CN110095837B - 一种新型光导元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了涉及光导技术领域的一种新型光导元件及其制作方法，解决了光导元件在弯曲过程中光通量无法呈单调变化的问题。其技术方案要点是包括导光件本体，导光件本体为折射率大于1且具有柔性的材料，导光件本体设有光线逸散槽和回音壁阻断槽，光线逸散槽和回音壁阻断槽均沿导光件本体的长度方向延伸，光线逸散槽深度小于导光件本体宽度的1/20，回音壁阻断槽的深度不超过光线逸散槽的深度，光线逸散槽内表面积不小于回音壁阻断槽内表面积的4倍，导光件本体的至少1处横截面中心位于光线逸散槽表面几何中心与回音壁阻断槽表面几何中心的连线上。达到了光导元件在双向弯曲过程中光通量呈单调变化的效果。

Description

一种新型光导元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及光导技术领域，特别涉及一种新型光导元件及其制作方法。

背景技术

光导元件为生活中常见的材料，光纤即为一种光导元件，且光导元件不限于光纤。光纤是一种用于导光的材料，具有光通量几乎不衰减的特性，弯曲损耗是光纤光通量衰减的主要原因。在弯曲损耗中可分为微弯损耗和宏弯损耗，微弯损耗是指光纤受到不均匀应力的情况下，产生微小弯曲，弯曲半径可以与光纤的横截面尺寸相比拟的畸变，宏弯损耗为光纤轴线的曲率半径较大的弯曲，通常认为光纤的弯曲半径必须大于光纤外径的20倍。在现有的研究中，发现了宏弯损耗会出现弯曲损耗振荡现象，而微弯损耗则不会。

弯曲损耗振荡指的是随着弯曲半径减小，弯曲损耗会出现光通量减小-增加-减小-增加的情况，这被证明是由Whispering-Gallery模(回音壁模)引起的，可以解释为：在弯曲外周面上，由纤芯中倏逝波产生的WG模的相速度与纤芯中基模的相速度相同，二者产生了耦合。

因此光纤在向单一方向弯曲的过程中，会导致光纤光通量的损耗呈非单调变化。现有技术中存在利用光纤随被测物弯曲并检测光纤光通量变化以测量被测物弯曲程度的技术方案，但因为光纤的光通量损耗呈非单调变化，导致了普通光纤无法通过该方法在各种场合下准确测量弯曲程度，更无法做到对双向弯曲进行测量，使得测量效果和可应用场合都十分有限。故现有技术中还存在光导元件在弯曲过程中光通量无法呈单调变化的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型光导元件及其制作方法，具有光导元件在双向弯曲过程中光通量呈单调变化的效果。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种新型光导元件，包括导光件本体，所述导光件本体为折射率大于1且具有柔性的材料，所述导光件本体包括至少1个单位长度段；

在所述单位长度段内：所述导光件本体设有光线逸散槽和回音壁阻断槽，所述光线逸散槽和回音壁阻断槽均沿导光件本体的长度方向延伸，所述光线逸散槽深度小于导光件本体宽度的1/20，所述回音壁阻断槽的深度不超过光线逸散槽的深度，所述光线逸散槽内表面积不小于回音壁阻断槽内表面积的4倍，所述导光件本体的至少1处横截面中心位于光线逸散槽表面几何中心与回音壁阻断槽表面几何中心的连线上。

进一步的：所述导光件本体外部设有包层，所述导光件本体、光线逸散槽和回音壁阻断槽表面均与包层内表面贴合，所述包层外表面为平整且连续的表面，所述包层的折射率小于导光件本体的折射率。

进一步的：所述包层的材料形态为固态、液态或气态中的任意一种。

进一步的：所述导光件本体横截面外轮廓整体呈圆形或多边形。

进一步的：在所述单位长度段内：所述光线逸散槽设有多个，多个所述光线逸散槽内表面积之和不小于回音壁阻断槽内表面积的4倍。

进一步的：在所述单位长度段内：多个所述光线逸散槽沿导光件本体的延伸方向排布。

进一步的：在所述单位长度段内：所述回音壁阻断槽设有多个，多个所述光线逸散槽内表面积之和不小于多个回音壁阻断槽内表面积之和的4倍。

进一步的：多个所述光线逸散槽和回音壁阻断槽沿导光件本体的延伸方向排布，所述光线逸散槽和回音壁阻断槽数量相同且光线逸散槽和回音壁阻断槽以导光件本体为中心两两相对设置。

一种新型光导元件的制作方法，包括以下步骤：

加工导光件本体：截取适当长度的折射率大于1的材料作为出导光件本体；

加工光线逸散槽：在所述导光件本体的外表面加工光线逸散槽，并使得所述光线逸散槽沿导光件本体的长度方向延伸，所述光线逸散槽深度小于导光件本体宽度的1/20；

加工回音壁阻断槽：在所述导光件本体的外表面加工回音壁阻断槽，并使得所述回音壁阻断槽沿导光件本体的长度方向延伸，所述回音壁阻断槽的深度不超过光线逸散槽的深度，所述光线逸散槽内表面积不小于回音壁阻断槽内表面积的4倍，所述导光件本体的至少1处横截面中心位于光线逸散槽表面几何中心与回音壁阻断槽表面几何中心的连线上。

进一步的：在所述加工回音壁阻断槽步骤后，还包括以下步骤：

加工包层：使用喷涂或涂覆的工艺方法在导光件本体外表面制作与导光件本体、光线逸散槽和回音壁阻断槽外表面均贴合的包层，所述包层的材质的折射率小于导光件本体的折射率；

包层表面处理：对包层进行挤压定型或切削或冷凝或固化处理并使包层外表面平整且连续。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

通过光线逸散槽和回音壁阻断槽的设置，使得导光件本体无论是沿光线逸散槽到回音壁阻断槽的方向还是沿回音壁阻断槽到光线逸散槽的方向弯曲时，都能通过光线逸散槽或回音壁阻断槽影响光路的几何模型，使得光路的几何模型与弯曲损耗振荡现象的几何模型不匹配，从而消除宏弯时的弯曲损耗振荡现象。因此，导光件本体向两个不同的方向弯曲光通量都因为消除弯曲损耗振荡现象而使得光通量呈单调变化。并且，导光件本体从平直状态向单一方向弯曲的过程中，或是从弯曲的状态沿单一方向伸展至平直状态的过程中，光通量也都是呈单调变化。

当导光件本体处于平直状态时，由于存在光线逸散槽与回音壁阻断槽，使得导光件本体在处于平直状态时有一部分的光通量被损耗；当导光件本体向光线逸散槽的一侧弯曲时，从光线逸散槽耗散的光量是减少的，而从回音壁阻断槽耗散的光量反而增加，由于光线逸散槽内表面积总和大于回音壁阻断槽内表面积总和，因此引起光通量变化的主要因素是光线逸散槽，光通量是随导光件本体向光线逸散槽的一侧弯曲而单调增加的；当导光件本体向回音壁阻断槽的一侧弯曲时，有更多的光线从光线逸散槽逸出皮层而耗散，而从回音壁阻断槽逸出皮层的光线减少，由于光线逸散槽内表面积总和大于回音壁阻断槽内表面积总和，因此引起光通量变化的主要因素是光线逸散槽，光通量是随导光件本体向回音壁阻断槽的一侧弯曲而单调减少的。

从而使得导光件本体无论是沿回音壁阻断槽向光线逸散槽的方向弯曲还是沿光线逸散槽向回音壁阻断槽的方向弯曲时，导光件本体的光通量变化是呈单调变化的，并且这种变化是连续变化的。从而使得该光导元件应用于传感器检测弯曲程度时能具有较好的测量效果，并且能具有更广阔的可应用场合。

光线逸散槽与回音壁阻断槽的深度均比纤芯半径小一个数量级，当导光件本体弯曲时，导光件本体的总体损耗是近似等效于叠加了宏弯损耗与微弯损耗的，因此随导光件本体弯曲，光通量的变化是显著的。从而使得光导元件对弯曲的敏感度较高，当该光导元件应用于传感器时能够获得很好的检测敏感度和检测精度。

由于导光件本体外部包裹包层，且包层外表面平整连续，因此光导元件外形是处处一致连续平坦的，整体结构致密，其弹性、韧性、抗拉等机械特性与常规光纤近似一致，保证了测量效果和使用寿命。因此，上述中的新型光导元件及其制作方法相比于常规光纤，在没有牺牲导光件本体寿命的前提下，达到了光通量随双向弯曲显著单调变化的目的。

附图说明

图1是实施例1中光线逸散槽和回音壁阻断槽的剖视图；

图2是实施例1中光线逸散槽的结构示意图；

图3是实施例1中回音壁阻断槽的结构示意图；

图4是实施例1中导光件本体的横截面结构示意图；

图5是实施例1中光导元件自然平直状态时的光路示意图；

图6是实施例1中光导元件向靠近回音壁阻断槽一侧弯曲时的光路示意图；

图7是实施例1中光导元件向靠近光线逸散槽一侧弯曲时的光路示意图；

图8是实施例2中光线逸散槽和回音壁阻断槽的剖视图；

图9是实施例2中光线逸散槽的结构示意图；

图10是实施例3中回音壁阻断槽的结构示意图；

图11是实施例4中光线逸散槽和回音壁阻断槽的剖视图；

图12是实施例5中导光件本体的横截面结构示意图。

附图标记：11、导光件本体；12、光线逸散槽；13、回音壁阻断槽；14、包层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

一种新型光导元件，如图1至图7所示，包括导光件本体11，在本实施例中导光件本体11为光纤，导光件本体11为折射率大于1且具有柔性的材料，导光件本体11包括至少1个单位长度段；

在单位长度段内：导光件本体11设有光线逸散槽12和回音壁阻断槽13，光线逸散槽12和回音壁阻断槽13均沿导光件本体11的长度方向延伸，光线逸散槽12深度小于导光件本体11宽度的1/20，回音壁阻断槽13的深度不超过光线逸散槽12的深度，光线逸散槽12内表面积不小于回音壁阻断槽13内表面积的4倍，导光件本体11的至少1处横截面中心位于光线逸散槽12表面几何中心与回音壁阻断槽13表面几何中心的连线上。

导光件本体11外部设有包层14，导光件本体11、光线逸散槽12和回音壁阻断槽13表面均与包层14内表面贴合，包层14外表面为平整且连续的表面，包层14的折射率小于导光件本体11的折射率。

包层14的材料形态为固态、液态或气态中的任意一种，在本实施例中的包层14为具有一定弹性的固态材料。

导光件本体11横截面外轮廓整体呈圆形或多边形，在本实施例中导光件本体11横截面外轮廓整体呈圆形。

一种新型光导元件的制作方法，包括以下步骤：

S1、加工导光件本体11：截取适当长度的折射率大于1的材料作为出导光件本体11；

S2、加工光线逸散槽12：在导光件本体11的外表面加工光线逸散槽12，并使得光线逸散槽12沿导光件本体11的长度方向延伸，光线逸散槽12深度小于导光件本体11宽度的1/20；

S3、加工回音壁阻断槽13：在导光件本体11的外表面加工回音壁阻断槽13，并使得回音壁阻断槽13沿导光件本体11的长度方向延伸，回音壁阻断槽13的深度不超过光线逸散槽12的深度，光线逸散槽12内表面积不小于回音壁阻断槽13内表面积的4倍，导光件本体11的至少1处横截面中心位于光线逸散槽12表面几何中心与回音壁阻断槽13表面几何中心的连线上；

S4、加工包层14：使用喷涂或涂覆的工艺方法在导光件本体11外表面制作与导光件本体11、光线逸散槽12和回音壁阻断槽13外表面均贴合的包层14，包层14的材质的折射率小于导光件本体11的折射率；本实施例中采用喷涂的工艺方法在导光件本体11外表面制作包层14；

S5、包层14表面处理：对包层14进行挤压定型或切削或冷凝或固化处理并使包层14外表面平整且连续。

加工光线逸散槽12的步骤中，可采用激光雕刻、或化学蚀刻、或机械加工等工艺方法进行加工，在本实施例中，采用激光雕刻的工艺方法进行加工。

加工回音壁阻断槽13的步骤中，可采用激光雕刻、或化学蚀刻、或机械加工等工艺方法进行加工，在本实施例中，采用激光雕刻的工艺方法进行加工，光线逸散槽12和回音壁阻断槽13使用相同的加工工艺方法，从而更容易获得相同的表面特性，更容易保证导光件本体11在双向弯曲过程中光通量单调变化。

本制作方法在能保证光导元件本体的结构性能的基础上，达到了光通量随双向弯曲显著单调变化的目的。加工方法简单，从而使得工艺成本较为低廉，能起到提高生产效率和降低成本的效果。

本实施例具有以下优点：

如图5、图6和图7中所示的箭头指向为预期的光线射入方向。通过光线逸散槽12和回音壁阻断槽13的设置，使得导光件本体11无论是沿光线逸散槽12到回音壁阻断槽13的方向还是沿回音壁阻断槽13到光线逸散槽12的方向弯曲时，都能通过光线逸散槽12或回音壁阻断槽13影响光路的几何模型，使得光路的几何模型与弯曲损耗振荡现象的几何模型不匹配，从而消除向两个方向弯曲时的弯曲损耗振荡现象。因此，导光件本体11向两个不同的方向弯曲光通量都因为消除弯曲损耗振荡现象而使得光通量呈单调变化。并且，导光件本体11从平直状态向单一方向弯曲的过程中，或是从弯曲的状态沿单一方向伸展至平直状态的过程中，光通量也都是呈单调变化。

当导光件本体11处于平直状态时，由于存在光线逸散槽12与回音壁阻断槽13，导致部分特定入射角的光线从光线逸散槽12与回音壁阻断槽13逸出皮层而耗散，使得导光件本体11在处于平直状态时有一部分的光通量被损耗。

当导光件本体11向光线逸散槽12的一侧弯曲时，光线逸散槽12内表面逐渐被压缩且逐渐趋向于与入射光路平行，此时从光线逸散槽12耗散的光量是减少的；而回音壁阻断槽13表面被拉伸且逐渐趋向于与入射光路垂直，此时从回音壁阻断槽13耗散的光量反而增加。由于光线逸散槽12内表面积总和大于回音壁阻断槽13内表面积总和，因此引起光通量变化的主要因素是光线逸散槽12，所以，光通量是随导光件本体11向光线逸散槽12的一侧弯曲而单调增加的。

当导光件本体11向回音壁阻断槽13的一侧弯曲时，光线逸散槽12的表面被拉伸且逐渐趋向于光线逸散槽12与入射光路垂直，有更多的光线从光线逸散槽12逸出皮层而耗散，使光通量减少；此时回音壁阻断槽13表面被压缩且逐渐趋向于回音壁阻断槽13与入射光路平行，原来从回音壁阻断槽13逸出皮层的光线现在得以保留，使光通量增加。由于光线逸散槽12内表面积总和大于回音壁阻断槽13内表面积总和，因此引起光通量变化的主要因素是光线逸散槽12，所以，光通量是随导光件本体11向回音壁阻断槽13的一侧弯曲而单调减少的。

从而使得导光件本体11无论是沿回音壁阻断槽13向光线逸散槽12的方向弯曲还是沿光线逸散槽12向回音壁阻断槽13的方向弯曲时，导光件本体11的光通量变化是呈单调变化的，并且这种变化是连续变化的。从而使得该光导元件应用于传感器检测双向弯曲程度时能具有较好的测量效果，并且能具有更广阔的可应用场合。

光线逸散槽12与回音壁阻断槽13的深度均比纤芯半径小一个数量级，当导光件本体11弯曲时，导光件本体11的总体损耗是近似等效于叠加了宏弯损耗与微弯损耗的，因此随导光件本体11弯曲，光通量的变化是显著的。

采用包层14包裹导光件本体11，从而能对导光件本体11起到保护作用。包层14的折射率小于导光件本体11的折射率，保证导光件本体11内的导光件本体11能在导光件本体11的表面处进行全反射。

选择不同形态的包层14能适用于不同的应用场合，从而提高了适用性，达到方便使用的效果。

实施例2：

一种新型光导元件，如图8所示，其与实施例1的区别在于在单位长度段内：光线逸散槽12设有多个，多个光线逸散槽12内表面积之和不小于回音壁阻断槽13内表面积的4倍。

在单位长度段内：多个光线逸散槽12沿导光件本体11的延伸方向排布。

本实施例具有以下优点：

通过设置多个位置不同的光线逸散槽12，使得导光件本体11在不同的位置弯曲时都能通过光线逸散槽12改变光通量和消除弯曲损耗振荡现象，起到提高适用性和方便使用的效果。

实施例3：

一种新型光导元件，如图9和图10所示，其与实施例2的区别在于在单位长度段内：多个光线逸散槽12沿导光件本体11的周向排布。

在单位长度段内：回音壁阻断槽13设有多个，多个光线逸散槽12内表面积之和不小于多个回音壁阻断槽13内表面积之和的4倍。

本实施例具有以下优点：

通过设置多个位置不同的光线逸散槽12和回音壁阻断槽13，使得导光件本体11在不同的位置弯曲时都能通过光线逸散槽12改变光通量和消除弯曲损耗振荡现象，起到提高适用性和方便使用的效果。

实施例4：

一种新型光导元件，如图11所示，其与实施例2的区别在于多个光线逸散槽12和回音壁阻断槽13沿导光件本体11的延伸方向排布，光线逸散槽12和回音壁阻断槽13数量相同且光线逸散槽12和回音壁阻断槽13以导光件本体11为中心两两相对设置。

本实施例具有以下优点：

通过设置多个位置不同的光线逸散槽12和回音壁阻断槽13，使得导光件本体11在不同的位置弯曲时都能通过光线逸散槽12或回音壁阻断槽13改变光通量和消除弯曲损耗振荡现象，起到提高适用性和方便使用的效果。

实施例5：

一种新型光导元件，如图12所示，其与实施例1的区别在于导光件本体11横截面外轮廓整体呈矩形。

本实施例具有以下优点：

选择横截面外轮廓整体呈不同形状的导光件本体11，能使导光件本体11适用于不同的应用场合，从而提高了适用性，达到方便使用的效果。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种新型光导元件，其特征在于：包括导光件本体(11)，所述导光件本体(11)为折射率大于1且具有柔性的材料，所述导光件本体(11)包括至少1个单位长度段；

在所述单位长度段内：所述导光件本体(11)设有光线逸散槽(12)和回音壁阻断槽(13)，所述光线逸散槽(12)和回音壁阻断槽(13)均沿导光件本体(11)的长度方向延伸，所述光线逸散槽(12)深度小于导光件本体(11)宽度的1/20，所述回音壁阻断槽(13)的深度不超过光线逸散槽(12)的深度，所述光线逸散槽(12)内表面积不小于回音壁阻断槽(13)内表面积的4倍，所述导光件本体(11)的至少1处横截面中心位于光线逸散槽(12)表面几何中心与回音壁阻断槽(13)表面几何中心的连线上。

2.根据权利要求1所述的新型光导元件，其特征在于：所述导光件本体(11)外部设有包层(14)，所述导光件本体(11)、光线逸散槽(12)和回音壁阻断槽(13)表面均与包层(14)内表面贴合，所述包层(14)外表面为平整且连续的表面，所述包层(14)的折射率小于导光件本体(11)的折射率。

3.根据权利要求2所述的新型光导元件，其特征在于：所述包层(14)的材料形态为固态、液态或气态中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的新型光导元件，其特征在于：所述导光件本体(11)横截面外轮廓整体呈圆形或多边形。

5.根据权利要求1～4任一项所述的新型光导元件，其特征在于：在所述单位长度段内：所述光线逸散槽(12)设有多个，多个所述光线逸散槽(12)内表面积之和不小于回音壁阻断槽(13)内表面积的4倍。

6.根据权利要求5所述的新型光导元件，其特征在于：在所述单位长度段内：多个所述光线逸散槽(12)沿导光件本体(11)的延伸方向排布。

7.根据权利要求5所述的新型光导元件，其特征在于：在所述单位长度段内：所述回音壁阻断槽(13)设有多个，多个所述光线逸散槽(12)内表面积之和不小于多个回音壁阻断槽(13)内表面积之和的4倍。

8.根据权利要求7所述的新型光导元件，其特征在于：多个所述光线逸散槽(12)和回音壁阻断槽(13)均沿导光件本体(11)的延伸方向排布，所述光线逸散槽(12)和回音壁阻断槽(13)数量相同且光线逸散槽(12)和回音壁阻断槽(13)以导光件本体(11)为中心两两相对设置。

9.一种新型光导元件的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

加工导光件本体(11)：截取适当长度的折射率大于1的材料作为出导光件本体(11)；

加工光线逸散槽(12)：在所述导光件本体(11)的外表面加工光线逸散槽(12)，并使得所述光线逸散槽(12)沿导光件本体(11)的长度方向延伸，所述光线逸散槽(12)深度小于导光件本体(11)宽度的1/20；

加工回音壁阻断槽(13)：在所述导光件本体(11)的外表面加工回音壁阻断槽(13)，并使得所述回音壁阻断槽(13)沿导光件本体(11)的长度方向延伸，所述回音壁阻断槽(13)的深度不超过光线逸散槽(12)的深度，所述光线逸散槽(12)内表面积不小于回音壁阻断槽(13)内表面积的4倍，所述导光件本体(11)的至少1处横截面中心位于光线逸散槽(12)表面几何中心与回音壁阻断槽(13)表面几何中心的连线上。

10.根据权利要求9所述的新型光导元件的制作方法，其特征在于：在所述加工回音壁阻断槽(13)步骤后，还包括以下步骤：

加工包层(14)：使用喷涂或涂覆的工艺方法在导光件本体(11)外表面制作与导光件本体(11)、光线逸散槽(12)和回音壁阻断槽(13)外表面均贴合的包层(14)，所述包层(14)的材质的折射率小于导光件本体(11)的折射率；

包层(14)表面处理：对包层(14)进行挤压定型或切削或冷凝或固化处理并使包层(14)外表面平整且连续。