（材料物理与化学专业论文）太阳能传输用空芯光纤的制备与损耗研究.pdf

摘要 为解决地球上日益紧张的能源危机，人们逐渐将目光转向太阳能，选择纤维 光学和太阳能利用技术结合的方法对室内进行照明，可以最大程度的节约能源。 本文以太阳能传输用空芯光纤的制备与损耗研究为课题，选取内径为l m m 光纤 作为基管，利用液相法在内壁先后镀制金属银膜和电介质p m m a 膜层，通过太 阳能收集器耦合进入h e c e m m a 泄漏型空芯光纤后，测试其损耗和衰减速率，评 价其传输性能。 本实验中设计的太阳能收集器主要收集3 8 0 - - - - 1 5 0 0 n m 波长范围的光，根据 抛物面镜聚焦原理把平行入射的太阳能汇聚成一个点光源，再导入空芯光纤进行 传输。把光纤与收集器组装后，为了减小光斑直径引起的能量密度带来的影响和 误差，测量中午十二点至两点时间范围段太阳能光密度变化变化来评价装置的稳 定性。 i g p m m a 泄漏型空芯光纤利用全反射原理传输太阳光，金属银膜在 3 8 0 - - - 1 5 0 0 n m 波长范围内反射率高达9 0 ，为减小银膜表面氧化引起的色散效 应，须在银膜上涂覆p m m a 透明电介质层，对a g p m m a 复合薄膜结构空芯光纤 进行分析表征，通过s e i d 、f e s e m 测试研究薄膜的表面形貌和厚度，通过可见一 近红外分光光度计来测试薄膜反射率，通过多功能光纤损耗测试仪来测试空芯光 纤的损耗和损耗和衰减速率，可得出如下实验结果： l 、通过对泄漏型空芯光纤结构理论的分析，确定了金属银膜厚度为0 2 t m ； p m m a 电介质层理论最佳折射率为2 ，厚度为7 4 n m 。 2 、在基管内镀制银膜时，确定银氨液和还原液浓度分别为0 1 m o l l ， 0 0 2 5 m o l l ，反应温度为1 8 ，时间为2 m i n ，基管内流量定2 5 m l m i n 。选取质 量比为0 2 5 p m m a 丙酮溶液制备电介质层，镀制流量为2 5 r n l m i n ，反应时间 为3 0 s ，制备的厚度为7 0 n m 。 3 、对碟式太阳能收集装置的稳定性进行测试，中午十二点到两点间光密度 变化为0 0 4 m w c m 2 m i n ，中午一点左右可获得较强的光密度，可作为测试时间。 4 、从a g 与h g a m m h 结构空芯光纤的损耗值比较可知，p m m a 电介质膜 可有效降低衰减速率，后者衰减速率约为o 0 5 m w c m 2 天，对于a g p m m a 空芯 光纤进行太阳光传输应用于生活生产中有重要的意义。 关键词：a g p m m a 空芯光纤，太阳能收集器，传输损耗和衰减速率 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 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：厶、日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：耻导师繇垒蕉塾日期：翌纽：! ：l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能， 只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总 能量的3 - 4 万倍，可谓取之不尽，用之不竭。太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不 同，不会导致”温室效应”和全球性气候变化，也不会造成环境污染。正因为常规 能源资源的有限性和环境压力的增加，使世界上许多国家重新加强了对太阳能等 新能源和可再生能源技术发展的支持近几年，国际光伏发电迅猛发展，1 9 7 4 年至 1 9 9 7 年，美日等发达国家硅半导体光电池发电成本降低了一个数量级在我 国，太阳能的利用也一直是最热门的话题，经过多年的发展，国内在集热器已成 为太阳能应用最为广泛、产业化最迅速的产业之一。 煤炭巨量消费已成为我国大气污染的主要来源。我国具有丰富的太阳能、风 能、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源资源，开发利用前景广阔。 我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量在3 3 x 1 0 3 - - 8 4 x 1 0 6 k j m 2 之间，相当于 2 4 x 1 0 4 亿吨标煤。全国总面积2 3 以上地区年日照时数大于2 2 0 0 h ，日照能量在 5 x 1 0 6 k j i n 2 以上。然而目前仍有大约6 0 0 0 万人生活在无电地区急需生活用电。 为尽快解决边远无电地区人民的用电问题，光伏发电和风力发电都成为可利用的 途径，然而两者所需成本都较高，于是人们逐渐将目光转向太阳光的直接利用， 通过简单有效的太阳能跟踪聚焦系统，以及耐热、低损耗、低成本和宽光谱传输 的空芯塑料光纤，可以加大对太阳能的直接利用和普及推广。 利用太阳光给人类提供能源，将能解决地球上日益紧张的能源危机。生物能、 风能，水能、温差能和潮汐能，归根结底都是太阳能的转化形式。即使是矿物燃 料，也是通过生物的化石形式保存下来的亿万年以前的太阳能。因而伴随全球人 口的迅猛增长，人类赖以生存的资源加速耗竭，自然生态条件日益恶化，作为可 持续利用无污染的太阳光等新能源，充分发掘其使用技术的研究工作引起国际社 会愈来愈多的关注。 1 1 太阳能技术利用现状 太阳能( s o l a r ) 一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。太阳 能的利用有光热转换和光电转换两种方式。太阳能是太阳内部或者表面的黑子 连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度 武汉理t 大学硕士学位论文 为1 3 6 9 w m 2 。地球赤道的周长为4 0 0 0 0 k m ，从而可计算出，地球获得的能 量可达1 7 3 0 0 0 t w 。太阳以电磁波的形式向地表辐射，穿过厚度为1 5 x 1 0 8 k m 的高空云层后到达地球表面，透过时间约需要l o 分钟。地球处于太阳光经过的 路径中，并用一半的球体面积来承受太阳光照射。由于照射角度不同，地球球体 表面上不同部分所承受的太阳辐射强度不尽相同。在海平面上的标准峰值强度 为1k w m 2 ，当地球处在日平均距离上时，与太阳入射光线垂直的单位面积和时 间内，照射在地球与大气边界上的太阳辐射能大约为1 3 8 5 7 w m 2 ，此数值即是 所谓的太阳常数瞠。，太阳距离地球数值的平方愈大，太阳入射光线垂直的地球单 位面积上能够接收到的辐射能量愈小，即成反比关系。由于n 、0 2 、0 3 、h 2 0 蒸气等其它大气中悬浮分子的强烈吸收与光线在大气层中的散射，使得光线在红 外和紫外波段消失的能量较其他区域多，由于在海平面上太阳辐照度能量范围大 部分集中在o 3 8 1 5hm ，因此，为了在地球上更好的利用太阳能，多考虑波 长在0 3 8 一1 5 | lm 范围内的辐射昭。3 1 。 e 寻2 e 1 竺， ： i n 雹 哼士i r 口了 皇o 可见光 波长( p r o ) 图1 1 太阳辐照示意图 近十几年来，利用太阳能技术不断获得长足的进步。利用太阳能进行照明可 以通过光一电一光两次能量转换的方式来实现，光一电转换可以通过光热发电或光 伏系统进行，其中光伏照明系统被认为是人类最理想的照明供电解决方案。光伏 照明系统主要应用于无电地区城镇道路照明，尤其适用于日照强度高、太阳能资 源丰富、无电网或远离电网及环保节能地区的路灯工程照明。能有效利用自然能 源，通过安全的清洁发电来照明的系统，是供电困难环境下最佳照明系统。整个 过程自动控制，无需人为操作。传统的光伏照明系统由太阳电池板、蓄电池、充 放电控制器、逆变器和传统光源灯具等几部分组成，在通过光一电一光的转换进行 照明的途径中，光热发电和光伏发电的转换效率一般都在1 5 左右，再加上系统 损耗及电光转换，使得采用这种光一电一光转换的绿色能源利用率仅为8 以下。 2 武汉理工大学硕十学位论文 然而，由于太阳能自身固有的以下缺点h 1 ，使得广泛应用太阳能资源一直受到各 方面制约。 ( 1 ) 分散性：尽管到达地球表面的太阳辐射的总量很大，但是能流密度 很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时 太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1 平方米面积上接收到的太 阳能平均有10 0 0 w 左右；若按全年日夜平均，则只有2 0 0 w 左右。而在冬 季大致只有一半，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，为 确保定的转换功率，往往需要面积大，造价较高的收集和转换设备。 ( 2 ) 不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件 的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太 阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了 难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能 源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题。 ( 3 ) 效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上 是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低， 成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段 时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。 近年来，种直接利用太阳光进行室内照明的装置得到发展。在这种太阳光 照明方案中，省却了光一一电一一光的转换环节，直接利用太阳光进行照明，可 以节约大量能源。据美国2 0 0 0 年官方统计，美国一天用于照明的电力费用为0 1 亿美元，占整个电力消耗的2 5 。其中4 0 的消耗是在外界阳光非常充沛的时候， 也就是说，当外界阳光普照的时候，美国人每天还要花费4 0 0 万美元在室内采用 人造光源照明。采用太阳光室内照明装置，在年日照时间2 6 0 0 b 时的地区可以 节省7 0 的日间照明费用，以美国为例，如果所有建筑都采用日光进行日问照明， 每天可以节省能源费用2 8 0 万美元。这种产品好处并不仅仅限于节能，其更重要 的意义在于对人体健康的益处。众所周知，阳光对于人体健康是非常重要的，它 可以促进人体钙质吸收、提高人体免疫机能、杀灭室内有害细菌、促进人体新陈 代谢，适当地接触阳光，还可以延缓人体老化过程，这些都是任何人造光源所不 能替代的。 综上所述，研究和开发传输太阳能用光纤，利用其将高能量密度太阳能直接 传输到需要利用自然光能的工业及农业生产和家庭生活中，具有重大的社会和经 济效益。太阳能资源丰富、廉价、清洁、分布广泛、取之不尽、用之不竭，是人 类未来的主要能源。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 光纤传能的应用发展与空芯光纤的研究现状 1 2 1 光纤传能的应用发展 光纤的全称为光导纤维，它作为光波波段传输的一种介质波导。利用全反射 原理，光以电磁波能量的形式，在其界面内传输，并使得光线沿着光纤轴线平面 方向前进。按应用领域可将其分为两类：一类是用于传输能量的，即传能光纤： 一类是用于传输光学信号的，即通信光纤。本文所研究的传能光纤主要是用于可 见光波段光能传输。 光纤照明早在2 0 世纪3 0 年代就已经被人们所接受，最早是由美国的威廉 惠勒在1 8 8 0 年申请的专利中提出的当时称之为“管道照明”装置，它是由内涂 反射层的管子把中心光源的光引至若干个需要照明的地点。主要采用的光纤为集 束玻璃光纤，但由于其使用成本极高，基本无法达到大规模实用阶段喵3 。我国从 事光纤研究、开发和生产的科研院所在8 0 年代后期也取得了一定突破。光纤逐 渐进入计算机通信和医疗设备领域，并在装饰照明方面拓展哺3 。 选择纤维光学和太阳能利用技术结合的方法对室内进行能量传输或照明，省 去能量转换的中间过程，更多的拓宽太阳能的使用范围口1 ，可以最大程度的节约 能源。相比于传统的用于电能传输的金属电缆，光纤具有直径小、绕性好、重量 轻、耗材少、使用方便、节省自然资源等优点，再者，光纤传输能量密度高，所 以利用光纤对可见光进行传输，将光纤传能技术广泛的应用在太阳能领域，将成 为未来前景中的重点。 光纤传输太阳能系统由光纤直接传输太阳能系统和太阳能转换光纤传输系 统两部分组成剖，前者的结构由聚光器一光纤一光能使用器件三部分构成，后者 则可有如下列出几种： 聚光器一太阳能激光器一光纤一光电转换器 荧光聚光器一激光器一光电转换器 光电转换器一激光器一光纤一光电转换器 聚光器的作用可将密度性较低的太阳能聚集处理成为高密度的太阳能光斑， 实现光纤与聚光器的高效组装，为下一步光纤传输太阳能制造前提条件。目前通 过聚光器的最大聚光功率可将是太阳能功率密度提高5 万倍。光能使用器件种类 繁多，就目前而言，光纤灯在光纤直接传输太阳能系统中占主导地位。 太阳能光导采光实验装置与其装置实验系统的光路示意图如1 - 2 所示呻1 ： 4 武汉理工大学硕士学位论文 图卜2 太阳能光导采光实验装置与实验系统的光路示意图 太阳能光纤采光属于自然光，对人眼睛的适应能力强。太阳能光纤传输系 统可以传输太阳光谱中的近紫外光、可见光和近红外光，用于照明、能量传送等。 该系统不仅仅可以节省大量的常规电能，而且安全可靠，显著地改善了阴暗潮湿 处的生活和工作环境。在光纤接收端的光线经过滤除紫外、红外成分的滤光器再 聚焦到光纤端面，使得光纤照明中的光线没有红外线，而且可以滤除绝大部分的 紫外线，最适合博物馆、美术馆等对红外、紫外成分有严格限制的场所的珍贵物 品的照明。另外还可以把换色片安装在接收端，通过换色片的转换颜色，实现光 纤照明丰富多彩的照明效果，国内外光纤照明的应用有如下几个方面n 0 。1 1 3 ： ( 1 ) 室内和喷泉水下照明。在室内装饰中，用光纤侧段发光均匀勾勒出物体 轮廓线条，在末端发光系统上配置透镜型发光终端附件用在室内大厅，光晕照明 可以更好的突出立体感。基于光纤照明实现了光电分离，故其用在水景装饰中安 全可靠。用于室外喷泉水下照明，经比较照明效果和安全性均优于低压水下照明 系统。 ( 2 ) 珍贵物品照明。一般的灯光因紫外光的作用，使图书文物、木结构等 建筑物加速老化，并会造成大火的潜在隐患；对于名贵的手表、珠宝店等，因采 用的普通灯具中含有红外线，很容易发热，商品中的水分会逐渐消失，质地不断 下降，价值也会有所下降色。采用光纤照明，既安全又能达到理想的艺术效果。 ( 3 ) 易燃易爆场合。在矿区、油库等严禁火种的危险场所，从安全角度看，因 光与电分开，所以光纤照明应是一种最理想的照明。 作为新兴的照明技术，光纤照明的优势显而易见，随着科学技术不断发展 及其产品的规模化生产，光纤照明产品将在更多领域得到宽广的应用。 1 2 2 空芯光纤的研究现状 依据不同的分类条件，空芯光纤可归属为不同类别，由于光线在空芯光纤介 质中具有不同的传播特点，故可将空芯光纤分为两类n 卜峙1 ：类是泄漏型空芯光 武汉理工大学硕士学位论文 纤( l e a k yt y p ef i b e r ) ，其特点是光线照射到折射率n 大于空气折射率( n 1 ) 的 电介质膜或金属高反射膜上发生高反射而进行传输。另一类称为衰减全反射型空 芯光纤( a t rf i b e r ) ，其特点是光线照射到小于空气折射率( n 1 ) 的材料上发生全 发射而进行的光波传输。 不同结构的泄漏型空芯光纤所采用的电介质膜、高反射膜基本相同，但由于 基管可选用塑料、玻璃、金属三种不同的材料n 4 。”1 ，三者的力学性能、内表面的 光滑度、热学性质对空芯光纤的传输性能具有显著的影响。塑料基管与其他基管 相比，柔韧性非常好，但其热学性能较差，在传输高能激光时，难以满足要求。 金属基管具有优异的力学性质和热学性质，但内表面处理困难，导致了空芯光纤 的损耗较大。对于玻璃基管来说，尽管其力学性能和热学性能较之金属差，但其 内表面非常光滑，而且制备工艺较为简单，因此在空芯光纤实用化道路上得到发 展。 对比传统的实芯光纤结构而言，空芯光纤可以克服如下两点缺陷：一是实芯 结构所存在的结构缺陷大大降低了光纤的能量传输阈值，二是芯层材料的折射率 较大，耦合时光纤端面产生的反射损失比较大n 7 | 。由此可知，与其它类型的光 纤相比，空芯光纤具有下述明显的优点： ( 1 ) 采用具有高度均匀性的空气作为传输介质，极大地减少了光传输时由 于介质不均匀而引起的散射几率，散射损耗小。 ( 2 ) 采用空气作为传输介质，可有效的避开实芯光纤中引入的过渡金属离 子和o f f 以及其它杂质，很大程度上减少了吸收损耗。 ( 3 ) 采用晶体或氧化物玻璃作为光纤材料，空芯光纤的光学和化学性能都 比较稳定。 ( 4 ) 采用折射率约为1 的空气作为传输介质，无终端反射，不需要在空芯 光纤端面涂覆反射涂层，可很好的降低耦合损耗。 ( 5 ) 采用空气作为传输介质，使光束分散性小，保证了高密度光斑的输出 质量。 ( 6 ) 空气传输介质对光的吸收小，降低了吸收光而转化成的热量，而且空 芯光纤芯径较大，空气介质能很好的散热。基于这两方面的原因，使得空芯光纤 具备较大的能量损伤阈值，即不致于因传输介质吸收较多的光引起较大的热效应 而损坏光纤，从而可传输较大功率的能量。 ( 7 ) 通过合理的基材结构设计，可以使空芯光纤既具备良好的韧性同时具 有很好的力学性能，更容易实现改变方向的弯曲传输。 ( 8 ) 空芯光纤性能稳定，能够经受高温、紫外线的照射且空芯光纤中没有 引入毒性元素，可安全放心的适用于工农业生产和家庭应用。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 综合空芯光纤多方面的优点，它应理应作为当今太阳能直接传输中最具竞争 力的一种选择。因此，在能够进行低损耗稳定传输太阳能应用的基础，更有目标 的研究和开发空芯光纤，是势在必行的趋势。 1 3 太阳能收集器研究背景 针对太阳能低密度性的缺点，可采取聚焦的方法解决，目前应用广泛，技术 成熟的形式包括塔式系统、槽式聚焦系统和碟式系统n8 。由于前两种聚焦系统无 法将收集的太阳光线浓缩聚焦成直径很小的光斑，所以它们不适合用来光纤的能 量传输。 在2 0 世纪7 0 年代末期到8 0 年代初期，碟式聚焦系统由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 等多家机构发起研究，主要用于太阳 能热发电技术，接下来德国、韩国、中国等国家的科研部门陆续展开碟式聚光太 阳能整合器件的研制开发，已有部分国家完成样机测试n 蝴1 。太阳能收集器是利 用碟式抛物面镜聚焦的原理设计而成，其特点在于平行入射的太阳光首先被汇聚 成为点光源，而后通过聚焦面镜耦合进空芯光纤内传输。聚光器种类如图1 4 所示口，可分为： 1 一次反射结构：太阳光经槽式聚光器聚光后，照射在真空集热管上，由吸 收涂层吸收后，完成光热转换。 2 二次反射结构：采用定日镜一抛物面反射结构，即用一组定日镜将太阳光 反射到一台抛物面镜上，阳光经二次聚焦后，取得了较大聚光比，从而使系统取 得较高的集热温度。 3 抛物面一抛物面反射结构：采用抛物面一抛物面反射结构，即在一次聚 焦的抛物面镜焦线处，放置二次聚焦抛物面镜，集热管放置在二次聚焦的抛物 面焦线上。阳光经二次聚焦后，取得了较大聚光比，从而使系统取得较高的集热 温度。两次聚光结构放置在同一支架结构上，可节省许多材料，降低成本，便于 维护。 7 武汉理工大学硕士学位论文 定 日 董 平面一抛物面 b 抛物面一抛物面 c 抛物面一c p c 图卜3 太阳能聚光器分类 如今，碟式聚光太阳能收集器存在着汇聚的焦面光斑中间能量高，抛物面上 能量分布不均匀等问题，针对上述问题，结合抛物面镜的光学特性，综合考虑太 阳光线指向误差、不平行度、焦面位置误差以及镜面的反射误差等因素，科学计 算出一种典型碟形旋转抛物面收集器的浓缩度和焦面光斑直径，获得在允许误差 范围内边缘角对光斑直径和浓缩度的影响。 1 4 光纤传光的物理过程和影响因素 1 4 1 光纤传光的物理过程 我们以阶跃型光纤为例，来分析光在光纤中传播的物理过程。由于阶跃型光 纤是各向同性、均匀、无源场的介质，光传播的波动方程为乜2 删： v 2 ( 吾) = 弘t ，8 。3 a x 2 2 ( 菩) c ， v 2 ( 言) 厨( 舌) ：o ( 2 ) f v 2 ( 号 ) + ( 盯蕞2 一3 2 ) ( 寺) = o 武汉理工大学硕士学位论文 式中：n 一芯体材料的折射率； k 一波数2 入； t 3 一传输系数。 由于我们研究的对象是沿着光纤轴线方向传播的光波，并且认为光纤是无限 长的乜4 】，不可能沿z 轴产生反射波，e 和h 的每一分量都可写成沿z 方向传播的 形式。利用分离变量法和全反射条件n 。k 1 3 n 。k ，可得到在芯体内和包层内应 满足贝塞尔方程： 粤+ 业+ 砖嚣= 0 0(4)r 面r + f + “n 一 等+ 喾+ j 掰书洲】_ 0 解出上述两方程以后，即可确定电磁波在光纤传播的规律，由于起感光作用 的主要是e ，因此只研究e 的分布与传输规律即可满足光导采光的要求。 1 4 2 光纤影响因素 ( 1 ) 光纤的材料和结构对光纤的传输特性起决定性作用，在传输波长0 3 8 一1 5pi n 可见光范围内，为了制备比较理想的可见光传能光纤，材料应该具有 在可见光区透过率高、易于加工等特点。为了满足制造低损耗可见光光纤的要求， 对材料的要求主要是：a 吸收、散射损耗小：b 材料折射率低，可选择工作波长适 合于工作要求：c 材料结构稳定：d 易于加工制成光纤。 根据分析，设光学纤维的长度为l ，光纤芯料玻璃的吸收系数为q 。端面的 折射率为n 。，入射角为0 。，入射光线经过端口，进入光学纤维的光线经过传输 后的光通量表示为n 力： f。j r 2 纸a ) = 蹦d 型- i f l 一虹巩t n ；y l ij 麓霉l p - a l s o e e , 】 在此，我们只是假设在全反射条件下，以及芯料与皮料之间是理想的接触 面。从关系式可以看出光学纤维长度越长，吸收系数大，或者入射角过大都将影 9 武汉理工大学硕士学位论文 响光学纤维的透过率。所以要想提高光学纤维的透过率，就必须在原材料上选择 低吸收系数的光纤玻璃。 ( 2 ) 由于入射光在光纤中不可避免地会产生吸收、散射及透射等现象，所以 导致光纤传输激光功率随光纤长度的增加而衰减。通常用d b 数来表示衰减度， 当耦合光纤足够长时，由光纤长度引起的衰减不可忽视。同样，光纤弯曲引起的 能量损耗也是不可忽视的。随着光纤曲率的增大，光线在纤芯和包层界面上发生 全反射的条件将难以满足，激光在光纤中传播时的散射和透射将愈强，即能量损 耗愈大。 从纤维光学瞳3 3 的原理可知，光在光纤中因芯皮界面发生全反射而得以向前传 输，对于光纤芯皮材质相同，长度相同，入射角相同而直径不同的光纤而言，传 输光在大口径光纤中的反射次数明显低于小口光纤。对于入射光能量分布按 g a u s s 分布的光纤来说，其传输的激光强度歹可认为与纤芯半径昂的平方成反 比，因此，若保持光纤传输的功率不变的话，减小光纤芯径即减小传输能量的光纤 纤芯的横截面面积，则光纤传输的功率密度将增加。 ( 3 ) 光纤的数值孔径n a 的大小既表征光纤的受光能力，同时又反映了光纤 输出光束的发散程度。在图1 - 5 中，角庐表示发生全反射的临界角。不难推想， 在端面入射的光线中，凡是落入半锥角为9 。的圆锥角以内的入射光线，均可在 光纤中形成受导光线堙4 j 。 图1 - 4 全反射临界角矽的子午线入射光光路示意图 光纤的数值孔径n a = n o s i n 矽。，其中空气的折射率7 0 ：1 ，由斯涅耳定理和临 界全反射条件可知：n a = ( n ，一n ：) “2 光纤的数值孔径越大，则受光角度范围越大，同时出射光束的发散角也越大。 因此，在保持光纤传输激光功率不变的前提下，光纤的数值孔径越小，则出射激光 的功率密度越大。 对于某一特定材料的光纤而言，在某一光波段范围内，光传输好，光透过 率高，在该范围外，则光损耗大，光透过率小。光纤耦合引起的衰减不容忽视。 解决上述矛盾的途径之一是在耦合处使用透镜，将激光束聚焦堙引。事实上，采用聚 焦、准直、光纤端面抛光、紧配合及固定密封等技术已成为降低因耦合引起的能 量损耗的重要手段。泄漏型空芯光纤的研制相对成熟，相应的制备方法以及光纤 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 的种类较多，光纤损耗也较低。但泄漏型空芯光纤还存在一些实际问题。由于泄 漏型空芯光纤是通过光线在金属表面的镜面高反射效应来实现光线的传输的，光 线在电介质层和金属层的同一部位可能发生多次高反射，容易产生局部过热效 应。一旦出现过热效应，材料原有的介电性能、光学性能都将在过热的环境中出 现下降，结果使光导性能变差。电介质膜层厚度是影响光损耗的重要因素，还需 要考虑金属高反射层及其表面的卤化物或聚合物电介质层具有老化现象，此现象 使光导性能变差，将会产生光线被该部位的材料集中吸收的恶性循环，光线在金 属和电介质层之间的无限次泄漏和反射将使光线的传输模式变得十分混乱啪1 ，使 光纤因局部损坏而导致整体传输功能丧失，这对输出光线的聚焦不利。 1 5 选题的研究目的和意义 目前，空芯光纤传输太阳能的技术还不足够成熟，多数只能实现近距离内的 传输。因此，实现长距离的光纤传输太阳能是众多急需面对和解决的课题之一。 针对太阳能在光纤中进行直接传输时的于光纤的损耗问题，寻求某种方式，研制 出合适的低损耗传能光纤是光纤传输面临的首要问题。 传输的太阳光波长范围主要集中在0 3 8 1 5l ai n 之间，理论上介于此波长 范围之间，没有那种物质在此波段的传播速度比在真空中大，所以传输太阳能只 能选择折射率小于1 的泄漏型波导。为了进一步拓展研究领域，提高光纤的性能 和传输水平，经过查阅大量文献，本文以“太阳能传输用空芯光纤的制备与损耗 研究”为课题，选择a g p m m a 空芯光纤材料的制备、结构和光学性质作为研究 课题。针对上述科学问题，拟在以下三个方面开展研究： ( 1 ) 针对a g p m m a 复合薄膜结构空芯光纤，综合考虑质量、工艺、环保和 成本等因素，研究一种具有综合优势、反应条件温和、操作简便的合成方法。 2 ) 通过对反应温度、反应时间和反应浓度等参量的筛选与比较，得到制各 a g p m m a 复合薄膜结构空芯光纤的方案。 ( 3 ) 对a g p m m a 复合薄膜结构空芯光纤进行分析表征，通过s e m 、f e s e m 测试研究薄膜的表面形貌和厚度，通过可见一近红外分光光度计来测试薄膜反射 率，通过多功能光纤损耗测试仪来测试空芯光纤的直线损耗和弯曲损耗，进而计 算其传输性能。 综上所述，研究一种在质量、工艺、环保和成本等方面具有综合优势的、制 备条件温和、操作简便的制备方法，得到性能优越的a g p m m a 复合薄膜结构空芯 光纤，为新型光纤的制造提供理论基础。结合太阳能收集和传输的基本方法和原 武汉理工大学硕上学位论文 理，找出影响太阳能收集和传输效率的主要因素，最优化的完成太阳能收集器和 空芯光纤的组装，提供空芯光纤传输太阳能应用的基本思路和实验数据，使其能 够早日应用于工农业行业和家庭生活等领域。 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章电介质金属空芯光纤的传输原理与结构设计 2 1 泄漏型空芯光纤的传输原理 光在光纤中传输，有两个基本条件，一是光在纤芯和包层界面上要发生临界 折射( 或称全反射) ，否则光会穿过包层离开光纤：二是光在传输过程中应满足相 干加强条件根据这两个条件，提出一种阶跃光纤导光的几何射线模型。由电磁理 论分析光线在空气一金属膜界面的光传输特性可知瞳7 屯8 j ，假设金属的复折射率n 的 实部和虚部分别为r l 和k ，则： n = n 一弦( 6 ) 其中玎表示媒质的折射率，决定了光在真空中比媒质中速度减小的原因；k 为消光系数，反映出在特有媒质中给定频率辐射场的衰减快慢，吸收系数口与消 光系数k 间的关系如下所示： k = 口以k 五4 万( 7 ) 由于金属导体电导率很大，根据电磁波辐射传播的普遍波动方程嘲1 ，可知： n = k = 扛7 瓦( 8 ) 在给定的辐射场中，对于电介质，由于电导率仃等于零，则消光系数k 等 于零，穿透深度强度比a _ a ，_ a = e x p ( - g d ) 定义为吸收系数的倒数，即光线强度减小 到原来的杉时的穿过距离，同时根据吸收系数计算波长为九的光线在导电媒质内 的穿透深度，可以得到如下的关系： d 以) = 2 2 0 4 n k ( 9 ) 对于金属导体，在电导率很大的极限情况下，得到穿透深度为： d 0 ) = c e o s x o ) ( 1o ) 这表明光线穿透金属导体的深度，与材料的电导率和光线在真空中的波长有 关，随着前者的增加而减小，随着后者的增加而增大。假定材料的电导率无限大， 此时穿透深度几乎为零，光线将以全反射的方式经过金属表面上部。然而，当频 率高于近红外区区域时，电子的惯性效应加剧，反射率降低，电导率也随之急剧 下降。若频率处在中红外区域，可忽略这一效应的影响咖1 。 另外，当光线由空气垂直射入导电体界面时，考虑空气一金属界面的反射率， 由斯涅耳一菲涅耳公式渊可知，其反射率为： p = ( 聍一，茁一1 ) 2 ( 聍一，r + 1 ) 2 ( 1 1 ) 将( 7 ) 式结果代入( 1 0 ) 并作近似，得n - p = l 一( 2 a , e o 仃) 恐+ ( 1 2 ) 不难得出，随着仃无限大时，反射率p 的极值趋于1 。这恰好印证前面说明， 武汉理工大学硕士学位论文 以电导率很高的金属表面为界面时，光线将以近似全反射的方式行进。 综上所述，在电导率趋于无限大的极限情况下，穿透深度趋于零，光线可在 很薄的金属膜表面上发生全反射。对于电导率很高的金属导体，尤其在频率很低 的长波红外区，光线在金属导体内的穿透深度很小。因此，即使采用很薄的高电 导率金属薄膜，也可以获得很高的反射率。按照光波导理论，光纤中光的传输条 件，就是光波在光纤中的波动方程有解的条件，二种截止条件分别为零阶和一阶 贝塞函数的根。 当光波处于高阶模式时，损耗很大，所以大多数情况下，只考虑低阶模式： t e n l t m 。和h e l l ，三者的场强分布如图2 1 所示： bb - f 嘲l 獭l 恕i l 图2 一l 圆柱波导中存在的三种典型的本征模及其场分布 随着波导弯曲的角度不断改变，场分布也将发生变化，电力线中心位置将逐 渐向弯曲中心的外部侧端偏移，t e o ，低损耗模将耦合成为较高损耗的t m 。模， 增加波导损耗。电磁辐射由两个在垂直方向上振动的电场和磁场组成因为光波导 的耦合模式主要为h e ，h e ，模为线性偏振模，可以将其考虑成珊m 和t e 。模的 叠加。所以，为了优化光传输波导，理应寻求某种减小h e 模损耗的途径。选 择金属层上涂覆一层或多层电介质层不失为一种可行方法。我们可以借由等效传 输线理论瑚1 来给与具体分析。 因为h e l 模可看做t e o 和t m 。，模式叠加的综合作用，因此将电介质膜涂覆 金属膜上以后，可以大大降低h e l ，模的直线传输损耗，并同时提高t m ，t e 模 式的反射率，使得波导即使有较大的弯曲角度，线性极化模h e ，的变化也不大， 这在实际应用中是值得借鉴的。 2 2 金属膜层材料的选择 针对具有单层或多层电介质膜的金属空芯波导作为研究对象。引入以0 ) 为 贝塞尔函数，为横向相位常数，护为波导轴向z 与电磁波传播方向的夹角，刀 为方位角，尸为边界条件常数，所以在波导空芯处的电磁场可以用下式来表示1 ： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 耻降“( “； 一半小；) c o s ( n o + 吣耻篆易， 岛= _ 半( “事) 一半以( “手) s i n ( n o + = 篆e ， e = ，翥以叫肌耻一篙去( “；) s m 叭叭 其中，k o 为特定传输波长时的波数，刀。为空气折射率，t 为波导半径。通 过引入归一化表面导纳和阻抗来定义边界条件： h o ) = n o k oy r m 鼽r2 羔z 绣 ， 于是可以得到。0 ) 函数的特征方程： 瑞u j = 1 2 ( 翥kt + 杀n o k ) 让故4 寺k o t 一寺n o k ) 2 - 玎， ( “)。l o o r 。il 门o o 丁 “4一 篇+ 奄 篇+ 歹貉k ， 若n = 0 ，此时只能传输横磁波或横电波。而传输太阳光研究的为t e 和t m 的混合模即基模船。的传输特性，故只需考虑应刀0 的情况。 在”0 时，须满足i z 疆l z 。或i j r o 两种之一的条件时，t e 和聊波 才能在金属表面获得较大的反射率，从而使波导以低损耗传输。定义 甄：z 。：n o k o t ，近似处理特征方程，衰减系数有如下的表达式： 口= 刀。七。丽u o 万f ( 1 9 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 各模式的转换及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