CN115236796A - 一种泄漏型散射环形光波导结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种泄漏型散射环形光波导结构，涉及光纤技术领域，包括一毛细管，所述毛细管内部中空形成空气孔，所述毛细管的外壁涂敷有至少一层高分子材料层。有益效果是采用石英玻璃毛细管作为基材，在外层涂敷高分子材料，能够实现长距离均匀侧面发光，且可采用与传统光纤的制备工艺基本相同的工艺进行制备，无需过多进行设备改造，制备成本低、工艺可控性强，填补了该种光纤的国内空白；毛细管内部中空形成环形波导，有效提高光泄漏到外层的效率；通过调整毛细管的内外径比，即可实现调整环形波导的传输模式，进而调控光从内部泄漏到外部的效率，实现简单高效；毛细管内部中空，预留了可固定受激发光粒子的空间位置，以灵活扩展其适用场景。

Description

一种泄漏型散射环形光波导结构

技术领域

本发明涉及侧发光光纤技术领域，尤其涉及一种泄漏型散射环形光波导结构。

背景技术

光纤从最初被发明出来开始，主要的目的就是将光尽可能束缚在光纤的波导结构中，经过五十多年的发展，将光纤中的光损耗降低至0.2dB/km，甚至更低。光纤已经广泛用于全球通信的主干网络中，近几年我国更是实现了光纤直接到户。

然而，科学家在不断优化光纤纤芯材料和折射率分布结构时，发现某些状态下，光会泄漏出光纤，明显提高了光纤损耗。近来，一种侧发光光纤被制备，这种光纤可将不同颜色的光散射出光纤，形成“霓虹灯”一样的效果。这种技术可以广泛用于可穿戴电子设备的装饰、汽车内饰、房屋装饰等，甚至可以用于特殊场合的照明，如文物储存、照片冲洗等。

目前这种光纤都是基于塑料(PMMA)制备，塑料光纤对光传输损耗高，红光波段损耗尤其明显，使用长度较短，且在较短光纤情况下，侧发光不均匀。

而使用石英玻璃的光纤，能解决塑料侧发光光纤的一些缺点，但传统增强光纤向外散射需要在预制棒制备的气相沉积过程中掺入纳米粒子，这样的的技术路线工艺过程复杂、成本较高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种泄漏型散射环形光波导结构，包括一毛细管，所述毛细管内部中空形成空气孔，所述毛细管的外壁涂敷有至少一层高分子材料层。

优选的，所述毛细管的外径D的取值范围为50微米至1500微米，所述空气孔的直径的取值范围为0.1D微米至0.95D微米。

优选的，所述高分子材料层包括纳米粒子混杂层、微纳气泡混杂层和低折射率发光层中的至少一种。

优选的，所述高分子材料层包括所述低折射率发光层时，所述低折射率发光层涂敷于最外层。

优选的，所述高分子材料层包括所述纳米粒子混杂层和所述微纳气泡混杂层时，

所述纳米粒子混杂层和所述微纳气泡混杂层从内到外依次涂敷于所述毛细管的外壁；

或所述微纳气泡混杂层和所述纳米粒子混杂层从内到外依次涂敷于所述毛细管的外壁。

优选的，所述毛细管的折射率n0、所述纳米粒子混杂层的折射率n1'、所述微纳气泡混杂层n2'的折射率和低折射率发光层的折射率n3之间的关系如下：

n0>n1'≥n2'≥n3。

优选的，所述纳米粒子混杂层为掺入纳米粒子的高分子材料制备而成，所述微纳气泡混杂层为掺入微纳气泡的高分子材料制备而成，所述低折射率发光层为高分子材料制备而成。

优选的，所述高分子材料为丙烯酸树脂，或聚甲基丙烯酸甲酯、或聚酰亚胺。

优选的，每层所述高分子材料层的厚度的取值范围为0微米至50微米。

优选的，空气孔的内壁布设有粒子。

优选的，所述粒子为增强侧面散射的反射粒子或受激发光粒子。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

1)采用石英玻璃毛细管作为基材，在外层涂敷高分子材料，能够实现长距离均匀侧面发光，实际使用发光长度可达10m至30m，远超过塑料光纤的1m至2m的发光长度，且可采用与传统光纤的制备工艺基本相同的工艺进行制备，无需过多进行设备改造，制备成本低、工艺可控性强，有效解决现有采用塑料制备泄漏型散射光纤导致的光传输损耗高以及侧发光不均匀的技术问题，且填补了该种光纤的国内空白；

2)毛细管内部中空，形成环形波导，提高了石英和涂料之间的全反射界面上传输的能量，有效提高光泄漏到外层的效率，降低了涂敷在毛细管外围的外包层制备的工艺难度；

3)通过调整毛细管的内外径比，即可实现调整环形波导的传输模式，进而调控光从内部泄漏到外部的效率，当内外径比小时，石英环形波导部分面积较大，光泄露较缓慢；当内外径比大时，石英波导部分面积较小，石英和涂料界面上能量较多，光泄露较快，该调控的实现方法简单高效；

4)毛细管内部中空，预留了可固定其他粒子的空间位置，可以通入气体或液体进行再次后处理，在内壁固定散射粒子或受激发光粒子，以灵活扩展其适用场景。

附图说明

图1为本发明的较佳的实施例中，一种泄漏型散射环形光波导结构的径向截面的结构示意图；

图2为本发明的较佳的实施例中，一种泄漏型散射环形光波导结构的侧剖面的结构示意图；

图3为本发明的较佳的实施例中，泄漏型散射环形光波导结构的径向截面光泄漏散射示意图；

图4为本发明的较佳的实施例中，泄漏型散射环形光波导结构的侧剖面光泄漏散射示意图；

图5为本发明的较佳的实施例中，布设有粒子的泄漏型散射环形光波导结构的径向截面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。

本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种泄漏型散射环形光波导结构，如图1和图2所示，包括一毛细管2，毛细管2内部中空形成空气孔1，毛细管2的外壁涂敷有至少一层高分子材料层。

具体地，本实施例中，上述毛细管2的制备原料石英玻璃管，其最中心为空气孔1，空气孔1外的部分为高纯熔融石英玻璃。本技术方案的泄漏型散射光纤以高纯熔融石英玻璃为基材，在外层进行一层或多层高分子材料层的涂敷，实现可采用与传统光纤的制备工艺基本相同的工艺进行制备，无需过多进行设备改造，制备成本低、工艺可控性强，有效解决现有采用塑料制备泄漏型散射光纤导致的光传输损耗高以及侧发光不均匀的技术问题，且填补了该种光纤的国内空白。

从光波导传输的全反射原理上阐述该泄漏型散射环形光波导：当环形波导中不断反射前进的光线传播角度小于界面全内反射临界角时，可持续在波导结构传播，而这些光线在界面遇到纳米粒子、微气泡等缺陷后，发生异常反射，使传播角度超过全反射临界角，光线的一部分能量会射出环形光波导结构，实现侧面泄露。这些泄露光线会继续在高分子材料涂层中遇到纳米粒子、微气泡等缺陷，再进行反射或微气泡中的折射，使光波导侧面泄露的光线能量和发射方向更加均匀。

本发明的较佳的实施例中，毛细管2的外径D的取值范围为50微米至1500微米，空气孔1的直径的取值范围为0.1D微米至0.95D微米。

本发明的较佳的实施例中，高分子材料层包括纳米粒子混杂层3、微纳气泡混杂层4和低折射率发光层5中的至少一种。

具体地，本实施例中，根据应用场景所需不同，毛细管2外壁涂覆的高分子材料层可以是一层，选用上述纳米粒子混杂层3、微纳气泡混杂层4和低折射率发光层5中的任意一种；毛细管2外壁涂覆的高分子材料层可以是两层，用上述纳米粒子混杂层3、微纳气泡混杂层4和低折射率发光层5中的任意两种；毛细管2外壁涂覆的高分子材料层可以是三层，选用上述纳米粒子混杂层3、微纳气泡混杂层4和低折射率发光层5。

本发明的较佳的实施例中，高分子材料层包括低折射率发光层5时，低折射率发光层5涂敷于最外层。

具体地，本实施例中，无论高分子材料层为几层，只要选用了低折射率发光层5，其均位于最外层。若高分子材料层为一层且为低折射率发光层5时，则低折射率发光层5直接涂敷于毛细管2的外层。若高分子材料层为两层，且为纳米粒子混杂层3和低折射率发光层5时，则将纳米粒子混杂层3直接涂敷于毛细管2的外层，随后将低折射率发光层5涂敷于纳米粒子混杂层3的外层，其他情况以此类推，此处不再赘述。

本发明的较佳的实施例中，高分子材料层包括纳米粒子混杂层3和微纳气泡混杂层4时，纳米粒子混杂层3、微纳气泡混杂层4内外顺序可交换，具体为：

纳米粒子混杂层3和微纳气泡混杂层4从内到外依次涂敷于毛细管2的外壁；

或微纳气泡混杂层4和纳米粒子混杂层3从内到外依次涂敷于毛细管2的外壁。

本发明的较佳的实施例中，毛细管2的折射率n0、纳米粒子混杂层3的折射率n1'、微纳气泡混杂层4的折射率n2'和低折射率发光层5的折射率n3之间的关系如下：

n0>n1'≥n2'≥n3。

本发明的较佳的实施例中，纳米粒子混杂层3为掺入纳米粒子的高分子材料制备而成，微纳气泡混杂层4为掺入微纳气泡的高分子材料制备而成，低折射率发光层5为高分子材料制备而成。

具体地，本实施例中，纳米粒子混杂层3未掺入纳米粒子时的折射率为n1，微纳气泡混杂层4未掺入微纳气泡时的折射率为n2，则理论上应满足如下关系：

n0>n1'≥n1＝n2≥n2'≥n3

当折射率满足上述关系式时，光线注入光纤不会直接泄露出来，而是光线遇到不同层界面时，被微纳气泡、纳米粒子散射到外一层材料中，如图3和图4所示，当光线遇到纳米粒子后会发生散射、遇到微纳气泡后会发生折射和反射，这样光能量会逐渐从光纤正中间空气孔位置泄漏出来，保证光纤在叫长距离实现均匀的侧面发光。可以理解的是，图3和图4仅作示意描述用，方便进行技术方案理解，但并不表征光线的实际路径。

具体地，当光注入到该光纤正中心的空气孔1后，光逐渐泄漏到石英玻璃毛细管2，形成一种环形光波导并沿轴向传输，环形光波导中的光线以螺旋方式向轴向传输。理论上，纳米粒子混杂层3的折射率n1低于毛细管2的折射率n0，该环形光波导不会发生光泄漏。但由于纳米粒子混杂层3是在低折射率涂料中掺入了纳米粒子，纳米粒子会处于石英玻璃毛细管外壁和低折射率涂料之间。由于环形波导的光线要不断经过界面反射向前传输，当光线射入玻璃毛细管外壁和低折射率涂料之间的界面时，本应反射回环形波导中的光线遇到了纳米粒子，发生了散射，使一部分光泄漏到纳米粒子混杂层3。

同样地，光线从纳米粒子混杂层3泄漏到微纳气泡混杂层4。微纳气泡混杂层4主要使散射光更加均匀，无明显散射点。

最终，光线从低折射率发光层5射出，该层主要为保护作用，使该光纤外观光滑、具有一定硬度不易划伤磨损。

本发明的较佳的实施例中，高分子材料为丙烯酸树脂，或聚甲基丙烯酸甲酯、或聚酰亚胺。

本发明的较佳的实施例中，每层高分子材料层的厚度的取值范围为0微米至50微米。

本发明的较佳的实施例中，如图5所示，空气孔1的内壁布设有粒子6，粒子6为增强侧面散射的反射粒子或受激发光粒子。

具体地，本实施例中，空气孔1的内壁布设有受激发光粒子6时，形成不同尺寸的量子点，当注入光是不可见光波段(如紫外光)时，量子点受激发，能够发出可见光。可以理解的是，在实际使用时，受激发光粒子6应布满空气孔1的整个内壁，图5中仅作为示意图，以供理解使用，不作为实际产品视图。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种泄漏型散射环形光波导结构，其特征在于，包括一毛细管，所述毛细管内部中空形成空气孔，所述毛细管的外壁涂敷有至少一层高分子材料层。

2.根据权利要求1所述的泄漏型散射环形光波导结构，其特征在于，所述毛细管的外径D的取值范围为50微米至1500微米，所述空气孔的直径的取值范围为0.1D微米至0.95D微米。

3.根据权利要求1所述的泄漏型散射环形光波导结构，其特征在于，所述高分子材料层包括纳米粒子混杂层、微纳气泡混杂层和低折射率发光层中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的泄漏型散射环形光波导结构，其特征在于，所述高分子材料层包括所述低折射率发光层时，所述低折射率发光层涂敷于最外层。

5.根据权利要求3所述的泄漏型散射环形光波导结构，其特征在于，所述高分子材料层包括所述纳米粒子混杂层和所述微纳气泡混杂层时，

所述纳米粒子混杂层和所述微纳气泡混杂层从内到外依次涂敷于所述毛细管的外壁；

或所述微纳气泡混杂层和所述纳米粒子混杂层从内到外依次涂敷于所述毛细管的外壁。

6.根据权利要求3所述的泄漏型散射环形光波导结构，其特征在于，所述毛细管的折射率n0、所述纳米粒子混杂层的折射率n1'、所述微纳气泡混杂层的折射率n2'和低折射率发光层的折射率n3之间的关系如下：

n0>n1'≥n2'≥n3。

7.根据权利要求3所述的泄漏型散射环形光波导结构，其特征在于，所述纳米粒子混杂层为掺入纳米粒子的高分子材料制备而成，所述微纳气泡混杂层为掺入微纳气泡的高分子材料制备而成，所述低折射率发光层为高分子材料制备而成。

8.根据权利要求1所述的泄漏型散射环形光波导结构，其特征在于，空气孔的内壁布设有粒子。

9.根据权利要求8所述的泄漏型散射环形光波导结构，其特征在于，所述粒子为增强侧面散射的反射粒子或受激发光粒子。

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