（材料学专业论文）激光去除光纤涂敷层的研究.pdf

武汉理t 人学坝十学位论文 摘要 激光作为一种高能量、方向性强、清洁、高效的光源白面世以来就给各个领 域带来了广泛的变革。而光纤传感与通信技术作为- - f q 新兴的交叉学科，在医学、 生物工程、食品工业和环境监控等方面也发挥着巨大的作用。本论文所要研究的 激光去除光纤涂敷层技术正是伴随着这两大技术的不断完善和发展孕育而生的。 如何利用激光的去除能力强、不存在二次污染、工作柔性大以及属于非接触性加 j ：等优点来去除光纤涂敷层，建立符合实验结果的激光热力学理论模型将是本论 文所要论述的重点，其主要内容包括以下几个方面： 1 、分析和研究光纤涂敷层的材料及其性能，确定它的分子结构以及不同波 长下所对应的吸收峰情况。 2 、分析比较不同光纤涂敷层去除方法对剥离效果的影响，找出它们之间的 优缺点，并探讨激光去除光纤涂敷层的发展方向及应用前景。 3 、建立激光辐照光纤包层和丙烯酸树脂平板膜的热力学模型，对光纤涂敷 层的去除过程进行理论分析，并根据所给的条件和参数计算出光纤包层和丙烯酸 树脂平板膜“无损”功率密度，准备为下一步的实验研究进行理论指导。 4 、利用c 0 2 红外激光和k r f 准分子紫外激光对光纤涂敷层和丙烯酸树脂平 板膜进行辐照，确定获得最佳去除效果和力学性能时对应的激光参数，并找出它 们之间的联系，同时根据所得的实验数据进一步核实理论模型的正确性。 关键词：激光去除，光纤剥离，激光蒸发，光纤涂敷层，光纤加工 武汉理t 大学硕学位沦文 a b s t r a c t a sap o w c r f u l ，o r i e n t a b l e ，c l e a na n de f f i c i e n tl i g h ts o u r c e ，l a s e rh a sl e a d e da v i t a l l yi m p o r t a n ti n n o v a t i o ni nv a r i o u sf i e l d s s i n c ee m e r g e n c e a tt h es a n l et i m e ， o p t i c a lf i b e r sf o rs e n s o ra n dt e l e c o m m n n i c a t i o n st e c h n o l o g y , an o v e li n t e r d i s c i p l i n e h a sa l s o p l a y e da ni m p o r t a n tr o l e i n i a t r o l o g y , b i o t e c h n o l o g y , f o o di n d u s t r ya n d e n v i r o n m e n t a ls u r v e i l l a n c e t h i sp a p e rp r e s e n t sar e s e a r c ho nr e m o v i n go p t i c a tf i b e r c o a t i n g s w i t h l a s e r , w h i c h i s d e v e l o p i n g w i t ha f o r e m e n t i o n e dt w od i f f e r e n t t e c h n o l o g i e s i tp r e s e n t sam o d e lo f h e a tt r a n s f e ra c c o r dw i t l le x p e r i m e n t a ld a t aa n d m e t h o d ss t r i p p i n go p t i c a lf i b e rc o a t i n g st a k i n ga d v a n t a g eo fh i g hr e m o v a lc a p a b i l i t y , e n v i r o n m e n tf r i e n d l y , f l e x i b l ea n dn o n c o n t a c tp r o c e s so f l a s e r t h ek e y p o i n t so f t h i s p a p e r i n c l u d e ： 1 、t h ep r o p e r t i e sa n di n g r e d i e n to fo p t i c a lf i b e rc o a t i n g sw e r ea n a l y z e da n d s t u d i e d t h em o l e c u l a rs t r u c t u r ea n da b s o r p t i o n s p e c t r a m a = x i m u mw i t l ld i f f e r e n t w a v e l e n g t h so f a c r y l i cj a c k e tm a t e r i a lw e r ea c q u i r e d 2 、c h a r a c t e r i z a t i o no f t h ea b l a t i o np r o p e r t i e so f t h e a c r y l i c j a c k e tm a t e r i a lu s i n g d i f f e r e n tr e m o v a lm e t h o d sh a sb e e n a n a l y z e d c o m p a r i n g w i t hc o n v e n t i o n a l t e c h n i q u e s ，t h ea d v a n t a g e sa n dd r a w b a c k so fl a s e r - b a s e dp r o c e s sw e r ed i s c u s s e d r e s u l t ss h o wt h a tl a s e rs t r i p p i n go p t i c a lf i b e rc o a t i n g sc a nm e e tt h en e e d so ff u t u r e a p p l i c a t i o n s ， 3 、m o d e l so ft h eh e a tt r a i l s f e rw i t h i na n o p t i c a l f i b e r c l a d d i n g w h i c h i n c o r p o r a t e st h ea n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o nd e p e n d e n c eo f t h e v a r i o u sf i b e rp a r a m e t e r s ， a n do n a c r y l i cj a c k e tm a t e r i a lp l a t ew e r ec r e a t e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a lm o d e l ， t h e “n o n d a m a g e ”p o w e rd e n s i t yo fo p t i c a lf i b e rc l a d d i n ga n da c r y l i cj a c k e tm a t e r i a l p l a t ew a s c a l c u l a t e da n dw a s r e a d y t og u i d et h ee x p e r i m e n ti nt h en e x t s t e p 4 、t h e o p t i c a l f i b e rc o a t i n g s a n d a c r y l i c j a c k e t m a t e r i a l p l a t e w e r er a d i a t e d u s i n g i n f r a r e d c 0 2l a s e ra n du l t r a v i o l e tk r fl a s e r t h er e s u l t sp r e s e n tt h eb e s tl a s e r p a r a m e t e r so nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a ( r e m o v a le f f e c ta n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y ) a n dr e l a t i o n sb e t w e e nt h e m c o r r e s p o n d i n g l y , t h ee x p e r i m e n t a ld a t ac a na l s ov e r i f y t h ec o r r e c t l l e s so f t h e o r e t i c a lm o d e 】 h 武汉理 ：大学顺七学位论文 k e y w o r d s ：l a s e rs t r i p p i n g ，o p t i c a l f i b e ra b l a t i o n ，l a s e rs t e a m i n g ，o p t i c a lf i b e r c o a t i n g s ，o p t i c a lf i b e rp r o c e s s i n g t l i 武砹理r 大学碳 学位论文 第1 章绪论 当今世界是一个集科技化、信息化及智能化于一体的高速发展的时代，能源、 信息和材料被并称为新世纪的大科技支柱。其中新能源和新材料的开发和利 用、信息技术的推广和普及对整个社会的发展及其科学技术的进步起着决定性的 推动作用。 有人称二十一世纪将是光的世纪，自1 9 7 0 年美国康宁公司成功研制出世界 上的第一根实用化传输损耗为2 0 d b k m 的石英光纤以来，在短短几十年中，光 纤通信就已经迅速发展成为通讯领域的一大产业。以欧美为例，尽管传统的电话 业务增长缓慢，用户线年增长率只有百分之三，但是高速数据交换网和国际互联 网主机的数量在过去的三年里每年增加一倍，各类交互式服务( 如多媒体通信、 电子商务) 也大致以同样的速度增长，这就对光纤通信网络的带宽和容量提出了 越来越高的要求j i 。同时光纤传感技术以其精确、灵敏度高、抗电磁干扰等优点 在各大领域的应用也得到迅速推广。而作为光纤通信及传感技术载体的光纤也以 其重量轻、容量大、耐高温和电磁辐射、柔性好、使用方便等优点被广泛的应用 于通信、广播电视及各种传输网络等方面。与此同时，光纤在工业自动化监控、 桥梁和大楼材料变形测量、环境温度监控、生物化学有害液体和气体含量测量、 火箭与核电站控制、远洋轮船与飞机导航等传感器领域也是大显神威| 2 l 。因此， 有人预言，二十一世纪是光的时代，而光纤则是整个时代的重要载体。随着光纤 通信及传感技术的不断发展和普及，它必将在信息处理、交通运输、土木建筑、 工业加t 、生物医疗等领域带来一场革命性的变革。 然而，伴随着光纤产品需求量的扩大以及质量要求的提高，原有产品的一些 生产方法及技术已经远不能满足现代工业发展的需要，因此如何改进原有的生产 方法、提高产品的性能和质量、迎合现代工业发展的需要便成为摆在科研工作人 员面前的一个个难题，本论文所要论述的激光去除光纤涂敷层便是其中的一个。 1 。1 激光去除光纤涂敷层的研究现状 随着近几年光纤通讯及光纤传感事业的迅猛发展，国内外对光纤有源和无源 器件的需求也是与日俱增。为了能够节约成本，迅速占领市场，各大生产厂商们 纷纷投入自动化生产线以期望获得可靠性高、稳定性好、质优价廉的光纤产品。 然而若要真萨实现某些产品的全自动机械化生产，首先要做的便是去除光纤涂敷 层。 国外对激光去除光纤涂敷层的研究比较多，美国的g l e n no g u r a 3 1 利用制作 武汉型工人学硕l 学位论义 b r a g g 光栅的紫外光源成功的实现了c o m i n gs m f 2 8 ，c o m i n g9 0 0 p mt i g h t b u f f e r ，p mp a n d a ，c o m i n g8 - f i b e rr i b b o n 和s u m i t o m o1 2 - f i b e rr i b b o n 各种不同 类型光纤涂敷层的剥离。存去除过程中，入射激光被分为能量密度相等的若干束， 并通过扫描系统围绕着固定在轴一t l , 的光纤进行旋转辐照，待光纤表面涂敷层去除 十净以后再通过荧光检测法在线自动检测去除尺寸、位置精度和表面质量。其去 除过程与参考文献h l 报道的紫外激光去除p m m a 树脂非常类似。 英国的h v s n e l l i n g 和f b a m i e r t s l 等人利用脉宽分别为1 9 n s 和3 3 n s 的a r f 及k r f q u e s t e k 准分子激光器及脉宽为5 0 n s 、波长为9 2 1 a m 的l u m o n i c s t e a 一8 2 0 型c 0 2 红夕卜光源激光器完成了对n o r t e l 单模光纤涂敷层的剥离。与g l e n n o g u r a 的操作过程所不同的是他们通过旋转光纤( 每次转动9 0 度) 而不是旋转激光柬 达到的去除目的。根据实验结果可知，三种不同波长所对应的涂敷层吸光系数及 激光能量密度闽值之间存在一定的关系，如表1 1 所示。从表中可以看出涂敷层 波长1 9 3 n m2 4 8 n m 9 2 p m 涂敷层材料吸光系数( c m “) 1 0 52 5 1 0 42 2 1 0 。 能量密度闽值( m j c m 2 p u l s e ) 3 01 0 05 0 0 1 a b l e1 1 不同入射波长对应的参数 材料的吸光系数随激光波长的增加而减小，能量密度阈值则随波长的增加而增 大，且在紫外波段1 9 3 n m 处的吸光系数为2 4 8 n m 处的4 倍，而能量密度阈值却 只有它的1 3 ，这是由于涂敷层材料在接受a r f 激光辐照产生高能光子后发生光 改性现象造成的0 1 。 另外，d a b a r b e r 【7 f 等人也报道了用c o h e r e n t d e o sg e m 1 0 0 型c 0 2 红外 光源激光器进行加工的相关结果。在实验过程中激光被分成上下相对的两束，每 柬采用重复频率为l k h z 、脉宽o 5 m s 、功率4 3 4 5 w 的能量对密封在h e 气室中 的光纤进行辐照并以1 0 m m s 的速度同时向前运动，涂敷层瞬间气化脱离光纤的 碎片被置于附近的真空泵吸收，最终获得了长达2 5 m m 的裸纤。 此外，k o b a t a 蹦、x z h o u t 9 、a r n a u dz o u b i r1 1 0 1 和e e d y e r 等人还利用 y a g 激光、准分子激光和飞秒激光在这方面作过类似的研究。 与此同时，c ，n p a n n e l l | 1 2 1 、w e i x u et i a n t l 3 1 等人还分析了光纤包层接受c 0 2 激光辐照时的非破损热传导模型，推算出光纤直径、表面温度和激光能量之间对 应的变换关系，从而更加理论化的诠释了激光热作用的全过程。 然而，国外并没有人对激光去除光纤涂敷层的过程进行过理论分析，同时国 内天于激光去除光纤涂敷层的研究也尚处于参数和机理探索阶段，在应用方面还 是一片空白，就笔者所知目前还未见这方面的相关报道。 武汉理t ： 学硕j 学位论文 1 2 论文研究的意义、目的和主要内容 白1 9 6 0 年第一台激光器诞生以来，激光就以其独特的单色性、相干性和方 向性给科学技术带来了深刻的影响，同时伴随着光电产业的崛起，激光科学与技 术也在不断成熟和发展中逐渐成为光电产业的灵魂。 光电产业的发展意味着对相关器件需求的增多和性能要求的提高。然而日前 在光纤通讯及光纤传感等领域诸如光电子器件的封装i h l 、光纤阵列、光波分复用 器( w d m ) 、光耦台器f j 6 | 、光纤b r a g g 光栅。7 1 1 踟等产品的生产过程中光纤涂 敷层的去除还不能完全满足产品全自动机械化生产的要求，为了克服常规去除方 法机械式、化学式或热力学机械式不仅很难实现产品的全自动化m n s - 且费 时、费力、重复性差，还可能会给环境造成一定污染f 3 】的缺点，fb a m i e r l 5 i 最先 提出了用激光去除光纤涂敷层的方法，即利用高能激光束照射到光纤表面使涂敷 层瞬间蒸发，从而获得裸纤的技术。与传统的机械、化学及热力学方法相比，激 光去除方法有着安全、高效、清洁、方便、对环境无污染及对光纤损伤程度小等 优点，同时它也为光纤产品的标准化及产业化加工创造了有利的条件，不但具有 巨大的商用价值，而且还不乏重要的科学价值，其发展前景是非常广阔的。因此 如何尽快的实现激光去除光纤涂敷层并将其运用到实际生产中去是我们目前亟 待解决的一个问题。 ( 1 ) 本论文研究的主要目的： 对激光去除标准单模石英光纤涂敷层进行实验及参数分析，根据建立的理论 模型对实验现象给予解释：系统的研究光纤涂敷层去除厚度及温度与不同激光脉 冲能量密度、脉冲个数和重复频率之间的关系，确定在什么参数条件下能够得到 较好的去除效果和力学性能，为光纤光栅的自动化生产提供前提条件。 ( 2 ) 本论文研究的主要内容t 分析光纤涂敷层材料的成分及其性能，找出不同波长下对应的吸收峰值所在 位置。 比较不同光纤涂敷层去除方法之间的优缺点，并探讨激光去除光纤涂敷层的 发展方向及应用前景。 建立激光辐照光纤包层和丙烯酸树脂平板膜的热力学模型，计算出它们的“无 损”功率密度，并通过热力学模型对实验现象及其结果进行解释和分析。 利用c 0 2 红外激光和i ( r f 准分子紫外激光对光纤涂敷层和丙烯酸树脂平板膜 进行辐照，确定获得最佳去除效果和力学性能时所对应的激光参数，并找出它们 之间的联系，同时根据所得的实验数据进一步核实理论模型的f 确性。 武汉理：大学硕j ：学位论文 2 1 光纤的结构 第2 章光纤材料及其结构 光纤是现代信息高速传输的重要载体，伴随着计算机网络及光纤传感技术的 不断进步和成熟，光纤在市场上的销量也越来越大。一般而言，光纤由纤芯( 0 5 7 5 i _ t m ) 、包层( 0 1 0 0 2 0 0 “m ) 、涂敷层( 0 2 5 0 3 0 0 m ) 和护套四个部分组成 【l 。中心高折射率纤芯一般是掺杂了镓、磷等元素的玻璃；中间为低折射率硅玻 璃包层：外面是用于加强的树脂涂敷层。有时为了增加机械强度还会套上一层尼 龙或其他有机材料做成的护套 2 ”j 。 光纤涂敷层是在玻璃纤维拉制过程之后，以单涂层或双涂层涂敷在玻璃纤维 上的。为了确保光纤涂敷层既具有足够的柔韧性，又具有较高的抗弯折强度，一 般光纤厂商采用双涂敷工艺，即内涂敷层较柔软，外涂敷层较硬，拉伸强度高， 以此来合理平衡在各种温度环境下涂敷层对玻璃光纤的保护作用| 2 “。其中标准单 模石英光纤的结构如图2 1 所示。中心圆点处为纤芯，直径为0 9 v m ，紧接着外 面为光纤包层，直径为0 1 2 5 t , t m ，最外面是厚度为6 0 u m 左右的内外涂敷层( 图 2 一l a 所示) 。 f t 剖面图 2 2 光纤材料 f i g2 - 1s m f 2 8 光纤结构示意图 b 侧面图 对应用于不同领域的光纤，其制作材料也相应不同。在光纤材料的选择中， 一般主要考虑其光衰减程度，折射率控制，预制棒形状控制，成纤能力，机械强 度，化学稳定。阽以及制造成本等；而对于特殊用途的光纤，其制造材料和涂敷层 4 武汉理工大学硕士学位论文 材料也会有其特殊的考虑。 2 。2 1 光纤的分类 现用于制造光纤的材料大体上分为无机材料和有机材料两大类，前者透光性 能优异，光信号在其中的衰减信号较小，适用于远距离的光信息传输，一般可达 1 0 0 2 0 0 k m ，不过却存在加工成本高、质量控制要求严格、脆性高、易折断的 缺点；而以丙稀基为原料的有机塑料光纤系列，其特性正好与其相反，它柔软易 于连接，成本低且便于加工，但由于透光性能不好，传输距离仅限于5 0 m 以内， 因此一般只能用于装饰和仪器仪表上1 2 “。其具体分类及掺杂材料如下| 2 3 l ： 光纤材科一 ，无机材料一 石英玻璃ls i o l 。s i o t - g e o t ，s i o i b i o l - f 等 多粗分玻璃is i o t - c a o n t o ，$ i o i b os n t l o 等 f 重盒疆氯化翰玻璃g e o t ，l a s o 。辱 红外玻璃一i 崮化勘玻璃，2 r f 。a i f b a f t 辱 l 硫系玻璃ia s i s ，a s t s e t 等 晶体la l l o i ，z r o z ，a e b r 等 掺稀元熏玻璃，掺杂铒，敏。钳等 ，芯t 聚苯乙烯，囊碳酸瞄等 胄机材料一 、包聚甲基丙烯t 甲疃，氟他丙烯辱 此外，传感器用光纤材料也是光纤领域的一个重要研究课题。通常我们利用 不同的被覆结构和被覆材料使光纤对外界环境的影响增敏或脱敏，从而扩展光纤 的功能及应用范围。如光纤中利用涂磁致伸缩材料制成的护套能响应外界磁场， 用于磁场的传感测量；在光纤上镀镍后，利用其高弹性模量使光纤对压力或声的 敏感性降低，可制成声或压力脱敏光纤；在光纤上涂敷铝层可制成分布式光纤温 度传感器，涂钯光纤用于检测氢气等气体的传感器等。总之通过一系列的改进后 光纤材料本身也可以具有传感的功能 “】。 不过目前应用得最为广泛的还是石英光纤，本论文后面所说的光纤如果没做 特别说明就是指石英光纤。 2 2 2 光纤涂敷层材料的组成 光纤涂敷层材料要求要有宽广的温度适用范围，特别是低温环境，很多聚合 物材料变脆，甚至崩裂。因此，涂敷层既要具有足够的柔韧性，又要具有较高的 抗弯折强度。为了达到这要求，很多光纤厂商采用了双层涂敷工艺以合理平衡 在各种温度环境下涂敷层对光纤的保护作用，即内涂敷层柔软性好，在较宽温度 范围内( 一6 0 1 0 0 ) 有较低的模量、抗氧化、抗水解、且折射率较高；外涂 敷层较硬，表面固化良好，具有较高的模量及拉伸强度。 武汉理t 大学硕 学位论文 配方上，光纤涂敷层材料可以采用的树脂包括柔韧改性的环氧丙烯酸酯、聚 氨酯丙烯酸酯、聚硅氧烷丙烯酸酯以及聚酯丙烯酸酯。改性环氧丙烯酸酯在柔韧 性方面得到改善，其母体聚合速率快、黏附力强、高抗冲击等特性得以保持。采 用芳香族的聚氨酯丙烯酸酯，在保持固化膜良好柔韧性的同时，以其芳环结构赋 予固化膜适当的硬度和拉伸强度。聚硅氧烷丙烯酸酯具有优越的综合性能，在柔 韧性、防潮、隔氧、抗侵蚀、耐老化方面突出，但成本较高，作为普通光纤涂敷 应用受到限制。聚酯丙烯酸酯，特别是聚乙烯内酯丙烯酸酯，具有较好的柔韧性 和抗张强度，配方调制与普通u v 涂料并无大异，选择活性稀释剂时，要注意剧 化收缩率方面的因素，因为较大的收缩率可能导致膜层对光纤产生不均衡应力作 用，光纤传输质量下降。因此选择时必须平衡固化速率、固化收缩率、表面张力、 软硬程度方面等多方面的性能1 2 2 。 在众多u v 固化材料中，丙烯酸酯之所以被选做光纤涂敷层材料是由于它具 有良好的紫外固化动力学性质及形成的涂敷层具有良好的机械性质和光学性质。 一般来说，一种紫外固化丙烯酸酯涂敷材料混合物是由一种丙烯酸酯低聚物、 种单体( 活性稀释剂) 和一种光引发剂( 安息香或它们的衍生物) 组成。利用诸 如聚氨酯和环氧丙烯酸酯低聚物的一个品种，配合聚氨酯丙烯酸酯和环氧丙烯酸 酯、聚丁二烯丙烯酸或二丙烯酸酯，来改变低聚物的分子量和组成，可以制成具 有化学和物理性质广阔的涂敷层材料。 2 2 3s m f 2 8 光纤涂敷层材料的物理化学性质 本论文实验样品所采用的光纤为长飞光纤光缆公司产s m f 2 8 标准单模石英 光纤，将涂敷层碾成粉末后通过溴化钾压片法制成固体样品，然后利用傅立叶变 换红外光谱仪对其进行红外光谱分析( 如图2 2 ，横坐标为波数v ，纵坐标为透 过率r ) 可知其中包含聚酯型聚氨脂( 最强谱带1 7 3 3 c m o ，特征谱带3 3 3 1 c m - 1 ( y n h ) 、1 5 3 3 c m 。1 ( 6n h + yc h ) 、8 2 4 c m 。( 芳香结构吸收) 、15 9 6 c m 1 ) 和环 氧树脂( 最强谱带1 2 4 2 c m ，特征谱带3 0 4 1 c m 、1 6 0 4 c m 、1 5 0 9 c m 。( 苯环吸 收) 、8 3 2 c m 。( ( c h 3 ) 2 骨架震动) 、1 1 8 1 c m 、1 0 3 9 c m l ( y f o ) 、1 4 6 0 c m 。1 ( 6 ( 、h 2 ) 、7 6 4 c m “) ，式中y 为伸缩振动，6 为弯曲振动，波长与波数的关系为 v l c m “i = 1 0 4 工( f 删) ”。 6 武汉酬丁人学硕_ f ：学位论文 f i g 2 - 2s m f 2 8 光纤涂敷层红外光谱图 另外，如图2 3 a 、b 所示，一些紫外固化材料在进行固化反应时，低聚物( 或 多功能单体) 在被打开的双键处交联构成一个分子空间网络。当固化反应继续下 咋一0 k 厂o h h 邺爸添 c h ： o h 0 o c h ，占h c h 厂些一c h c h 2 00 0 c h 尹c h c 0 一r e n h o c n h 0 0 n h c o 一尺一 | | 0 b 聚氨脂丙烯酸酯分子结构 f i g2 - 3 交联涂敷层结构的参数 一摹一oucgece j _ 心 c = hc (!)i。 叱一 c 0 一 r 一 0 e i i o 武汉理工大学删l 学位论史 去，这个分子网络占据一定个生长体积。量度固化反应程度或构成分子网络结构 的两个重要参数是交联点间高聚物链段的分子量哳n 交联密度v ( 单化体积内交 联单元的数量) 。当反应继续，肘减小，p 增大。因此，一种轻微交联的涂料具 有较大的 研n 低的l ，；而一种高交联的涂料则具有小的脐口高的v ，这两个网络 参数m 和v 决定涂敷层的机械性质，如硬度和弹性模量，以及涂敷层和溶荆的相 互作用。根据上述分析，光纤的内涂敷层具有较大的m ，是柔软的，相似化学结 构的溶剂容易渗透入内涂敷层引起膨胀。而光纤的外涂敷层具有较小的m ，是坚 硬而抗液体膨胀的。交联点之间的分子量脚口交联密度v 具有如下关系： v = 嘉 ( 2 - 1 ) 式中陧总体积，妒是聚合物比体积。由此可知光纤内涂敷层的交联密度l l 夕i - 涂 敷层的低。对于种假想的、没有链尾的四功能交联网络，方程式( 2 1 ) 中的v 定 义是有效的。然而任何真实的网络必须包含有终止链，它的一端束缚着，另一端 则开放着，在这种情况下我们定义一个有效的交联密度v 。： v e = v ( 1 2 m m 。)( 2 2 ) 式中m o 是交联聚合物的原始分子量。其中v 。越大则聚合物的硬度及抗液体膨胀 能力越强。 结合光固化材料的成分及红外光谱图的分析结果可知s m f 2 8 光纤涂敷层足 通过双涂敷工艺生成的，即内涂敷层为较柔软( 低交联密度、低模量) 的聚氨酯 丙烯酸酯涂敷材料，外涂敷层为硬质( 高交联密度) 的环氧丙烯酸酯材料。这样， 就很好的保证了光纤涂敷层的柔韧性和抗弯折强度i l t 。 此外，s m f 2 8 光纤涂敷层对不同激光波长的吸光系数也存在一定的差别， 重。 w a v e t e n 9 h ( r l m ) 武汉理j ：大学硬士学位论文 f i g2 - 4s m f 2 8 光纤涂敷层紫外光谱图 且在紫外和红外两个波段分别存在不同的吸收峰。将s m f 2 8 光纤涂敷层剥离一 小部分碾碎溶于丙酮溶剂后放入紫外分光光度计对其进行紫外光谱分析，由其紫 外光谱图2 - 4 ( w 为摩尔吸光系数，它是浓度为l m o l l 的溶液在1 c m 的吸收池 中，在一定波长卜- 测得的吸光度) 可知它的第一个吸收峰位于1 9 5 3 3 0 n m 紫外 波段范围内，其起伏较缓，最大值在2 2 0 n m 左右；同时根据图2 2 红外光谱图 可知s m f 2 8 光纤涂敷层第二个吸收峰位于8 1 1 p m 红外波段范围内，最强值 在9 p m 左右，次强值在1 0 7 u m 处。如是根据材料吸收峰的位置我们便能够 合理的选择激光波长来有效的去除光纤涂敷层。本论文后面所说的涂敷层材料若 没做特别说明就是指s m f 2 8 光纤涂敷层材料。 2 3 光纤的应用光纤光栅 2 ，3 1 引言 自从1 9 8 9 年美国联合技术研究中心的gm e l t z 等人以倍频亚离子激光器输 出的2 4 4 n m 紫外光为光源，用全息干涉的方法在掺锗石英材料光纤上研制出第 一支位于通信窗口的布喇格( b r a g g ) 光纤光栅以来，它就以众多独特的优点在 光纤通信及传感领域有着广泛的应用社“。伴随着光纤光栅制造技术的不断完善 应用成果的同益增多，目前它已经成为了最具挑战性和发展前途的光纤无源器件 之一，同时它的出现也极大地促进了全光纤通信和光纤传感技术的发展。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用 引起折射率的永久交化) 。在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯 内部形成一个窄带的( 透投射或反射) 滤波器或反射镜 2 7 1 。利用这一特点可以构 成多种性能优良的光纤器件。主要有：利用光纤光栅的窄带高反射率特性构成光 纤反馈腔，并依靠掺铒光纤为高增益介质制作光纤激光器；用光纤光栅作为激光 二极管的外腔反射器构成可调谐二极管激光器；用光纤光栅组成的三种干涉仪 ( m i c h e l s o n 干涉仪、m a c h z e h n d e r 干涉仪和f a b r y p e r o t 干涉仪) 可制作光纤滤 波器；利用非均匀光纤光栅可以制成光纤色散补偿仪等等。此外，利用光纤光栅 还可以制成用于检测应力、应变、温度等诸多参量的光纤传感器和各种光纤传感 网。 2 3 2 光纤光栅的光学特性 光纤光栅是一种参数周期性变化的光波导，其纵向折射率的变化将引起不同 光波模式之闷的耦合，并且通过将一个光纤模式的功率部分地或完全地转移到兄 武汉理工大学颁f 。学位论文 一个光纤模式中去米改变入射光的频谱。在一根单模光纤中，纤芯中的入射摹模 既可被耦合成向前的传输模式，也可以被耦合成向后的传输模式，这主要依赖于 光栅以及不同传播常数决定的相位条件，即： 8 | 一$ 2 = 2 r j aq 一3 1 式中以是光栅周期，卢，和也分别是模式1 和模式2 的传播常数。为了将一个向 前的传输模式耦合成一个向后的传输基模，应满足如下条件： 2 r d a = p i 一8 2 = 8 0 一i 、一8 0 i = 2 归o l( 2 - 4 1 式中卢o ，是单模光纤中传输模式的传输常数。在这种情况下得到的光纤周期较小 ( a 占) ，则可认为是表面热源。若( h ) 1 2 ( k r ) ”时，可以忽略由辐射作用点向周边散热 的作用。若r o c 万)b 立体热源( ( k r ) 垃 ( h ) 1 ，2 疋= 去譬+ 巧 乃= 妥+ 巧 p c ：d 3 r o ( h ) 1 尼 瓦= 警+ t 耐q r 0 2 n 卜俐+ 巧 e f f 圳积分指数函数，七：二( c 为比热，p 为密度) t a b l e3 - 1 协( c r ) 詹和j 相关值不同时辐照区中心的温度t 另外如图3 - 3 ，当被辐射介质为无限长细圆柱体时，根据能量守恒定律可以 得出以下方程叫： q ，+ 乓= q 。+ e + 9 ，+ 厨+ q ， ( 3 4 ) 若上式满足条件出 2 ( k r ) 加，则 导热能：吼一( 删罢) ，钆m = _ ( 觑罢 。 对流能：g 。= 坳( 疋一巧玲 表面辐射能：q ，= o 掌一霸) 吸收能量：占。= 伊4 百o t 毋 激光辐射能量：e 。= a q ( x ，r ) 出 武汉理工人学硕士学位论文 妻 r 一i 胁 矾g f i g3 - 3 无限长细圆柱体介质模型 式中4 为圆柱体截面积，p 为圆柱体周长，d 为圆柱体直径，日为传热系数，f 为 发射率，盯为斯忒藩一玻尔兹曼常数( 5 6 7 1 0 一w m 2 k 4 ) 。其中在任意时间间隔 内，从该区域单位面积向材料内部传走的热能加上对流换热向外界逸出的热能以 及通过表面辐射向外流失的能量三项之和等于该区域从激光吸收的能量。 通过t 述变换将方程( 3 4 ) 展开后得维热传导方程： 窘= 等也一) + 譬詈卜4 。c 。r y ( t ? 一巧) 一掣 ( s 卸 其中内热源功率体密度，即单位时间内单位体积产生的热能 q ( x ：鱼塑抬型。x p 卜等1 p 6 ) w x a r w x ) 式中p 为激光输出功率，仉、w ，为束腰半径，r 为圆柱体半径。 3 2 2 光化学效应激光蒸发及其理论模型 光化学激光效应蒸发与热效应激光蒸发有着本质的不同。热效应激光蒸发是 整个照射部位被加热，并按照液相、气相的顺序变换着，光化学效应激光蒸发可 以认为是光子切断了物质内部的分子键，使材料处于松散状态，从而致使材料蒸 发。因此导致光化学效应激光蒸发的必要条件为：光子的能量大于分子的结合能。 整个过程如图3 4 所示： li，激光照射 _ - 赢。 oo oo鼯t-,oo ooo + 。 加热n _ 。 f i g3 - 4 光化学效应激光蒸发的过程 此时，不仅是光化学作用，同时还会发生激光的热吸收，所以，如果进一步提高 武汉理工大学坝十学位论_ 盘： 激光的入射功率密度，就会引起微粒子的爆炸性喷溅o “1 。 在整个过程中，切断分子的第一步是使分子吸收光，称之为激励分子。而切 断分子的首要条件是分子具备的能量要大于解离能。将激光波长2 ( r i m ) 转换成解 离能d 口的单位k j t o o l ，可以用下式： d o ( k j t 0 0 1 ) = ! 9 6 3 10 5 姐( r i m ) ( 3 - 7 ) k j m o l 是指l m o l ( = 6 0 2 2 1 0 2 3 个) 的能量，用k j 单位来表示。 在紫外波段，原子和分子会因为受到吸收的光能作用而引起电离或解离。其 作用的光能相当于原子的电离能和分子的结合能。图3 5 表示了各种分子的结合 能与输出谱线在紫外区的几种典型准分予激光波长的关系。图中的纵坐标表示结 合能，单位用l o m o l 或e v 表示，横坐标表示波长，图中的实线表示波长与能量 的关系。当激光光子能量大于材料分子键能时，激光光分解、光剥离作用存在， 如时f 准分子激光光子能量在4 6 0 k j m o l 左右，大于光纤涂敷层材料中o o 、h h 、 o h 、c c 、c h 、c o 和n h 等化学键能，这样激光光分解作用就可以断开光 纤涂敷层内部分高分子链之间的化学键，从而起到去除光纤涂敷层的作用。 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 w a v e l e n g t h ( n a ) 分子结合能( k j f m 0 1 ) hcnoc 1 h4 3 14 1 03 8 94 5 64 2 7 c 单结合3 3 5 3 2 73 6 8 3 2 7 双键结合 6 0 76 4 17 4 9 二键结合8 2 99 9 6 f i g3 - 5 分子结合能与准分子波长之削的关系 如此可知，只要选用的激光波长可以切断相应的分子键或原子键，那么长链 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 踮住盱弱盯8惦坫； 武汉理工人学坝 一学位论文 高分子将会断裂，并以光分解或气化的形式蒸发。 3 3 结果与讨论 3 3 1 热效应激光蒸发参数分析 被辐射材料在真空中蒸发时，因为粒予反向流动小，故其蒸气向周围空间自 由扩散。此时，很难决定加热阶段和蒸发破坏材料阶段的临界线。在大气中辐射 材料的条件下，这种界限就是在该介质压力下物质由凝聚态相变为蒸气态时该材 料表面达到的温度。此时由激光辐射彳乍用区排出的物质量剧增。确定不破损材料 的最火“无损”功率密度口所可由表3 1 所列的公式和方程( 3 - 6 ) 求得，条件是脉 冲终止前达到疋= 疋( 又常压f 沸点温度) 。 在半无限大介质模型中，常见材料的表面升温一般可由表3 一l 中的公式1 a 导出： g = k 帆一) z 瓜悟招咖( 焘 ( 3 - 8 ) 山式( 3 8 ) 得出，连续辐射条件下材料开始破损所需要的功率密度最低，其值可由 下式计算： q 。：丝d 盘( 3 9 ) 式中蛳只与材料的导热系数、加热阶段的仨限温度界线和辐射区的大小有关。 联立上述( 3 _ 8 ) 、( 3 9 ) 两个方程式可得q q 哺与再之间的关系图3 - 6 ，由图可 斗 ：l 1 8 1 j 岳 ：l 二 丁 9 6 3 0 1 i l l 、 f i g3 - 6 材料抗辐射强度与辐射作用时间关系曲线 知随着作用时间的减少，材料的抗辐射强度开始缓慢增大( r g n j ( h 1 加。2r o ) ， 茎堡堡三查兰塑! ：兰些丝苎 丽后越来越快的增大，在极限处( ( 府) 7 口 r o ) 时临界功率密度为： ，、! 旷置帆一巧) ( 惫j 2 ( 3 - 1 0 ) 式中q t h 与辐射区的大小无关，因为当r 很小时，侧向导热可以忽略不计。 在无限长细圆柱体介质模型中，当满足水c ? ( k r ) 加时，根据内热源功率体 密度方程： 酬：塑w 糍型叫一等w 睁 ，刀。一ri。， 可知当x = 0 时所需激光功率密度最大，此时其值为： 孽。：g ( x ：。) 艿：! 望! 掣万 ( 3 1 2 ) 由此可知影响激光功率密度吼的因素包括激光的脉宽、发射率、辐射穿透层厚 度、导热系数、传热系数、比热和圆柱体直径等。而在整个受热介质模型中由于 圆柱体半径，很小，因此侧向导热起着决定性的作用。同时当受热层厚度比辐射 穿透层厚度小得多时( ( 打) 7 门 j ) ，激光热源可以认为是立体的，其能量分布 将满足l a m b e r - b e e r 吸收定律。 3 3 2 光纤包层受热分析 由于光纤包层满足d ? ( 幻) 加的条件，根据图3 - 3 无限长细圆柱体介质模 型町知其在c 0 2 脉冲激光辐射下满足下列方程： 害一4 骶h ( t 。一) + 譬詈+ 4 扰e r e ( 、i 。4 一露) 一掣( s 郫) 酬：警唧( 一爿 p 有关石英光纤和c 0 2 激光的一些参数如下表： 符号意义数值单位 c比热嗣 一8 8 7 2 6 0 5 3 8 ( t 一1 5 7 0 ) + 5 6 x - t o r k g 。k 。 d直径1 2 5 1 0 。6 m 日传热系数1 1 3 7 4 1 8 6 8 w i n 。2 k 一 6消光系数 0 0 1 8 2 + 1 0 i x l o 。p 一2 7 3 1 5 ) k导热系数刚 1 2 1 3 + 0 0 0 0 8 9 t + 1 7 8 1 0 。9 仃+ 3 1 1 2 ) 3 w m 。k 。 是热扩散系数 k p c ( m 2 j1 1 武汉理工大学硕士学位论文 j辐射穿透层厚度 a 1 4 庀b ( m ) r半径6 2 5 1 0 “脚 珀起始温度 2 9 3 k t k软化温度 1 7 0 0 k p 密度 2 2 0 0 k g m 一3 波长1 0 6 x 1 0 “聊 咯，嘶，束腰半径 5 0 0 1 0 1 m 占 发射率1 2 i e x p - ( t 一2 9 3 ) 5 0 0 + 1 】+ 0 0 6 f脉宽5 1 0 3 s t a b l e3 - 2 石英光纤及c 0 2 激光部分参数 参考文献0 3 9 j 和表3 - 2 ，并利用g e a r - n o r d s i e c k 有限差分法解二阶偏微分方程 ( 3 - 1 3 ) 可矢n ，当激光入射功率为5 w ，光纤包层消光系数为0 0 1 5 ，吸收系数a 分 别满足米氏散射原理( 水平偏振念和垂直偏振态) 和几何原理( l a m b e r - b e e r 吸 收定律) 时，不同直径光纤包层表面温度的变化趋势如图3 7 所示，由图可知当 f i g3 - 7 光纤包层直径与表面温度的关系曲线 光纤包层表面达到软化温度为1 7 0 0 k 时，利用垂直偏振态和水平偏振态米氏散 射原理计算出来的光纤包层直径分别为2 3 9 u m 和2 9 8 斗m ，而利用几何原理计算 出来的光纤包层直径为3 5 3 “m ，之所以在l o 4 5 9 m 之间达到某一温度利用米 氏散射原理所计算出来的光纤包层直径普遍小于利用几何原理计算出来的值，是 因为考虑到c 0 2 激光辐照时光