（材料物理與化學專業(yè)論文）太陽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，人們逐漸將目光轉向太陽能，選擇纖維 光學和太陽能利用技術結合的方法對室內進行照明，可以最大程度的節(jié)約能源。 本文以太陽能傳輸用空芯光纖的制備與損耗研究為課題，選取內徑為l m m 光纖 作為基管，利用液相法在內壁先后鍍制金屬銀膜和電介質p m m a 膜層，通過太 陽能收集器耦合進入h e c e m m a 泄漏型空芯光纖后，測試其損耗和衰減速率，評 價其傳輸性能。 本實驗中設計的太陽能收集器主要收集3 8 0 - - - - 1 5 0 0 n m 波長范圍的光，根據 拋物面鏡聚焦原理把平行入射的太陽能匯聚成一個點光源，再導入空芯光纖進行 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的影響和 誤差，測量中午十二點至兩點時間范圍段太陽能光密度變化變化來評價裝置的穩(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光，金屬銀膜在 3 8 0 - - - 1 5 0 0 n m 波長范圍內反射率高達9 0 ，為減小銀膜表面氧化引起的色散效 應，須在銀膜上涂覆p m m a 透明電介質層，對a g p m m a 復合薄膜結構空芯光纖 進行分析表征，通過s e i d 、f e s e m 測試研究薄膜的表面形貌和厚度，通過可見一 近紅外分光光度計來測試薄膜反射率，通過多功能光纖損耗測試儀來測試空芯光 纖的損耗和損耗和衰減速率，可得出如下實驗結果： l 、通過對泄漏型空芯光纖結構理論的分析，確定了金屬銀膜厚度為0 2 t m ； p m m a 電介質層理論最佳折射率為2 ，厚度為7 4 n m 。 2 、在基管內鍍制銀膜時，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 ，反應溫度為1 8 ，時間為2 m i n ，基管內流量定2 5 m l m i n 。選取質 量比為0 2 5 p m m a 丙酮溶液制備電介質層，鍍制流量為2 5 r n l m i n ，反應時間 為3 0 s ，制備的厚度為7 0 n m 。 3 、對碟式太陽能收集裝置的穩(wěn)定性進行測試，中午十二點到兩點間光密度 變化為0 0 4 m w c m 2 m i n ，中午一點左右可獲得較強的光密度，可作為測試時間。 4 、從a g 與h g a m m h 結構空芯光纖的損耗值比較可知，p m m a 電介質膜 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，對于a g p m m a 空芯 光纖進行太陽光傳輸應用于生活生產中有重要的意義。 關鍵詞：a g p m m a 空芯光纖，太陽能收集器，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 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進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注和致謝的地方外，論文中 不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大 學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對 本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽名：厶、日 關于論文使用授權的說明 本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即學校 有權保留、送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學校可以公布論 文的全部或部分內容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 簽名：恥導師繇壘蕉塾日期：翌紐：! ：l 武漢理工大學碩士學位論文 第1 章緒論 長期以來，人們就一直在努力研究利用太陽能。我們地球所接受到的太陽能， 只占太陽表面發(fā)出的全部能量的二十億分之一左右，這些能量相當于全球所需總 能量的3 - 4 萬倍，可謂取之不盡，用之不竭。太陽能和石油、煤炭等礦物燃料不 同，不會導致”溫室效應”和全球性氣候變化，也不會造成環(huán)境污染。正因為常規(guī) 能源資源的有限性和環(huán)境壓力的增加，使世界上許多國家重新加強了對太陽能等 新能源和可再生能源技術發(fā)展的支持近幾年，國際光伏發(fā)電迅猛發(fā)展，1 9 7 4 年至 1 9 9 7 年，美日等發(fā)達國家硅半導體光電池發(fā)電成本降低了一個數(shù)量級在我 國，太陽能的利用也一直是最熱門的話題，經過多年的發(fā)展，國內在集熱器已成 為太陽能應用最為廣泛、產業(yè)化最迅速的產業(yè)之一。 煤炭巨量消費已成為我國大氣污染的主要來源。我國具有豐富的太陽能、風 能、生物質能、地熱能和海洋能等新能源和可再生能源資源，開發(fā)利用前景廣闊。 我國陸地面積每年接收的太陽輻射總量在3 3 x 1 0 3 - - 8 4 x 1 0 6 k j m 2 之間，相當于 2 4 x 1 0 4 億噸標煤。全國總面積2 3 以上地區(qū)年日照時數(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 萬人生活在無電地區(qū)急需生活用電。 為盡快解決邊遠無電地區(qū)人民的用電問題，光伏發(fā)電和風力發(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向太陽光的直接利用， 通過簡單有效的太陽能跟蹤聚焦系統(tǒng)，以及耐熱、低損耗、低成本和寬光譜傳輸 的空芯塑料光纖，可以加大對太陽能的直接利用和普及推廣。 利用太陽光給人類提供能源，將能解決地球上日益緊張的能源危機。生物能、 風能，水能、溫差能和潮汐能，歸根結底都是太陽能的轉化形式。即使是礦物燃 料，也是通過生物的化石形式保存下來的億萬年以前的太陽能。因而伴隨全球人 口的迅猛增長，人類賴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)利用無污染的太陽光等新能源，充分發(fā)掘其使用技術的研究工作引起國際社 會愈來愈多的關注。 1 1 太陽能技術利用現(xiàn)狀 太陽能( s o l a r ) 一般是指太陽光的輻射能量，在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。太陽 能的利用有光熱轉換和光電轉換兩種方式。太陽能是太陽內部或者表面的黑子 連續(xù)不斷的核聚變反應過程產生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強度 武漢理t 大學碩士學位論文 為1 3 6 9 w m 2 。地球赤道的周長為4 0 0 0 0 k m ，從而可計算出，地球獲得的能 量可達1 7 3 0 0 0 t w 。太陽以電磁波的形式向地表輻射，穿過厚度為1 5 x 1 0 8 k m 的高空云層后到達地球表面，透過時間約需要l o 分鐘。地球處于太陽光經過的 路徑中，并用一半的球體面積來承受太陽光照射。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輻射強度不盡相同。在海平面上的標準峰值強度 為1k w m 2 ，當?shù)厍蛱幵谌掌骄嚯x上時，與太陽入射光線垂直的單位面積和時 間內，照射在地球與大氣邊界上的太陽輻射能大約為1 3 8 5 7 w m 2 ，此數(shù)值即是 所謂的太陽常數(shù)瞠。，太陽距離地球數(shù)值的平方愈大，太陽入射光線垂直的地球單 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烈吸收與光線在大氣層中的散射，使得光線在紅 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能，多考慮波 長在0 3 8 一1 5 | lm 范圍內的輻射昭。3 1 。 e 尋2 e 1 竺， ： i n 雹 哼士i r 口了 皇o 可見光 波長( p r o ) 圖1 1 太陽輻照示意圖 近十幾年來，利用太陽能技術不斷獲得長足的進步。利用太陽能進行照明可 以通過光一電一光兩次能量轉換的方式來實現(xiàn)，光一電轉換可以通過光熱發(fā)電或光 伏系統(tǒng)進行，其中光伏照明系統(tǒng)被認為是人類最理想的照明供電解決方案。光伏 照明系統(tǒng)主要應用于無電地區(qū)城鎮(zhèn)道路照明，尤其適用于日照強度高、太陽能資 源豐富、無電網或遠離電網及環(huán)保節(jié)能地區(qū)的路燈工程照明。能有效利用自然能 源，通過安全的清潔發(fā)電來照明的系統(tǒng)，是供電困難環(huán)境下最佳照明系統(tǒng)。整個 過程自動控制，無需人為操作。傳統(tǒng)的光伏照明系統(tǒng)由太陽電池板、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，在通過光一電一光的轉換進行 照明的途徑中，光熱發(fā)電和光伏發(fā)電的轉換效率一般都在1 5 左右，再加上系統(tǒng) 損耗及電光轉換，使得采用這種光一電一光轉換的綠色能源利用率僅為8 以下。 2 武漢理工大學碩十學位論文 然而，由于太陽能自身固有的以下缺點h 1 ，使得廣泛應用太陽能資源一直受到各 方面制約。 ( 1 ) 分散性：盡管到達地球表面的太陽輻射的總量很大，但是能流密度 很低。平均說來，北回歸線附近，夏季在天氣較為晴朗的情況下，正午時 太陽輻射的輻照度最大，在垂直于太陽光方向1 平方米面積上接收到的太 陽能平均有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，在利用太陽能時，為 確保定的轉換功率，往往需要面積大，造價較高的收集和轉換設備。 ( 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、雨等隨機因素的影響，所以，到達某一地面的太 陽輻照度既是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這給太陽能的大規(guī)模應用增加了 難度。為了使太陽能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能 源相競爭的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題。 ( 3 ) 效率低和成本高：目前太陽能利用的發(fā)展水平，有些方面在理論上 是可行的，技術上也是成熟的。但有的太陽能利用裝置，因為效率偏低， 成本較高，總的來說，經濟性還不能與常規(guī)能源相競爭。在今后相當一段 時期內，太陽能利用的進一步發(fā)展，主要受到經濟性的制約。 近年來，種直接利用太陽光進行室內照明的裝置得到發(fā)展。在這種太陽光 照明方案中，省卻了光一一電一一光的轉換環(huán)節(jié)，直接利用太陽光進行照明，可 以節(jié)約大量能源。據美國2 0 0 0 年官方統(tǒng)計，美國一天用于照明的電力費用為0 1 億美元，占整個電力消耗的2 5 。其中4 0 的消耗是在外界陽光非常充沛的時候， 也就是說，當外界陽光普照的時候，美國人每天還要花費4 0 0 萬美元在室內采用 人造光源照明。采用太陽光室內照明裝置，在年日照時間2 6 0 0 b 時的地區(qū)可以 節(jié)省7 0 的日間照明費用，以美國為例，如果所有建筑都采用日光進行日問照明， 每天可以節(jié)省能源費用2 8 0 萬美元。這種產品好處并不僅僅限于節(jié)能，其更重要 的意義在于對人體健康的益處。眾所周知，陽光對于人體健康是非常重要的，它 可以促進人體鈣質吸收、提高人體免疫機能、殺滅室內有害細菌、促進人體新陳 代謝，適當?shù)亟佑|陽光，還可以延緩人體老化過程，這些都是任何人造光源所不 能替代的。 綜上所述，研究和開發(fā)傳輸太陽能用光纖，利用其將高能量密度太陽能直接 傳輸?shù)叫枰米匀还饽艿墓I(yè)及農業(yè)生產和家庭生活中，具有重大的社會和經 濟效益。太陽能資源豐富、廉價、清潔、分布廣泛、取之不盡、用之不竭，是人 類未來的主要能源。 武漢理工大學碩士學位論文 1 2 光纖傳能的應用發(fā)展與空芯光纖的研究現(xiàn)狀 1 2 1 光纖傳能的應用發(fā)展 光纖的全稱為光導纖維，它作為光波波段傳輸?shù)囊环N介質波導。利用全反射 原理，光以電磁波能量的形式，在其界面內傳輸，并使得光線沿著光纖軸線平面 方向前進。按應用領域可將其分為兩類：一類是用于傳輸能量的，即傳能光纖： 一類是用于傳輸光學信號的，即通信光纖。本文所研究的傳能光纖主要是用于可 見光波段光能傳輸。 光纖照明早在2 0 世紀3 0 年代就已經被人們所接受，最早是由美國的威廉 惠勒在1 8 8 0 年申請的專利中提出的當時稱之為“管道照明”裝置，它是由內涂 反射層的管子把中心光源的光引至若干個需要照明的地點。主要采用的光纖為集 束玻璃光纖，但由于其使用成本極高，基本無法達到大規(guī)模實用階段喵3 。我國從 事光纖研究、開發(fā)和生產的科研院所在8 0 年代后期也取得了一定突破。光纖逐 漸進入計算機通信和醫(yī)療設備領域，并在裝飾照明方面拓展哺3 。 選擇纖維光學和太陽能利用技術結合的方法對室內進行能量傳輸或照明，省 去能量轉換的中間過程，更多的拓寬太陽能的使用范圍口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，再者，光纖傳輸能量密度高，所 以利用光纖對可見光進行傳輸，將光纖傳能技術廣泛的應用在太陽能領域，將成 為未來前景中的重點。 光纖傳輸太陽能系統(tǒng)由光纖直接傳輸太陽能系統(tǒng)和太陽能轉換光纖傳輸系 統(tǒng)兩部分組成剖，前者的結構由聚光器一光纖一光能使用器件三部分構成，后者 則可有如下列出幾種： 聚光器一太陽能激光器一光纖一光電轉換器 熒光聚光器一激光器一光電轉換器 光電轉換器一激光器一光纖一光電轉換器 聚光器的作用可將密度性較低的太陽能聚集處理成為高密度的太陽能光斑， 實現(xiàn)光纖與聚光器的高效組裝，為下一步光纖傳輸太陽能制造前提條件。目前通 過聚光器的最大聚光功率可將是太陽能功率密度提高5 萬倍。光能使用器件種類 繁多，就目前而言，光纖燈在光纖直接傳輸太陽能系統(tǒng)中占主導地位。 太陽能光導采光實驗裝置與其裝置實驗系統(tǒng)的光路示意圖如1 - 2 所示呻1 ： 4 武漢理工大學碩士學位論文 圖卜2 太陽能光導采光實驗裝置與實驗系統(tǒng)的光路示意圖 太陽能光纖采光屬于自然光，對人眼睛的適應能力強。太陽能光纖傳輸系 統(tǒng)可以傳輸太陽光譜中的近紫外光、可見光和近紅外光，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經過濾除紫外、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沒有紅外線，而且可以濾除絕大部分的 紫外線，最適合博物館、美術館等對紅外、紫外成分有嚴格限制的場所的珍貴物 品的照明。另外還可以把換色片安裝在接收端，通過換色片的轉換顏色，實現(xiàn)光 纖照明豐富多彩的照明效果，國內外光纖照明的應用有如下幾個方面n 0 。1 1 3 ： ( 1 ) 室內和噴泉水下照明。在室內裝飾中，用光纖側段發(fā)光均勻勾勒出物體 輪廓線條，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大廳，光暈照明 可以更好的突出立體感?；诠饫w照明實現(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，使圖書文物、木結構等 建筑物加速老化，并會造成大火的潛在隱患；對于名貴的手表、珠寶店等，因采 用的普通燈具中含有紅外線，很容易發(fā)熱，商品中的水分會逐漸消失，質地不斷 下降，價值也會有所下降色。采用光纖照明，既安全又能達到理想的藝術效果。 ( 3 ) 易燃易爆場合。在礦區(qū)、油庫等嚴禁火種的危險場所，從安全角度看，因 光與電分開，所以光纖照明應是一種最理想的照明。 作為新興的照明技術，光纖照明的優(yōu)勢顯而易見，隨著科學技術不斷發(fā)展 及其產品的規(guī)模化生產，光纖照明產品將在更多領域得到寬廣的應用。 1 2 2 空芯光纖的研究現(xiàn)狀 依據不同的分類條件，空芯光纖可歸屬為不同類別，由于光線在空芯光纖介 質中具有不同的傳播特點，故可將空芯光纖分為兩類n 卜峙1 ：類是泄漏型空芯光 武漢理工大學碩士學位論文 纖( l e a k yt y p ef i b e r ) ，其特點是光線照射到折射率n 大于空氣折射率( n 1 ) 的 電介質膜或金屬高反射膜上發(fā)生高反射而進行傳輸。另一類稱為衰減全反射型空 芯光纖( a t rf i b e r ) ，其特點是光線照射到小于空氣折射率( n 1 ) 的材料上發(fā)生全 發(fā)射而進行的光波傳輸。 不同結構的泄漏型空芯光纖所采用的電介質膜、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 ?！? ，三者的力學性能、內表面的 光滑度、熱學性質對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，但其熱學性能較差，在傳輸高能激光時，難以滿足要求。 金屬基管具有優(yōu)異的力學性質和熱學性質，但內表面處理困難，導致了空芯光纖 的損耗較大。對于玻璃基管來說，盡管其力學性能和熱學性能較之金屬差，但其 內表面非常光滑，而且制備工藝較為簡單，因此在空芯光纖實用化道路上得到發(fā) 展。 對比傳統(tǒng)的實芯光纖結構而言，空芯光纖可以克服如下兩點缺陷：一是實芯 結構所存在的結構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，耦合時光纖端面產生的反射損失比較大n 7 | 。由此可知，與其它類型的光 纖相比，空芯光纖具有下述明顯的優(yōu)點： ( 1 ) 采用具有高度均勻性的空氣作為傳輸介質，極大地減少了光傳輸時由 于介質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，可有效的避開實芯光纖中引入的過渡金屬離 子和o f f 以及其它雜質，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，空芯光纖的光學和化學性能都 比較穩(wěn)定。 ( 4 ) 采用折射率約為1 的空氣作為傳輸介質，無終端反射，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，使光束分散性小，保證了高密度光斑的輸出 質量。 ( 6 ) 空氣傳輸介質對光的吸收小，降低了吸收光而轉化成的熱量，而且空 芯光纖芯徑較大，空氣介質能很好的散熱?；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吸收較多的光引起較大的熱效應 而損壞光纖，從而可傳輸較大功率的能量。 ( 7 ) 通過合理的基材結構設計，可以使空芯光纖既具備良好的韌性同時具 有很好的力學性能，更容易實現(xiàn)改變方向的彎曲傳輸。 ( 8 ) 空芯光纖性能穩(wěn)定，能夠經受高溫、紫外線的照射且空芯光纖中沒有 引入毒性元素，可安全放心的適用于工農業(yè)生產和家庭應用。 6 武漢理t 大學碩士學位論文 綜合空芯光纖多方面的優(yōu)點，它應理應作為當今太陽能直接傳輸中最具競爭 力的一種選擇。因此，在能夠進行低損耗穩(wěn)定傳輸太陽能應用的基礎，更有目標 的研究和開發(fā)空芯光纖，是勢在必行的趨勢。 1 3 太陽能收集器研究背景 針對太陽能低密度性的缺點，可采取聚焦的方法解決，目前應用廣泛，技術 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 法將收集的太陽光線濃縮聚焦成直徑很小的光斑，所以它們不適合用來光纖的能 量傳輸。 在2 0 世紀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 等多家機構發(fā)起研究，主要用于太陽 能熱發(fā)電技術，接下來德國、韓國、中國等國家的科研部門陸續(xù)展開碟式聚光太 陽能整合器件的研制開發(fā)，已有部分國家完成樣機測試n 蝴1 。太陽能收集器是利 用碟式拋物面鏡聚焦的原理設計而成，其特點在于平行入射的太陽光首先被匯聚 成為點光源，而后通過聚焦面鏡耦合進空芯光纖內傳輸。聚光器種類如圖1 4 所示口，可分為： 1 一次反射結構：太陽光經槽式聚光器聚光后，照射在真空集熱管上，由吸 收涂層吸收后，完成光熱轉換。 2 二次反射結構：采用定日鏡一拋物面反射結構，即用一組定日鏡將太陽光 反射到一臺拋物面鏡上，陽光經二次聚焦后，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構：采用拋物面一拋物面反射結構，即在一次聚 焦的拋物面鏡焦線處，放置二次聚焦拋物面鏡，集熱管放置在二次聚焦的拋物 面焦線上。陽光經二次聚焦后，取得了較大聚光比，從而使系統(tǒng)取得較高的集熱 溫度。兩次聚光結構放置在同一支架結構上，可節(jié)省許多材料，降低成本，便于 維護。 7 武漢理工大學碩士學位論文 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 太陽能聚光器分類 如今，碟式聚光太陽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題，針對上述問題，結合拋物面鏡的光學特性，綜合考慮太 陽光線指向誤差、不平行度、焦面位置誤差以及鏡面的反射誤差等因素，科學計 算出一種典型碟形旋轉拋物面收集器的濃縮度和焦面光斑直徑，獲得在允許誤差 范圍內邊緣角對光斑直徑和濃縮度的影響。 1 4 光纖傳光的物理過程和影響因素 1 4 1 光纖傳光的物理過程 我們以階躍型光纖為例，來分析光在光纖中傳播的物理過程。由于階躍型光 纖是各向同性、均勻、無源場的介質，光傳播的波動方程為乜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 ) + ( 盯蕞2 一3 2 ) ( 寺) = o 武漢理工大學碩士學位論文 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)。 由于我們研究的對象是沿著光纖軸線方向傳播的光波，并且認為光纖是無限 長的乜4 】，不可能沿z 軸產生反射波，e 和h 的每一分量都可寫成沿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 ，可得到在芯體內和包層內應 滿足貝塞爾方程： 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)律即可滿足光導采光的要求。 1 4 2 光纖影響因素 ( 1 ) 光纖的材料和結構對光纖的傳輸特性起決定性作用，在傳輸波長0 3 8 一1 5pi n 可見光范圍內，為了制備比較理想的可見光傳能光纖，材料應該具有 在可見光區(qū)透過率高、易于加工等特點。為了滿足制造低損耗可見光光纖的要求， 對材料的要求主要是：a 吸收、散射損耗?。篵 材料折射率低，可選擇工作波長適 合于工作要求：c 材料結構穩(wěn)定：d 易于加工制成光纖。 根據分析，設光學纖維的長度為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 。，入射光線經過端口，進入光學纖維的光線經過傳輸 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。從關系式可以看出光學纖維長度越長，吸收系數(shù)大，或者入射角過大都將影 9 武漢理工大學碩士學位論文 響光學纖維的透過率。所以要想提高光學纖維的透過率，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產生吸收、散射及透射等現(xiàn)象，所以 導致光纖傳輸激光功率隨光纖長度的增加而衰減。通常用d b 數(shù)來表示衰減度， 當耦合光纖足夠長時，由光纖長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，光線在纖芯和包層界面上發(fā)生 全反射的條件將難以滿足，激光在光纖中傳播時的散射和透射將愈強，即能量損 耗愈大。 從纖維光學瞳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，對于光纖芯皮材質相同，長度相同，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。對于入射光能量分布按 g a u s s 分布的光纖來說，其傳輸?shù)募す鈴姸却蹩烧J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?，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， 在端面入射的光線中，凡是落入半錐角為9 。的圓錐角以內的入射光線，均可在 光纖中形成受導光線堙4 j 。 圖1 - 4 全反射臨界角矽的子午線入射光光路示意圖 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。 對于某一特定材料的光纖而言，在某一光波段范圍內，光傳輸好，光透過 率高，在該范圍外，則光損耗大，光透過率小。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。事實上，采用聚 焦、準直、光纖端面拋光、緊配合及固定密封等技術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成熟，相應的制備方法以及光纖 1 0 武漢理工大學碩士學位論文 的種類較多，光纖損耗也較低。但泄漏型空芯光纖還存在一些實際問題。由于泄 漏型空芯光纖是通過光線在金屬表面的鏡面高反射效應來實現(xiàn)光線的傳輸?shù)模?線在電介質層和金屬層的同一部位可能發(fā)生多次高反射，容易產生局部過熱效 應。一旦出現(xiàn)過熱效應，材料原有的介電性能、光學性能都將在過熱的環(huán)境中出 現(xiàn)下降，結果使光導性能變差。電介質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層具有老化現(xiàn)象，此現(xiàn)象 使光導性能變差，將會產生光線被該部位的材料集中吸收的惡性循環(huán)，光線在金 屬和電介質層之間的無限次泄漏和反射將使光線的傳輸模式變得十分混亂啪1 ，使 光纖因局部損壞而導致整體傳輸功能喪失，這對輸出光線的聚焦不利。 1 5 選題的研究目的和意義 目前，空芯光纖傳輸太陽能的技術還不足夠成熟，多數(shù)只能實現(xiàn)近距離內的 傳輸。因此，實現(xiàn)長距離的光纖傳輸太陽能是眾多急需面對和解決的課題之一。 針對太陽能在光纖中進行直接傳輸時的于光纖的損耗問題，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題。 傳輸?shù)奶柟獠ㄩL范圍主要集中在0 3 8 1 5l ai n 之間，理論上介于此波長 范圍之間，沒有那種物質在此波段的傳播速度比在真空中大，所以傳輸太陽能只 能選擇折射率小于1 的泄漏型波導。為了進一步拓展研究領域，提高光纖的性能 和傳輸水平，經過查閱大量文獻，本文以“太陽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、結構和光學性質作為研究 課題。針對上述科學問題，擬在以下三個方面開展研究： ( 1 ) 針對a g p m m a 復合薄膜結構空芯光纖，綜合考慮質量、工藝、環(huán)保和 成本等因素，研究一種具有綜合優(yōu)勢、反應條件溫和、操作簡便的合成方法。 2 ) 通過對反應溫度、反應時間和反應濃度等參量的篩選與比較，得到制各 a g p m m a 復合薄膜結構空芯光纖的方案。 ( 3 ) 對a g p m m a 復合薄膜結構空芯光纖進行分析表征，通過s e m 、f e s e m 測試研究薄膜的表面形貌和厚度，通過可見一近紅外分光光度計來測試薄膜反射 率，通過多功能光纖損耗測試儀來測試空芯光纖的直線損耗和彎曲損耗，進而計 算其傳輸性能。 綜上所述，研究一種在質量、工藝、環(huán)保和成本等方面具有綜合優(yōu)勢的、制 備條件溫和、操作簡便的制備方法，得到性能優(yōu)越的a g p m m a 復合薄膜結構空芯 光纖，為新型光纖的制造提供理論基礎。結合太陽能收集和傳輸?shù)幕痉椒ê驮?武漢理工大學碩上學位論文 理，找出影響太陽能收集和傳輸效率的主要因素，最優(yōu)化的完成太陽能收集器和 空芯光纖的組裝，提供空芯光纖傳輸太陽能應用的基本思路和實驗數(shù)據，使其能 夠早日應用于工農業(yè)行業(yè)和家庭生活等領域。 1 2 武漢理工大學碩十學位論文 第2 章電介質金屬空芯光纖的傳輸原理與結構設計 2 1 泄漏型空芯光纖的傳輸原理 光在光纖中傳輸，有兩個基本條件，一是光在纖芯和包層界面上要發(fā)生臨界 折射( 或稱全反射) ，否則光會穿過包層離開光纖：二是光在傳輸過程中應滿足相 干加強條件根據這兩個條件，提出一種階躍光纖導光的幾何射線模型。由電磁理 論分析光線在空氣一金屬膜界面的光傳輸特性可知瞳7 屯8 j ，假設金屬的復折射率n 的 實部和虛部分別為r l 和k ，則： n = n 一弦( 6 ) 其中玎表示媒質的折射率，決定了光在真空中比媒質中速度減小的原因；k 為消光系數(shù)，反映出在特有媒質中給定頻率輻射場的衰減快慢，吸收系數(shù)口與消 光系數(shù)k 間的關系如下所示： k = 口以k 五4 萬( 7 ) 由于金屬導體電導率很大，根據電磁波輻射傳播的普遍波動方程嘲1 ，可知： n = k = 扛7 瓦( 8 ) 在給定的輻射場中，對于電介質，由于電導率仃等于零，則消光系數(shù)k 等 于零，穿透深度強度比a _ a ，_ a = e x p ( - g d ) 定義為吸收系數(shù)的倒數(shù)，即光線強度減小 到原來的杉時的穿過距離，同時根據吸收系數(shù)計算波長為九的光線在導電媒質內 的穿透深度，可以得到如下的關系： d 以) = 2 2 0 4 n k ( 9 ) 對于金屬導體，在電導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 ) 這表明光線穿透金屬導體的深度，與材料的電導率和光線在真空中的波長有 關，隨著前者的增加而減小，隨著后者的增加而增大。假定材料的電導率無限大， 此時穿透深度幾乎為零，光線將以全反射的方式經過金屬表面上部。然而，當頻 率高于近紅外區(qū)區(qū)域時，電子的慣性效應加劇，反射率降低，電導率也隨之急劇 下降。若頻率處在中紅外區(qū)域，可忽略這一效應的影響咖1 。 另外，當光線由空氣垂直射入導電體界面時，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，隨著仃無限大時，反射率p 的極值趨于1 。這恰好印證前面說明， 武漢理工大學碩士學位論文 以電導率很高的金屬表面為界面時，光線將以近似全反射的方式行進。 綜上所述，在電導率趨于無限大的極限情況下，穿透深度趨于零，光線可在 很薄的金屬膜表面上發(fā)生全反射。對于電導率很高的金屬導體，尤其在頻率很低 的長波紅外區(qū)，光線在金屬導體內的穿透深度很小。因此，即使采用很薄的高電 導率金屬薄膜，也可以獲得很高的反射率。按照光波導理論，光纖中光的傳輸條 件，就是光波在光纖中的波動方程有解的條件，二種截止條件分別為零階和一階 貝塞函數(shù)的根。 當光波處于高階模式時，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 ，三者的場強分布如圖2 1 所示： bb - f 嘲l(fā) 獺l 恕i l 圖2 一l 圓柱波導中存在的三種典型的本征模及其場分布 隨著波導彎曲的角度不斷改變，場分布也將發(fā)生變化，電力線中心位置將逐 漸向彎曲中心的外部側端偏移，t e o ，低損耗模將耦合成為較高損耗的t m 。模， 增加波導損耗。電磁輻射由兩個在垂直方向上振動的電場和磁場組成因為光波導 的耦合模式主要為h e ，h e ，模為線性偏振模，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，理應尋求某種減小h e 模損耗的途徑。選 擇金屬層上涂覆一層或多層電介質層不失為一種可行方法。我們可以借由等效傳 輸線理論瑚1 來給與具體分析。 因為h e l 模可看做t e o 和t m 。，模式疊加的綜合作用，因此將電介質膜涂覆 金屬膜上以后，可以大大降低h e l ，模的直線傳輸損耗，并同時提高t m ，t e 模 式的反射率，使得波導即使有較大的彎曲角度，線性極化模h e ，的變化也不大， 這在實際應用中是值得借鑒的。 2 2 金屬膜層材料的選擇 針對具有單層或多層電介質膜的金屬空芯波導作為研究對象。引入以0 ) 為 貝塞爾函數(shù)，為橫向相位常數(shù)，護為波導軸向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)，所以在波導空芯處的電磁場可以用下式來表示1 ： 1 4 武漢理工大學碩士學位論文 恥降“( “； 一半??；) 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 為特定傳輸波長時的波數(shù)，刀。為空氣折射率，t 為波導半徑。通 過引入歸一化表面導納和阻抗來定義邊界條件： 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o o 丁 “4一 篇+ 奄 篇+ 歹貉k ， 若n = 0 ，此時只能傳輸橫磁波或橫電波。而傳輸太陽光研究的為t e 和t m 的混合模即基模船。的傳輸特性，故只需考慮應刀0 的情況。 在”0 時，須滿足i z 疆l z ?；騣 j r o 兩種之一的條件時，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)有如下的表達式： 口= 刀。七。麗u o 萬f ( 1 9 1 5 武漢理工大學碩士學位論文 表2 1 各模式的轉換及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