CN1299978A - 具有锥形输入端的聚合物光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有锥形输入端的聚合物光纤,由表层和芯层构成,截面为圆形,输入端直径大于输出端直径,其中直径渐缩的过渡段紧接在输入端之后,渐缩段之后为直径等于输出端直径的圆柱段,渐缩段的长度满足以下条件:L≥(D－d)/｛2*(d/D)*[1－(n₂/n₁)²]¹/²｝。本发明实现了的以小直径光纤传输大光通量,从而大大降低了制造成本,具有很高的实用价值。

Description

具有锥形输入端的聚合物光纤

本发明涉及一种光传输装置，尤其是一种聚合物光纤的结构改进。

目前，用于光传输的聚合物光纤几何形状基本为圆柱状，即光纤包括输入端和输出端的任一纵截面等径。传统的观念一直认为：在同样的输入光强及光纤传输损耗的条件下，光纤传输的光通量取决于光纤的直径，即直径大的光纤可传输的光通量大，而直径小的光纤可传输的光通量小，因此欲传输较大的光通量势必要选择较大直径的光纤，结果导致光传输装置的成本增加。据申请人检索，申请日为97.12.19、申请号为97231251的中国专利《锥状光纤聚光装置》公开了一种为解决缩小光斑问题而发明的锥状光纤，该光纤的特点是一端(输出端)的截面积小于另一端(输入端)，然而由于该专利的发明目的是“缩小光斑”，即其输出端头附近必须为具有聚光作用的锥形，因此无法用此结构的光纤进行光传输，而且该专利也没有给出有关以小直径光纤传输大光通量的任何启示。

本发明的目的在于：提出一种以小直径光纤传输大光通量的具有锥形输入端的聚合物光纤，从而大大降低制造成本。

为了达到上述目的，本发明的聚合物光纤由表层和芯层构成，截面为圆形，输入端直径大于输出端直径。其中，直径渐缩的过渡段紧接在输入端之后，渐缩段之后为直径等于输出端直径的圆柱段，渐缩段的长度满足以下条件：

    L≥(D-d)/{2*(d/D)*[1-(n₂/n₁)²]^1/2}

式中L—渐缩段的长度

    D—输入端直径

    d—输出端直径

    n₁—光纤芯层折射率

    n₂—光纤表层折射率。

上述条件可以通过公式变换，演变成其他形式。例如表示为：

0＜β≤2arctg{(D/d)*[1-(n₂/n₁)²]^1/2}

式中β—渐缩段的锥角

     D—输入端直径

     d—输出端直径

     n₁—光纤芯层折射率

     n₂—光纤表层折射率。

本发明的理论根据是，由于聚合物光纤具有使光线在不同折射率的芯皮界面上全反射的特性，因此，只要光纤的结构满足全反射条件，即可经过多次反射后，使光线从输入端向输出端传递。

根据光学公式不难导出，聚合物光纤(参见图1)全反射的临界角ψ_c与芯、皮层折射率n₁、n₂的关系为Sinψ_c=n₂/n₁(<1>式)，该角度通常又被称为孔径角，只要光线的入射角ψ≤ψ_c，且n₁＞n₂，即可使入射光线以全反射形式在光纤中传播。

对于锥形光纤而言，当其锥角过大时，即使平行于光纤中心轴的光线进入光纤也不能满足界面内壁的全反射条件，而将经过皮层折射后逸出(参见图2)。依据上述全反射的基本条件公式—Sinψ_c=n₂/n₁(<1>式)可以导出(陈强：此处请补偿公式推导过程)，当锥形长度L、大端直径D、小端直径d以及光纤芯层折射率n₁、光纤表层折射率n₂满足公式L≥(D-d)/{2*(d/D)*[1-(n₂/n₁)²]^1/2}(<2>式)的关系时，全反射条件成立，此时不仅不会出现光线逸出，反而对光线具有会聚作用(参见图3)。

本发明具有锥形输入端的聚合物光纤可以采集与大端等径普通圆柱光纤几乎相同的近轴光线量，并可通过其后的小直径光纤传输。由于本发明锥形段的长度在整条光纤长度中所占的比例极小，因此可以说，本发明打破了光纤传输的光通量取决于光纤直径的传统认识，实现了的以小直径光纤传输大光通量，从而大大降低了制造成本，具有很高的实用价值。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是聚合物光纤的光线反射示意图。

图2是锥角过大锥形光纤的光线逸出示意图。

图3是锥角满足全反射条件锥形光纤的光线传输示意图。

图4是本发明一个实施例的结构示意图。

图1中具有锥形输入端的聚合物光纤由表层1和芯层2构成，截面为圆形。表层的折射率n₁=1.49，芯层的折射率n₂=1.34，输入端直径D=φ16mm，大于输出端直径d=φ8mm，直径渐缩的过渡段L=50mm紧接在输入端之后，渐缩段L之后为直径等于输出端直径的圆柱段L_o=30m，通过计算显然可以得出，渐缩段的长度满足L≥(D-d)/{2*(d/D)*[1-(n₂/n₁)²]^1/2}(=35mm)。

理论上，直径为D或d的等径聚合物光纤输出端的光通量φ_D或φ_d分别为：

φ_D=E_θ×δ×(D/2)²×π或φ_d=E_θ×δ×(d/2)²×π而具有锥形输入端的聚合物光纤光纤输出端的光通量则为：

φ_θ1’=E_θ×δ×(D/d)²×π理论和实验数据均表明，本实施例聚合物光纤的光通量与较粗的等径光纤几乎相同，而其成本价格则比较粗等径光纤低得多，与较细的等径光纤相近。例如，一根直径为φ16mm、长度为30m的等径光纤的价格为4500元，而与之光通量相同、长度相等的本实施例聚合物光纤的价格为2700元。此价格与直径φ8mm、长度30m的等径光纤的价格(2100元)接近。

由此可见，本实施例的聚合物光纤较为理想地实现了以小直径光纤传输大光通量，明显降低了制造成本，实际应用之后，必将产生可观的经济效益。

此外，通过实验发现，当渐缩段的长度L满足L’＜L＜1.1L’(L’=(D-d)/{2*(d/D)*[1-(n₂/n₁)²]^1/2}，式中其他代号含义不变)的条件时，渐缩段的长度较短，光损耗较小，制成的具有锥形输入端的聚合物光纤同比性能更理想。

Claims (3)

1．一种具有锥形输入端的聚合物光纤，由表层和芯层构成，截面为圆形，输入端直径大于输出端直径，其特征在于：直径渐缩的过渡段紧接在输入端之后，渐缩段之后为直径等于输出端直径的圆柱段，渐缩段的长度满足以下条件：

    L≥(D-d)/{2*(d/D)*[1-(n₂/n₁)²]^1/2}

式中L—渐缩段的长度

    D—输入端直径

    d—输出端直径

    n₁—光纤芯层折射率

    n₂—光纤表层折射率。

2．一种具有锥形输入端的聚合物光纤，由表层和芯层构成，截面为圆形，输入端直径大于输出端直径，其特征在于：直径渐缩的过渡段紧接在输入端之后，渐缩段之后为直径等于输出端直径的圆柱段，渐缩段的锥角满足以下条件：

    0＜β≤2arctg{(D/d)*[1-(n₂/n₁)²]^1/2}

式中β—渐缩段的锥角

     D—输入端直径

     d—输出端直径

     n₁—光纤芯层折射率

     n₂—光纤表层折射率。

3．根据权利要求1所述的聚合物光纤，其特征在于：所述渐缩段的长度满足以下条件：

    L’＜L＜1.1L’

式中L—渐缩段的长度

    L’=(D-d)/{2*(d/D)*[1-(n₂/n₁)²]^1/2}

D—输入端直径

d—输出端直径

n₁—光纤芯层折射率

n₂—光纤表层折射率。

Images