CN115685440A

CN115685440A - 一种发光光纤

Info

Publication number: CN115685440A
Application number: CN202211441607.4A
Authority: CN
Inventors: 田光磊
Original assignee: Chuangsheng Optoelectronic Technology Suzhou Co ltd
Current assignee: Chuangsheng Optoelectronic Technology Suzhou Co ltd
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2023-02-03

Abstract

本发明属于光学元器件技术领域，尤其涉及一种发光光纤，包括纤芯，纤芯的平均折射率为n₀，纤芯包覆有微结构包层，微结构包层包括两个相，一个相呈阵列排布于另一个相中，两个相分别为高折射率相和低折射率相，高折射率相折射率为n₁，低折射率相的折射率为n₂，高折射率相的折射率n₁大于纤芯的平均折射率n₀，低折射率相的折射率n₂小于纤芯的平均折射率n₀；微结构包层外依次包覆有第一保护层和第二保护层。相比聚合物纤芯，本发明提供的一种发光光纤耐候性好、不易老化、机械强度高、制备工艺简单，更加有利于光在光纤内的出光，发光强度的方差更小，并且实现光的全反射，进而保证发光亮度更高。

Description

一种发光光纤

技术领域

本发明属于光学元器件技术领域，尤其涉及一种发光光纤。

背景技术

发光光纤是指光在光纤传输过程中，不仅将传输光从光纤的入射端面传输至出射端面，而且还有一部分光从光纤包覆层透射出来，从而形成光纤侧面发光的现象。常规光纤总是尽量降低或消除传输光从光纤皮层泄漏出去，最大程度上降低因光散射而产生的非固有损耗，从而降低光纤损耗，提高光纤的传输效率；而发光光纤的制备目的则是最大限度地降低光纤固有损耗，通过适当的光纤设计，提高光纤的非固有损耗，提高光纤的散射损耗。从而来提高光纤侧面发光亮度现有的发光光纤绝大部分为聚合物光纤，一般是通过在光纤包层材料中掺入散射粒子或者通过在光纤包层进行机械划伤创造光的散射点来实现侧面出光的目的。该类光纤存在如下几个方面的问题：

(1)聚合物光纤的本征损耗很大，一般高达500dB/km，光在传输过程中损耗极高，从而造成侧面的散射光亮度极低，并且在光纤长度方向上存在非常大的亮度不均匀性；

(2)聚合物光纤耐候性差，在高温，紫外线等环境中很容易老化，从而影响光的传输效果；

(3)聚合物光纤机械性能差，长时间使用后，材料变脆，极容易发生断裂。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种发光光纤，目的是为了解决聚合物光纤的本征损耗很大，导致光在传输过程中损耗极高，造成侧面的散射光亮度极低，并且在光纤长度方向上存在非常大的亮度不均匀性；耐候性差，在高温，紫外线等环境中很容易老化，从而影响光的传输效果；机械性能差，长时间使用后，材料变脆，极容易发生断裂的技术问题。

本发明提供的一种发光光纤，具体技术方案如下：

一种发光光纤，包括纤芯，所述纤芯的平均折射率为n₀，所述纤芯包覆有微结构包层，所述微结构包层包括两个相，一个所述相呈阵列排布于另一个所述相中，如此阵列排布的效果是使得发光强度的方差更小，发光亮度更高，两个所述相分别为高折射率相和低折射率相，所述高折射率相折射率为n₁，所述低折射率相的折射率为n₂，所述n₁大于所述n₀，所述n₂小于所述n₀；所述高折射率相和所述低折射率相的底部均贴接所述纤芯的外周面，上述贴接的结构能够有效保护纤芯，且能够延长光在轴向上的传播；至少有一个所述高折射率相与所述低折射率相在结构上不连通；两个相不连通能够保证在不连通相的结构内实现光的全反射，发光亮度更高；所述微结构包层外依次包覆有第一保护层和第二保护层。

在某些实施方式中，所述纤芯的轴向截面上的任意两点的连线均落在所述纤芯的轴向截面内。如此实现了出光均匀性。

在某些实施方式中，所述发光光纤端面的立体角小于4π。

在某些实施方式中，所述微结构包层上设有空气孔。微结构包层上的空气孔亦保证了出光均匀。

在某些实施方式中，所述低折射率相呈阵列排布于所述高折射率相中，所述低折射率相为三角柱状、多边形柱状、圆柱状、多边形台状、圆台状、圆锥状中的一种或多种形状结构。

在某些实施方式中，所述第一保护层的折射率为n₃，第二保护层的折射率为n₄，所述n₃、所述n₄大于或小于n₂。

在某些实施方式中，所述纤芯材质为石英玻璃、硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃中的一种或多种，且为均匀一致的均相。光纤纤芯采用玻璃材质，相比聚合物纤芯，其耐候性好、不易老化、机械强度高、制备工艺简单；同时纤芯截图呈现外凸截面，更加有利于光在光纤内的出光，保证其出光的均匀性和出光能力。

在某些实施方式中，所述高折射率相的材质为石英玻璃、硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃中的一种或多种；所述低折射率相的材质为空气、气体混合物、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃的一种或多种。

优选的，所述低折射率相的材质为空气，即所述微结构层由短脉冲激光刻写或者化学刻蚀形成周向均匀分布排列，其排列长度小于或等于微结构层厚度，形成的圆台形、圆锥形或玉米棒形气孔结构。激光刻写的空气孔能够均匀散射光线，将光线导入保护层，达到均匀出光的效果；同时也有效增强光纤散热效果，降低光纤散热成本。

在某些实施方式中，所述第一保护层为硅树脂、氟树脂和紫外固化树脂、氧化物透明玻璃或陶瓷、氟化物透明玻璃或陶瓷、氮化物透明玻璃或陶瓷、氧氮化物透明玻璃或陶瓷、氧硫化物透明玻璃或陶瓷、硫化物透明玻璃或陶瓷、硒化物透明玻璃或陶瓷中的一种或多种的透明光学材料；所述第二保护层为聚甲基丙希酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚双烯丙基二甘醇碳酸酯、苯乙烯丙希腈共聚物、透明聚酰胺、氧化物透明玻璃或陶瓷、氟化物透明玻璃或陶瓷、氮化物透明玻璃或陶瓷、氧氮化物透明玻璃或陶瓷、氧硫化物透明玻璃或陶瓷、硫化物透明玻璃或陶瓷、硒化物透明玻璃或陶瓷中的一种或多种透明光学材料。

本发明具有以下有益效果：(1)微结构包层的两相设计，微结构包层高折射率相可以将部分光限制在纤芯区传输，有效进行较远距离的光线传输；微结构包层低折射率相均匀有序分布的设计，能够让光通过低折射率相散射至保护层，发光强度的方差更小，发光亮度更高，高折射率相和低折射率相于纤芯贴接的结构能够有效保护纤芯，且能够延长光在轴向上的传播；上述两个相不连通能够保证在不连通相的结构内实现光的全反射，发光亮度更高。

(2)第一保护层为对微结构包层提供保护，第二保护层对光纤整体提供保护和提高机械强度。

综上，相比聚合物纤芯，本发明提供的一种发光光纤耐候性好、不易老化、机械强度高、制备工艺简单，更加有利于光在光纤内的出光，发光强度的方差更小，并且实现光的全反射，进而保证发光亮度更高。

附图说明

图1是本发明实施例1中一种发光光纤的立体结构示意图；

图2是本发明实施例1中一种发光光纤中纤芯和微结构包层的立体结构示意图；

图3是本发明实施例1中微结构包层轴向方向上不同的截面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

一种发光光纤包括纤芯1，包覆纤芯1的微结构包层2，微结构包层2外依次包覆有第一保护层3和第二保护层4。纤芯1由石英玻璃，硼酸盐玻璃，锗酸盐玻璃，硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃，氟化物玻璃，氧卤化物玻璃中的一种或多种制成；纤芯1的轴向截面上的任意两点的连线均落在纤芯1的轴向截面内，纤芯1的端面为外凸弧面。

微结构包层2至少包含两个相，一个相呈阵列排布于另一个相中，即其中一个相规则地周期性地离散地镶嵌在另一个相中，根据折射率区分为高折射率相21与低折射率相22；高折射率相21材料为石英玻璃，硼酸盐玻璃，锗酸盐玻璃，硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃，氟化物玻璃，氧卤化物玻璃中的一种或多种；低折射率相22材料包括但不限于空气，气体混合物，氟化物玻璃，氧卤化物玻璃的一种或多种。在某些实施方式中，高折射率相21和低折射率相22的底部均贴接纤芯1的外周面，高折射率相21和低折射率相22的长轴方向均与纤芯1的侧切面的夹角均为10～170°。在某些实施方式中，低折射率相22的总体积在微结构包层2的体积的比例为相占比，相占比沿纤芯1轴向方向上呈一定规律变化，如线性函数或正弦函数变化。优选地，相占比在光纤头部和尾部区域较小，而在光纤中部相占比较大，从而使得中部的散射效率更高，提高光纤在整个光纤长度方向上的出光均匀性。

在某些实施方式中，低折射率相22呈阵列排布于高折射率相21中，低折射率相22为三角柱状、多边形柱状、圆柱状、多边形台状、圆台状、圆锥状中的一种或多种形状结构。

第一保护层3为透明光学材料，其为硅树脂、氟树脂和紫外固化树脂、氧化物透明玻璃或陶瓷、氟化物透明玻璃或陶瓷、氮化物透明玻璃或陶瓷、氧氮化物透明玻璃或陶瓷、氧硫化物透明玻璃或陶瓷、硫化物透明玻璃或陶瓷、硒化物透明玻璃或陶瓷中的一种或多种；第二保护层4为透明光学材料，其为聚甲基丙希酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚双烯丙基二甘醇碳酸酯、苯乙烯丙希腈共聚物、透明聚酰胺、氧化物透明玻璃或陶瓷、氟化物透明玻璃或陶瓷、氮化物透明玻璃或陶瓷、氧氮化物透明玻璃或陶瓷、氧硫化物透明玻璃或陶瓷、硫化物透明玻璃或陶瓷、硒化物透明玻璃或陶瓷中的一种或多种。

纤芯1与微结构层两相之间的折射率关系为：n1＞n0、n0＞n2；其中纤芯1的平均折射率为n0，高折射率相21折射率为n1，低折射率相22折射率为n2；根据n1＞n0、n0＞n2的关系可得出光线在纤芯1与高折射率相21之间传输时，必然无法从高折射率相21层泄露导光，只能在纤芯1层中全反射；光线在纤芯1与低折射率相22之间传输时，由于纤芯1折射率高于低折射率相22，故光线从低折射率中散射出来，达到发光的效果。第一保护层的折射率为n₃，第二保护层的折射率为n₄，n₃、n₄大于或小于n₂。

实施例1

本实施例提供的一种发光光纤，具体的技术方案如下：

如图1所示，超一种发光光纤包括纤芯1，包覆纤芯1的微结构包层2，微结构包层2外依次包覆有第一保护层3和第二保护层4。

如图2所示，本实施例中，纤芯1呈圆柱形，发光光纤的纤芯1材料为石英玻璃，其纯度在99.99％-99.99999％。

微结构包层2至少包含两个相，一个相呈圆周阵列镶嵌设于另一个相中，即其中一个相规则地周期性地离散地镶嵌在另一个相中，根据折射率区分为高折射率相21与低折射率相22。在本实施例中，高折射率相21的材质为硼酸盐，低折射率相22的材质为空气孔，即在微结构层刻写周向均匀分布的圆台形或圆锥形空气孔，该空气孔的设计主要起到两点作用：(1)导光作用，方便纤芯1与低射率相之间散射出的光线能够导出，达到侧面出光的效果；(2)散热作用，光在传输过程中产生的热量可通过该空气孔散出。图3展示了本发明微结构包层2轴向方向上不同的截面图，与目前通用的侧发光光纤的材料与结构存在显著不同，该光纤一方面提高光纤侧面发光能力，使光线能够进行较远距离传输，另一方面保证侧面发光的均匀性。

本实施例中，第一保护层3为透明硅酸盐玻璃材料，对微结构包层2提供保护。

本实施例中，第二保护层4为透明聚苯乙烯材料，对光纤整体提供保护和提高机械强度。

实施例2

在本实施例中，纤芯1材料为硅酸盐玻璃，高折射率相21的材质为锗酸盐玻璃，低折射率相22的材质为氧卤化物玻璃(这个材质对应表实验数据，光亮更好)，该氟化物玻璃在一定的温度及时间下退火热处理能够析出两相，并且该玻璃中一相互相规则、周期性、离散地镶嵌于另一相，其余技术方案与实施例1相同。

实施例3

在本实施例中，将纤芯1的材质为石英玻璃，微结构包层2中，高折射率相材料为氟化物玻璃，低折射率相材料为磷酸盐玻璃，其余技术方案与实施例1相同。

在三个实施例中的结构设计相同的情况下，各实施例中的材质选择不同，对应有以下光亮强度的实验数据：

3个实施例的发光强度均在2100cd以上，实施例总体的方差值由大到小。

另给出一组针对本发明的发光光纤的侧发光强度测量：实验的侧发光强度测量采用InGaAs探测器，其探头直径为1mm，测试区域面积为0.8mm²，可测波长范围为500-1700nm。该探测器可以将探测区域内的光纤侧面透射出来的光信号转换成电信号，并传输给数据采集装置，即示波器。实验由红光光源提供恒定光强的红外光，该光源由电源、激光器和光纤末端准直器三部分组成。光源最大功率为1.1W，亮度可调，光斑直径为15mm。实验时通过电动平移台控制光纤移动,探测器位置不变，测量光纤各测试点的侧发光强度。

测试步骤为：

1)将光源、电动平移台、探测器和示波器依次连接。探测器外接50Ω的同轴电缆，电缆另一端与示波器相连接；

2)设置电动平移台的运行速度为300Hz，运动方式为相对运动，位移单位为mm，调节电动平移台的初始位置为10mm处，每次移动距离设置为5mm，位置点依次记为P0、P1······P9、P10；

3)将被测光纤(测试区域之外)用胶带平直地固定在电动平移台上，并将光纤和光源耦合，耦合长度为20mm；

4)调节探测器的探头位置，使其垂直对准被测光纤处理部分的P0位置，最后调节探测器与光纤被测点的距离为5mm；

5)同时打开光源和示波器,设置电源电流为0.5A，利用示波器自动采集数据，调节示波器屏幕上每个横格所代表的时间值为2s，依次采集单根光纤每个测试点的电压值；

6)对处理之后实施例1、实施例2、实施例3的每根光纤重复上述操作步骤，记录实验数据，测量结果取每组数据的平均值。

如上表所示，可以发现实施例1、实施例2、实施例3从P0至P10单侧出光电压值在35mV上下波动，波动幅度在1mV，说明本发明得到的发光光纤，亮度均匀，效果更好。电压值越小，即传输损耗逐渐增大，导致越来越多的光信号从光纤的皮材中泄露出去，传输到端面的光信号越少，光纤的传输损耗也越大，侧发光强度随之增大。

上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种发光光纤，其特征在于，包括纤芯，所述纤芯的平均折射率为n₀，所述纤芯包覆有微结构包层，所述微结构包层包括两个相，一个所述相呈阵列排布于另一个所述相中，两个所述相分别为高折射率相和低折射率相，所述高折射率相折射率为n₁，所述低折射率相的折射率为n₂，所述n₁大于所述n₀，所述n₂小于所述n₀；所述高折射率相和所述低折射率相的底部均贴接所述纤芯的外周面；至少有一个所述高折射率相与所述低折射率相在结构上不连通；

所述微结构包层外依次包覆有第一保护层和第二保护层。

2.根据权利要求1所述的一种发光光纤，其特征在于，所述纤芯的轴向截面上的任意两点的连线均落在所述纤芯的轴向截面内。

3.根据权利要求1所述的一种发光光纤，其特征在于，所述发光光纤端面的立体角小于4π。

4.根据权利要求1所述的一种发光光纤，其特征在于，所述微结构包层上设有空气孔。

5.根据权利要求1所述的一种发光光纤，其特征在于，所述低折射率相呈阵列排布于所述高折射率相中，所述低折射率相为三角柱状、多边形柱状、圆柱状、多边形台状、圆台状、圆锥状中的一种或多种形状结构。

6.根据权利要求1所述的一种发光光纤，其特征在于，所述第一保护层的折射率为n₃，第二保护层的折射率为n₄，所述n₃、所述n₄均大于或小于n₂。

7.根据权利要求1所述的一种发光光纤，其特征在于，所述纤芯材质为石英玻璃、硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的一种发光光纤，其特征在于，所述高折射率相的材质为石英玻璃、硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃中的一种或多种；所述低折射率相的材质为空气、气体混合物、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的一种发光光纤，其特征在于，所述第一保护层为硅树脂、氟树脂和紫外固化树脂、氧化物透明玻璃或陶瓷、氟化物透明玻璃或陶瓷、氮化物透明玻璃或陶瓷、氧氮化物透明玻璃或陶瓷、氧硫化物透明玻璃或陶瓷、硫化物透明玻璃或陶瓷、硒化物透明玻璃或陶瓷中的一种或多种的透明光学材料。

10.根据权利要求1所述的一种发光光纤，其特征在于，所述第二保护层为聚甲基丙希酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚双烯丙基二甘醇碳酸酯、苯乙烯丙希腈共聚物、透明聚酰胺、氧化物透明玻璃或陶瓷、氟化物透明玻璃或陶瓷、氮化物透明玻璃或陶瓷、氧氮化物透明玻璃或陶瓷、氧硫化物透明玻璃或陶瓷、硫化物透明玻璃或陶瓷、硒化物透明玻璃或陶瓷中的一种或多种透明光学材料。