng)用方向就是，利用其低成本和柔軟等優(yōu)良性能，制造各種色彩豐富絢麗且各點亮度可變化的光纖燈、

7、光纖盆花、光纖圣誕樹、浮雕畫、裝飾畫以及大型光纖外景等光纖工藝制品（參見圖7.12）；此外，還可用于制作富有連續(xù)不斷動態(tài)變化的各種POF廣告牌與顯示牌。圖圖7.14 7.14 光纖工藝制品光纖工藝制品7.4.2 7.4.2 側(cè)面發(fā)光側(cè)面發(fā)光POFPOF的應(yīng)用的應(yīng)用1.1.側(cè)面發(fā)光光纖的發(fā)光機理側(cè)面發(fā)光光纖的發(fā)光機理 利用在光纖纖芯中加入散射光的材料，則當(dāng)光通過纖芯時，由于光被這些散射光的微小顆粒多次散射和反射并最終逸出側(cè)面，則使光纖從側(cè)面看起來感覺是發(fā)光的。還可以將光纖、散射顆?；蛘彰鞴庵?，甚至添加熒光材料，則這些散射光將使光纖看起來像一個發(fā)光的氖管。圖7.15給出側(cè)面發(fā)光光纖機理的示意圖。

8、 通常側(cè)面發(fā)光光纖由硬塑料光纖或液芯光纖構(gòu)成，其直徑一般至少為幾毫米，有的甚至達到2cm，但是它們?nèi)员Ａ艄饫w的纖芯一包層結(jié)構(gòu)，并由于這種結(jié)構(gòu)機理而在上述散射區(qū)域向側(cè)面發(fā)光。由于有大量光從光纖側(cè)面泄漏，因而其衰減相當(dāng)高。2. 2. 側(cè)面發(fā)光側(cè)面發(fā)光POFPOF的應(yīng)用的應(yīng)用 我國現(xiàn)行生產(chǎn)的大芯徑側(cè)面發(fā)光光纖，其芯材為丙烯酸酷樹脂，包層材料為氟樹脂。其光纖直徑為322mm現(xiàn)有規(guī)格多為6，11，14，17（mm），數(shù)值孔徑為0.7，最小彎曲半徑8D，適用溫度-30+80，光纖長度可達30m、60m。圖7.16（a）所示為粗直徑的側(cè)面發(fā)光POF；圖7.16（b）為細(xì)直徑高側(cè)亮POF。圖圖7.16 7.1

9、6 側(cè)面發(fā)光側(cè)面發(fā)光POFPOF 側(cè)面發(fā)光POF主要應(yīng)用于建筑物輪廓勾勒裝飾照明如圖7.17 （a）所示、廣場的走道臺階照明，以及游泳池與水下照明如圖7.17（b）所示等，具有廣泛的應(yīng)用前景。圖圖7.17 7.17 側(cè)面發(fā)光側(cè)面發(fā)光POFPOF的應(yīng)用的應(yīng)用7.5 7.5 日光采集、光纖傳輸照明系統(tǒng)日光采集、光纖傳輸照明系統(tǒng) 2002年我國南京玻纖院研發(fā)成功全自動日光采集光纖傳輸照明系統(tǒng)其主體結(jié)構(gòu)見圖7.18（a），展示了直接利用太陽能、節(jié)省能源的室內(nèi)綠色照明。該系統(tǒng)在不進行能量轉(zhuǎn)換前提下的主要組成包括：由光纖光敏探測器構(gòu)成的太陽跟蹤傳感器、日光采集聚光系統(tǒng)、光纖束傳光照明系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)、光

10、信號反饋處理電路等。其中，采光器中6塊透鏡的采光面積為0.2m2，采用大芯徑聚合物光纖POF傳光，其直徑為12mm，數(shù)值孔徑為0.64，孔徑角75，使用長度為20m，其傳輸效率高，當(dāng)太陽光直射照度為95000lx時，6根光纖輸出的總光通量達3000lm以上。 圖7.18（b）給出了日光采集、光纖傳輸照明的布局示意圖；圖7.18（c）給出了室內(nèi)日光照明的光譜分布圖；圖7.18（d）給出了室內(nèi)照明效果圖。表7.1給出了不同規(guī)格數(shù)量采集頭所獲得的光通量及照明面積；表7.2給出了6個采光點照明系統(tǒng)與100W白熾燈照明效果的數(shù)據(jù)比較。圖圖7.18 7.18 日光采集光纖傳輸室內(nèi)照明結(jié)構(gòu)日光采集光纖傳輸室內(nèi)照明結(jié)構(gòu) 與效果示意圖與效果示意圖4-lens6-lens10-lens采光面積/m20.120.20.3光通量/lm220033005500有效照明面/m2最大可達15最大可達25最大可達40表表7.