一种级联型照明石英光纤合束器及其制备方法技术

本发明专利技术提供的是一种级联型照明石英光纤合束器及其制备方法，该照明石英光纤合束器由多根照明石英光纤排列成圆形截面的紧凑光纤束结构，光纤束外套有低折射率套管，经过熔融拉锥、平整切割、低损耗熔接后，制得可见光波段传输效率较高的照明石英光纤合束器，最终，将多个照明石英光纤合束器依次连接构建多级级联型照明石英光纤合束器。本发明专利技术可高质量传输日光光谱波段的能量，真实还原太阳光照明的特殊效果，并进一步通过多级级联的方法，显著提高太阳光光纤照明系统的输出亮度，满足高照明亮度的应用需求，属于光纤传能照明技术领域。属于光纤传能照明技术领域。属于光纤传能照明技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种级联型照明石英光纤合束器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及的是一种级联型照明石英光纤合束器及其制备方法，该专利技术可应用于太阳能光纤照明系统的光导传输部分，具有高效传输日光光谱波段中光能量的作用，属于光纤传能照明


技术介绍

[0002]据悉，我国照明用电约占全社会用电总量的13％，因此，如何提高建筑物自然采光以节约照明用电，是我国建筑界和照明技术学者共同关注的议题。参照国际照明委员会编撰的《国际采光指南》，间接采光方式有平面镜反射法、导光管法以及光导纤维法，其中前两者具有光污染和难以长距离传输的局限性，光导纤维法，一方面可利用光纤的柔韧特性在室内灵活布线，将太阳光传输到室内任何需要采光的地方；另一方面，可采用太阳光光谱分离技术隔离对人类皮肤有害的紫外线，在太阳能照明
具备显著优势。
[0003]光纤合束器是光导纤维法中光导传输部分的关键器件，直接决定太阳光在光纤传输过程中的传输效率以及光通量密度，从而直观的影响太阳光光纤照明系统的终端照明亮度。因此，只有制备出高质量的光纤合束器，才能高效传输太阳光能量，实现光纤传能照明。
[0004]关于光纤合束器的制备方法，深圳大族激光的专利“一种光纤合束器”(专利号：CN 101923190 A)中公开了一种可承受高功率激光的光纤合束器，制备过程简单，但是只粗略交代了制备过程以及可能用到的材料，实际光传输效果未知。国防科技大学的专利“一种全光纤高亮度单模光纤合束器及制作方法”(专利号：CN 105759358 B)公开了一种采用等包层折射率套管外加低折射率套管制备方法，有效提高了光纤合束器的占空比，改善了输出光束质量，但是，一方面工艺繁琐、制备难度较大；另一方面，主要依靠单模光纤的纤芯传能，纤芯面积太小，难以将太阳光耦合进纤芯中传输，不太适用于光纤传能照明用途。南京邮电大学的专利“一种光纤传能白光照明装置及其控制方法”(专利号：CN 110748804 A)公开了一种激光器远程激励白光发光玻璃发射白光，实现了光电分离式光纤传能白光照明，但是光路结构复杂、制造成本高昂，并且本质上还是依赖用电驱动激光器发光照明。
[0005]为解决上述问题，本专利技术公开了一种级联型照明石英光纤合束器及其制备方法，本专利技术均采用大直径、大数值孔径的照明石英光纤，制备成本低廉、器件结构简单、光传输质量高的照明石英光纤合束器，并通过多级级联的方式耦合光能量，大幅提升输出光通量密度，从而提高照明亮度；同时还能够传输太阳光光谱波段的绝大部分光能量，实现室内自然光照明的效果。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种成本低廉、结构简单并且光传输效率高的照明石英光纤合束器，并通过多级级联的方法大幅提高太阳光光纤照明系统的终端照明亮度，若大面积推广应用，将有效节约全社会照明用电。
[0007]本专利技术的目的是这样实现的：
[0008]所述的级联型照明石英光纤合束器，其连接方式和典型拓扑结构为：由一个N
×
1照明石英光纤合束器作为一级器件，N个N
×
1照明石英光纤合束器作为二级器件，然后N个二级器件的输出光纤分别与一级器件的N根输入光纤连接构成两级级联结构，后级结构依次类推，则有a级级联型满载状态下的拓扑结构为：一级结构N1+二级结构N2+三级结构N3......+a级结构N
a
。
[0009]所述的级联型结构中，任一级的器件数量为M(1≤M≤N，整数)时，则拓扑结构为：一级结构N1+二级结构N2......+m级结构M
·
N
m
‑1......+a级结构M
·
N
a
‑1，此时第m级结构为非满载状态。
[0010]根据权利要求1所述的一种级联型照明石英光纤合束器，其特征在于：级联型的结构中任一器件替换成P
×
1照明石英光纤合束器(P＞1，整数)时，则拓扑结构为：一级结构N1+二级结构N2+三级结构N3......+a级结构((N
‑
1)+(P/N))N
a
‑1。
[0011]所述N
×
1照明石英光纤合束器，由N根照明石英光纤剥除一段涂覆层后组束，光纤束外套上低折射率套管，经过熔融拉锥、平整切割、低损耗熔接，最后器件封装制得照明石英光纤合束器。将多个照明石英光纤合束器进行级联，构成级联型照明石英光纤合束器，输入光纤数量呈N次幂级递增，输出光纤的光通量密度大幅增加，输出亮度也就会显著提高。
[0012]所述的照明石英光纤结构为：由大直径石英传光介质和涂覆层组成的无芯光纤结构，其中，石英光纤直径200
‑
1000um，涂覆层直径220
‑
1100um，具有大直径、大数值孔径、高能量阈值和低传输损耗的特性，适用于大功率、高能量密度的长距离照明传能，同时波长传输范围广，可传输太阳光光谱波段的光能量。与此同时，太阳光经组合透镜的聚焦压缩后，更容易耦合到大直径石英光纤内传播。
[0013]所述的N
×
1照明石英光纤合束器输入端光纤数目N，为了使熔融拉锥光纤束(TFB)更好的与输出光纤熔接，减少光纤束中间的空隙，需要光纤束截面呈圆形紧密排列，以降低熔接损耗。通常，光纤束优选正六边形紧密排列，即有：N＝1+3n(n+1)，其中，n为照明石英光纤的环形层数。
[0014]所述的低折射率套管法制备照明石英光纤合束器，指套管折射率小于照明石英光纤折射率。同理，同折射率套管法指套管折射率等于照明石英光纤折射率，同折射率套管法制备的熔融拉锥光纤束锥体段横截面各向折射率相同，以空气作为等效外包层，输出数值孔径NA大幅提高。
[0015]所述的照明石英光纤合束器制备过程分为：组束、拉锥、切割、熔接等四个主要步骤，其中第二步拉锥最为关键。熔融拉锥光纤束(TFB)的制备过程中，需要满足绝热拉锥条件：|d
r
/d
z
|≤r(β1‑
β2)/2π，其中，dr/dz为拉锥过渡区域的角度，r为拉锥过渡区域某处的半径，β1为基模的局部传播常数，β2为次高阶模的局部传播常数，拉锥过渡区的波导结构变化越缓慢，光才能够更好被束缚在锥区内传播，光传输效率也就越高。
[0016]所述的照明石英光纤合束器，拉锥的过程中还需要满足亮度守恒条件：其中，N为输入光纤的数目，NA
in
和D
in
分别为输入光纤的数值孔径和直径，NA
out
和D
out
分别为输出石英光纤的数值孔径和直径。
[0017]综上所述，绝热拉锥条件可以保证光纤束在拉锥的过程中不产生损耗，亮度守恒条件可保证熔融拉锥光纤束(TFB)传输的光都能被输出光纤所接收，同时满足绝热拉锥和亮度守恒条件即可制备出高传输效率的照明光纤合束器。
[0018]所述的照明石英光纤合束器，器件封装结构包括：圆形钢管式封装、简易塑料卡扣式封装或可固定式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种级联型照明石英光纤合束器，其特征在于：一个N
×
1照明石英光纤合束器作为一级器件，N个N
×
1照明石英光纤合束器作为二级器件，N个二级器件的输出光纤分别与一级器件的N根输入光纤连接构成两级级联结构，a级级联型的满载状态下，其拓扑结构为：一级结构N1+二级结构N2+三级结构N3......+a级结构N
a
。2.根据权利要求1所述的一种级联型照明石英光纤合束器，其特征在于：级联型结构中任一级的器件数量为M(1≤M＜N，整数)时，拓扑结构改变为一级结构N1+二级结构N2......+m级结构M
·
N
m
‑1......+a级结构M
·
N
a
‑1，则有第m级结构为非满载状态。3.根据权利要求1所述的一种级联型照明石英光纤合束器，其特征在于：级联型结构中任一器件替换成P
×
1照明石英光纤合束器时，拓扑结构改变为一级结构N1+二级结构N2+三级结构N3......+a级结构((N
‑
1)+(P/N))N
...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，胡俊，陈意坚，杨世泰，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：