一种光纤聚光器及其组成的级联结构制造技术

本发明专利技术提供了一种光纤聚光器及其组成的级联结构，所述光纤聚光器包括多根传能光纤、填充介质、石英管，传能光纤由纤芯和包层组成，所述石英管的折射率低于所述传能光纤包层的折射率，所述传能光纤经过拉锥处理，所述传能光纤紧密排布于石英管内，多根传能光纤纤芯中心构成正三角形网格，相邻两根传能光纤中心之间的距离等于两根传能光纤半径之和，多根传能光纤之间及其与石英管之间的间隙填充有填充介质，所述光纤聚光器经过拉锥处理使输出端端面石英管的内径小于等于输入端的传能光纤的纤芯直径。本发明专利技术能提高传输效率，减小因聚焦面光功率密度过高而引起的光纤端面损伤和降低光纤传能过程中的弯曲损耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤传能领域，尤其是一种光纤聚光器及其组成的级联结构。
技术介绍
太阳能，是指太阳光的辐射能量，一种新兴的可再生能源，取之不及、用之不竭的理想能源。但是目前，太阳能的利用还不是很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低等诸多问题。太阳能的利用一般有被动式利用(光热转换)和光电转换两种方式。相对来说被动式利用是太阳能利用的新的发展方向。而将太阳光耦合到传能光纤中是这一项技术的一个新的突破口。但由于光纤的纤芯一般较小，只有200μm～1000μm，国内外对于太阳光会聚的研究，通常在于通过聚光装置把太阳光耦合到光纤中，再通过传能光纤把太阳光传输到其他设备。而在这种太阳光会聚系统中，关键的一步就是利用聚光装置把太阳光耦合到传能光纤中。聚光装置一般采用透镜的形式来实现。显然，透镜尺寸越大、聚光的倍数越高，将越有利于将更多的能量聚集到光纤中。目前，制备精良的聚光透镜的聚光倍数可达15000倍，其透镜直径为95mm，而透镜尺寸越大，制作难度也越大，其聚光倍数应该也会下降，同时聚焦面光功率密度过高也会引起光纤的损伤。除此之外光纤的端面质量、长度和弯曲引起的模式和功率的混合等因素，又严重影响了其对会聚太阳能的传输效率和容量。由此看出，由于光纤材料的特殊性，各种物理损耗制约了传能光纤的进一步发展，也制约了太阳光直径利用能量方式的发展。而目前这一问题并没有较好的解决方式。
技术实现思路
针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种光纤聚光器及其组成的级联结构，以减少聚焦面光功率密度的方式，实现对太阳光能量的高效率利用，该系统采用多根光纤拉锥成束的组合结构，光在任意单根光纤中传输且相互不影响。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种光纤聚光器，包括多根传能光纤、填充介质、石英管，传能光纤由纤芯和包层组成，所述石英管的折射率低于所述传能光纤包层的折射率，所述传能光纤经过拉锥处理，所述传能光纤紧密排布于石英管内，多根传能光纤纤芯中心构成正三角形网格，相邻两根传能光纤中心之间的距离等于两根传能光纤半径之和，多根传能光纤之间及其与石英管之间的间隙填充有填充介质，所述光纤聚光器经过拉锥处理使输出端端面石英管的内径小于等于输入端的传能光纤的纤芯直径。优选地，所述光纤聚光器的拉锥长度L与石英管外径R之间满足：L/R≥5。优选地，所述填充介质为石英介质柱或传能光纤。优选地，所述传能光纤的数量大于等于7。优选地，所述传能光纤的纤芯半径ro和包层半径rc之比ro/rc≥0.9。优选地，所述纤芯的折射率nl与包层的折射率n2之差满足：(n12-n22)≧0.040。优选地，所述传能光纤端面的入射光锥角最大值β范围：2α+1.6°≧β≧2α-3.8°，其中，α表示中心轴线与入射光的夹角，α＝arcsin(NA)，其中NA为光纤数值孔径。所述光纤聚光器组成的级联结构，包括多级聚光系统，所述聚光系统由多个光纤聚光器组成，上一级聚光系统中的所述聚光器输出端分别与其下一级聚光系统中的所述聚光器输入端的一根传能光纤连接。本专利技术的技术效果：光纤聚光器采用多根传能光纤组合的方式，扩大端面面积，提高端面的损耗阈值，从而提高传输效率；光纤聚光器中的传能光纤相互贴连组合，当其光纤传能束弯曲时，光线不会被折射到包层中而最终泄漏掉，降低了弯曲损耗；光纤聚光器中的传能光纤一般为石英材料，拉锥简单，容易加工，增加了它的实用性。另外本专利技术可以形成级联结构，实现将多个光纤聚光器的光会聚入另一光纤聚光器，从而成倍地增加聚光能量。基于此，本专利技术运用于太阳光会聚系统中，可以提高传输效率，减小因聚焦面光功率密度过高而引起的光纤端面损伤和降低光纤传能过程中的弯曲损耗。附图说明图1为本专利技术所述光纤聚光器外观图。图2为本专利技术所述光纤聚光器截面结构图。图3为所述传能光纤的结构示意图。图4为light tools软件模拟的结果图。图5为拉锥长度与聚光效率的关系曲线。图6为入射光会聚角度与聚光效率的关系曲线。图7为光斑尺寸与聚光效率的关系曲线。图中：1-传能光纤，2-石英介质柱，3-石英管，4-传能光纤纤芯，5-传能光纤包层，6-输入端，7-输出端。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。本专利技术的目的是对高功率太阳光能量的传输，减小因聚焦面光功率密度过高而引起的光纤端面损伤，是提高传输效率的关键。因此，本专利技术将7根完全相同的传能光纤1拉锥，组成光纤束聚光器，可以扩大端面面积，减小聚光面光功率密度。拉锥后，如图1所示，光纤聚光器形成了一个大端面的输入端6，一个小端面的输出端7。该光纤聚光器的输出端7端面石英管的内径小于等于输入端6传能光纤的纤芯直径，将一个光纤聚光器的输出端7与另一个光纤聚光器输入端6的一根传能光纤1连接，形成级联结构，从而将会聚光聚集到单根光纤，便于长距离高功率的传输。光束可经透镜聚光后，再入射到光纤聚光器端面。具体的，本专利技术所述光纤聚光器的结构如图2所示，包括多根传能光纤1、填充介质、石英管3。传能光纤1由纤芯4和包层5组成，如图3所示，所述传能光纤1的纤芯4半径ro和包层5半径rc之比ro/rc≥0.9。所述石英管3的折射率低于所述传能光纤1包层5的折射率，所述纤芯4的折射率nl与包层3的折射率n2之差满足：(n12-n22)≧0.040。所述传能光纤1经过拉锥处理，所述传能光纤1紧密排布于石英管3内，多根传能光纤1纤芯中心构成正三角形网格，形成紧密排布结构，即相邻两根传能光纤1中心之间的距离等于两根传能光纤半径之和。多根传能光纤1之间、传能光纤1与石英管3之间的间隙填充有填充介质，以形成紧密结构，具体的，本实施例中，以石英介质柱2为填充介质。较佳地，所述填充介质也可以采用传能光纤，以增加受光面积，减少传输损耗。所述光纤聚光器输出端77端面石英管的内径小于等于输入端6的传能光纤1的纤芯直径。本专利技术所述的光纤聚光器，用light tools软件进行参数模拟，得到的模拟结果如图4所示，光斑能量分布比较均匀，亮度大。即端面损耗低，可实现传能光纤的高效率传输。拉锥长度L与光纤聚光器的聚光效率的关系曲线如图5所示，随着拉锥长度L的增加，接收器接收到光通量先增大再逐步保持平衡，即拉锥长度L足够长时，其损耗低。由图5可见，当拉锥长度L与石英管外径R之比≥5时，其光通量趋于稳定值，即其聚光效率高。为此，要求所述光纤聚光器的拉锥长度L与石英管外径R之间满足：L本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤聚光器，其特征在于，包括多根传能光纤(1)、填充介质、石英管(3)，传能光纤(1)由纤芯(4)和包层(5)组成，所述石英管(3)的折射率低于所述传能光纤(1)包层(5)的折射率，所述传能光纤(1)经过拉锥处理，所述传能光纤(1)紧密排布于石英管(3)内，多根传能光纤(1)纤芯中心构成正三角形网格，相邻两根传能光纤(1)中心之间的距离等于两根传能光纤半径之和，多根传能光纤(1)之间及其与石英管(3)之间的间隙填充有填充介质，所述光纤聚光器输出端(7)端面石英管的内径小于等于输入端(6)的传能光纤(1)的纤芯直径。

【技术特征摘要】
1.一种光纤聚光器，其特征在于，包括多根传能光纤(1)、填充介质、石英管(3)，传
能光纤(1)由纤芯(4)和包层(5)组成，所述石英管(3)的折射率低于所述传能光纤(1)
包层(5)的折射率，所述传能光纤(1)经过拉锥处理，所述传能光纤(1)紧密排布于石英
管(3)内，多根传能光纤(1)纤芯中心构成正三角形网格，相邻两根传能光纤(1)中心之
间的距离等于两根传能光纤半径之和，多根传能光纤(1)之间及其与石英管(3)之间的间
隙填充有填充介质，所述光纤聚光器输出端(7)端面石英管的内径小于等于输入端(6)的
传能光纤(1)的纤芯直径。
2.根据权利要求1所述的光纤聚光器，其特征在于，所述光纤聚光器的拉锥长度L与石
英管外径R之间满足：L/R≥5。
3.根据权利要求1所述的光纤聚光器，其特征在于，所述填充介质为石英介质柱(2)
或传能光纤。
4.根据权利要求1所述的光纤聚光器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明阳，张茜，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32