通体均匀发光光纤及其制备方法技术

通体均匀发光光纤涉及利用光纤波导结构中的光散射实现长距离均匀照明的材料及其制备方法，通体均匀发光光纤是由包层（２）、芯层（１）、散射体（３）组成，包层（２）涂覆在芯层（１）的表面外，散射体（３）以一定的密度和深度分布在芯层（１）的表面内，其中包层（２）的折射率大于芯层（１）的折射率，散射体（３）是由不同于芯层（１）折射率的材料构成，包层（２）和芯层（１）构成了圆形的波导结构；散射体（３）在芯层（１）的表面不同位置处具有不同的深度或密度，使光纤不同位置处的传导光衰减系数各不相同，保证散射光光强在光纤表面均匀分布。该光纤侧面散射光强均匀分布，能量利用合理，制备和安装成本低廉。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及利用光纤波导结构中的光散射实现长距离均匀照明的材料及其制备方法，属于特种光纤制造的

技术介绍
随着城市发展以及商业宣传的需要，城市夜间亮化美化工程规模日趋扩大，不少建筑物装备了白炽灯、塑料霓虹灯、玻璃霓虹灯或泛光灯，以在夜间亮化建筑物或进行产品品牌宣传，其中采用白炽灯进行建筑物装饰已遭淘汰，而采用通体发光光纤进行建筑物装饰已在先进发达欧美国家渐趋流行，在国内的应用已初现端倪，尤其适用于勾勒广场建筑物的轮廓，满足台阶照明、水池照明的需要，具有广阔的发展前景。这是由于通体发光光纤同塑料霓虹灯和玻璃霓虹灯相比，具有使用安全(它是不带电的发光体)；质地柔软，易成形；可实现连续不间断变色(只要在光源出口处设置变色盘)；寿命长，易维护等特性，因此是霓虹灯的有力竞争对手。而泛光灯通常能耗大，且有大量灯光污染。因此通体发光光纤的特性及应用效果日益受到重视，已成为21世纪装饰、照明产业的新兴高科技产品。(徐思华，张晓晶，徐传骧，“通体发光光纤及其应用”，化工新型材料，Vol.31 No.18，P.38-42，2003)不过通体发光光纤尚有它的不足之处。最主要的不足就是该光纤的侧面散射光光强沿着传导光的传播方向呈指数衰减，这就使得光纤耦合端处漏出的散射光光强比光纤末端处漏出的散射光光强要强很多。散射光光强的不均匀性使得它在装饰、照明行业中的很多用途受到了限制。侧面散射光强的不均匀性还使得通体发光光纤的长度受到了限制。该光纤的长度最长也只有30～60米(江源，刘玉庆，“侧面发光聚合物光纤在照明装饰上的应用实例”，灯与照明，Vol.28 No.3，2004)。因为如果再长的话，侧面散射光强的不均匀性将更加明显，而且光纤末端的光强也会较弱。如安徽芜湖中江塔用了50根光纤和40台金卤灯(江源，司徒桂平，“侧面发光的POF在照明中的应用”，照明工程学报，Vol.13 No.2，2002)，这不仅增加了成本，而且给维护带来困难。同时，该光纤的能量利用也不够合理。为了保证光纤末端处仍然具有较强的散射光漏出，传导光光强在光纤末端处就不能太弱，因此有很大一部分光能量是从光纤末端漏出，而不是从光纤表面散射或泄漏出，造成较大的能量损耗。为了克服这些不足，有人想出在光纤的两端分别加上光源，或在光纤的末端加上一个反射镜，但这种方法仍然不能使得侧面散射光强完全均匀，而且如果多加一个光源也增加了成本。有美国人采用变芯径法制作通体发光光纤，但这种方法需要连续地变化光纤的芯径，在光纤制作上很难实现，成本增高了就很难应用于实际。有日本人采用锥面入射法，其原理在于增大光纤入射端面面积，然后渐渐缩小其尺寸，使其过渡终止于光纤外径。这一过渡结构即为光纤锥形结构，其长度和入射端面的直径是经过特殊设计，以保证入射光在光纤锥形部分漏光同光纤整个长度方向的漏光相近。因为锥形体的存在，不同入射角的入射光因全反射面的倾斜，经过数次全反射后，它们在光纤中的行程将不同，光将在不同的光纤长度上泄漏，从而产生整根光纤侧面发光的现象。但锥形体本身形状的不规则性就影响了它的美观，锥形体的设计既要保证光纤整体的柔软性，还要防止入射锥形体部分侧面光的过分泄漏，而且必须考虑到整根光纤的侧面照度以及使用的场合，制作上的困难也影响了它的实际应用。(江源，凌根华，殷志东，“侧面发光光纤的制备原理及其应用”，光纤与电缆及其应用技术，Vol.4 No.4，2000)
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的是提供一种侧面散射光强均匀分布，能量利用合理，制备和安装成本低廉的通体发光光纤及其制备方法。技术方案本专利技术是一种。通体均匀发光光纤是由包层、芯层、散射体组成，包层涂覆在芯层的外表面，散射体以一定的密度和深度分布在芯层的内表面，其中包层的折射率大于芯层的折射率，散射体是由不同于芯层折射率的材料构成，包层和芯层构成了圆形的波导结构。传导光在芯层中传播，当它遇到散射体时，就会有一部光由于散射而泄漏出来。由于散射体在芯层的表面不同位置处具有不同的深度或密度，因此光纤不同位置处的传导光衰减系数各不相同，从而保证散射光光强在光纤表面均匀分布。本专利技术提出了通体均匀发光光纤的制备方法。先制作出光纤的芯层，然后在其表面打下深度或密度分布不均的凹槽(不同位置处凹槽的深度和密度是经过精确计算设计好的)，再在凹槽中填料制成散射体，最后在芯层表面覆盖上包层材料。制作凹槽可以采用离子刻蚀的方法，通过在波导表面覆盖掩膜，用离子发生器发出的离子束聚焦在芯层表面，离子束作用时间的长短控制着所打凹槽的深度。或通过强激光聚焦在波导表面进行烧蚀，激光强度不同，凹槽的深度也不同。当然，也可以通过机械热压的方法进行模压，压制的深浅可以通过精密控制的方法来实现。凹槽的密度可以通过软件来控制。比如可以用AutoCAD软件控制激光标刻机，标刻机发出的激光束聚焦在光纤芯层的表面，从而在芯层的不同部位处打下所需密度的凹槽。本专利技术的关键技术就是通过改变光纤不同位置处的传导光衰减系数以实现光纤表面侧面散射光强的均匀性。可以通过精确控制光纤内部沿着传导光传播方向上不同位置处散射体分布的密度和深度来实现。附图2是该光纤均匀漏出散射光的示意图。传导光衰减系数沿着光纤传播方向的不均匀分布不仅是为了实现侧面散射光强的均匀性，通过对散射体深度或密度的合理设计还可以实现光能量的合理利用，这样就可以使得大部分的传导光能量是被散射体散射出光纤而非从光纤末端漏出。技术效果根据上述可知，本专利技术具有如下优点(1)通体均匀发光光纤的侧面散射光强是均匀分布的，因此可以在照明、装饰等行业中有更广阔的应用。(2)通体均匀发光光纤能量利用更为合理，可以有效地利用传导光能量，避免传导光能量从光纤末端漏出，造成能量浪费。(3)侧面散射光强均匀分布，不用考虑末端的光强太弱，因此它的长度可以远远长于普通通体发光光纤。在实际应用时，如果需要照明的范围较广，就可以不用多根光纤和多个光源，节省成本，也便于维护。(4)通体均匀发光光纤制作工艺简单，与变芯径法和锥面入射法相比设计更为合理，低廉的成本将更有助于把它推向市场。附图说明图1是用两种不同的通体均匀发光光纤的结构简图。图中(a)部分是用改变散射体3深度的方法保证散射光光强在光纤表面均匀分布；(b)部分是用改变散射体3密度的方法保证散射光光强在光纤表面均匀分布。图中有芯层1、包层2、散射体3。图2是通体均匀发光光纤均匀散射侧面图。图中有芯层1、包层2、散射体(发光中)3、激光器4、凸透镜5、激光束6。图3是通体均匀发光光纤其中任意两个体积元示意图。图4是通体均匀发光光纤表面均匀散射所需的衰减系数k和传导光在光纤中传播距离z的关系图。图5是确定衰减系数和散射体密度和深度关系的实验装置俯视图。其中有激光器4、凸透镜5、激光束6、圆孔挡板7、平移调节台8、通体均匀发光光纤样品9、挡板10、光功率计探头11、矩形孔12、标尺13。具体实施例方式按如图1所示的截面图设计通体均匀发光光纤的基本结构。芯层材料可采用热固性树脂，其优点在于热固性树脂有优异的耐温性，不易受热变形。故可选用功率高的金属卤素灯或氙灯作为光源，从而保证即使光纤较长也有较强的散射光漏出。包层材料可选用FEP(氟化乙丙烯)，散射体可选用PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂)或其他本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通体均匀发光光纤，其特征在于通体均匀发光光纤是由包层（２）、芯层（１）、散射体（３）组成，包层（２）涂覆在芯层（１）的表面外，散射体（３）以一定的密度和深度分布在芯层（１）的表面内，其中包层（２）的折射率大于芯层（１）的折射率，散射体（３）是由不同于芯层（１）折射率的材料构成，包层（２）和芯层（１）构成了圆形的波导结构；散射体（３）在芯层（１）的表面不同位置处具有不同的深度或密度，使光纤不同位置处的传导光衰减系数各不相同，保证散射光光强在光纤表面均匀分布。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛，梁忠诚，蔡祥宝，任盛海，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]