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梯度型折射率聚合物光纤的研究

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梯度型折射率聚合物光纤的研究周鸿颖，等　

梯度型折射率聚合物光纤的研究　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｆｅａｔｕ　ｒｉｎｇ　Ｇ　ｒａｄｉｅｎｔ　Ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ　

周鸿颖　防家璧　胡群华　

（上海理工大学光电信息与计算机工程学院’，上海２０００９３；东华大学理学院　，上海２０００５１）　

摘要：聚合物光纤（ＰＯＦ）具有制造简单、价格便宜、接续快捷、抗冲击强度高、抗辐射等优点，是短距通信网的理想选择。以甲基丙　

烯酸甲酯（ＭＭＡ）为基质，采用界面凝胶聚合制备了梯度型聚合物光纤预制棒，利用拉丝机将预制棒熔融拉丝，获得性能良好的聚合物　

光纤。试验中，利用离心旋转和逐级升温等措施避免了气泡的产生，初步比较了不同保温时间对预制棒折射率分布的影响，对预制棒　的制备有一定的参考意义。　

关键词：聚合物光纤梯度折射率色散预制棒温度控制器工业自动化　

中图分类号：ＴＮ８１８　文献标志码：Ａ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｓｓｅｓｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｍａｋｅ，ｌｏｗ　ｃｏｓｔ－ｆａｓｔ　ｔｏ　ｃｏｎｎｅｃｔ，ｈｉｇｈ　ｉｍｐａｃｔ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　

ｆｉｂｅｒ（ＰＯＦ）ｉｓ　ｔｈｅ　ｉｄｅａｌ　ｃｈｏｉｃｅ　ｆｏｒ　ｓｈｏｒｔ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｂｙ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｆａｅｉａｌ—ｇｅｌ　ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ＭＭＡ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｍａｔｅ—　ｒｉａｌ，ｔｈｅ　ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｒｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｆｅａｔｕｒｉｎｇ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ，ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｒｏｄ　ｉｓ　ｍｅｌｔｅｄ　ａｎｄ　

ｄｒｅｗ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｂｅｎｃｈ，ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｓ　ａｃｑｕｉｒｅｄ．Ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｂｕｂｂｌｅ　ｉｓ　ａｖｏｉｄｅｄ　

ｂｙ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｒｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｇｒａｄｕａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｒｏｄ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒ—　

ｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｈｏｌｄｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｉｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｉｌｙ，ｗｈｉｃｈ　ｐｏｓｓｅｓ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｖａｌｕｅ　ｆｏｒ　ｍａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｒｏｄ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｏｌｙｍｅｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ（ＰＯＦ）Ｇｒａｄｉｅｎｔ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｄｉｓｐｅｍｉｏｎ　Ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｒｏｄ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　

０　引言　

聚合物光纤（ｐｏｌｙｍｅｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ，ＰＯＦ）具有制备简　

单、价格便宜、连接方便和抗冲击等优点，成为短距离宽　

带通信网的理想选择。因此，现已广泛应用于汽车、工　

业自动化等方面，是光纤入户理想的材料　。近年　

来，随着高分子材料科学的发展，对新型的聚合物光纤，　

如耐热、耐湿、耐辐照、高度光敏等特种聚合物光纤的研　

究开辟了其在航天、高温、传感等领域的新应用　。　

聚合物光纤按折射率分为阶跃型光纤和梯度型光　

纤两类。阶跃型光纤的纤芯折射率分布均匀，芯层折射　

率大于包层并在两者分界面上突变。阶跃型聚合物光　

纤（ｓｔｅｐ　ｉｄｅｘ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ，ＳＩ　ＰＯＦ）具有严重的模　

式色散、窄带宽等缺点，多数应用于车灯监控、照明等方　

面。梯度型光纤的纤芯折射率沿其径向呈抛物线分布。　

光线传输的路径近似为正弦波，不同人射角的光线的传　

输轨迹不同，但最终都汇聚在轴线，称之为自聚焦效应。　

这可以使不同模式的光在芯层中传播的延时差变小，从　

而在很大程度上减小模式色散而提高光纤的带宽，扩大　

东华大学中央高校基本科研业务基金资助项目（编号：２０１１Ｄ１０９０１）。　修改稿收到日期：２０１１—０３—１６。　第一作者周鸿颖，女，１９７５年生，现为上海理工大学光学工程专业在　读博士研究生，讲师；主要从事聚合物光纤方面的研究。　

《自动化仪表》第３２卷第７期２０１１年７月　通信容量。因此梯度型聚合物光纤（ｇｒａｄｅｄ　ｉｎｄｅｘ　ｐｏｌｙ－　

ｍｅｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ，ＧＩ　ＰＯＦ）受到更多的关注　。　

梯度型聚合物光纤的制备大多采用界面凝胶法聚　

合，但经常会产生气泡以及局部不透明等问题导致失　

败，有人提出采用溶胀一凝胶聚合法和引发剂扩散法解　

决　。本文采用界面凝胶聚合法，通过离心旋转并改变　

聚合温度及时问等条件解决了这一问题，并制备了透　

明、无气泡的ＧＩ　ＰＯＦ预制棒。利用拉丝炉将预制棒热　

拉丝成纤，最终得到了透明、连续、性能优良的ＧＩ　ＰＯＦ。　

１制备预制棒　

１．１材料　

将甲基丙烯酸甲酯（ＭＭＡ）原料与５％ＮａＯＨ溶液　

充分混合，去除掺人的阻聚剂；然后用蒸馏水洗至样品　

呈中性；经两次减压蒸馏后取得纯净的ＭＭＡ。引发剂　

为偶氮二异丁腈（ＡＩＢＮ），链转移剂为十二硫醇，掺杂　

剂为二苯亚砜（ＤＰＳＯ）。　

在单体ＭＭＡ中加入引发剂和链转移剂后放入试管　

中，通过离心法反应１２　ｈ，制成一端封闭的纯聚甲基丙　

烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）管，作为预制棒的包层部分。　

１．２　ＧＩ　ＰｏＦ预制棒的制备　

试验的配方混合物为ＭＭＡ、０．１５％ＡＩＢＮ、０．１５％十　

二硫醇、１０％ＤＰＳＯ。　

１

　５　梯度型折射率聚合物光纤的研究周鸿颖，等　

将混合物加入ＰＭＭＡ管中，封闭另一端后放入水　

平离心旋转设备上，并置于４０—１２０℃恒温槽中，在　

１　０００～２　０００　ｒ／ｒａｉｎ的转速下充分反应，即得到无气泡、　

透明的聚合物光纤预制棒。离心旋转设备如图１所示。　

离心旋转机　

一　

图１　离心旋转设备示意图　

Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｒｏｔａｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　

１．３　ＧＩ　ＰＯＦ测试及拉丝成纤　

光纤预制棒的折射率采用ＰＫ２６００型ＹＯＲＫ预制　

棒分析仪测得，匹配油折射率为１．４７２。ＰＯＦ预制棒　

折射率分布如图２所示。　

图２　ＰＯＦ预制棒折射率分布图　

Ｆｉｇ．２　Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｉｔｙ　ｉｎｄｅｘ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　

ｔｈｅ　ＰＯＦ　ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｒｏｄ　

在设定条件下，用制备的ＧＩ　ＰＯＦ预制棒进行热　

拉丝成纤试验，得到了实心无缺陷、透明、连续、直径　

为３　ｍｍ的ＧＩ　ＰＯＦ。整个过程中，通过丝径测试仪实　

时反馈成纤的直径，系统将其与预设值相比较来调节　

收丝的速率，控制光纤的直径。拉丝装置如图３所示。　

／ｌ　机　

日　

●——　主轴　——』＝＝］　

口：．　

统　／送棒机构　

Ｐｌ　预制棒　拉丝炉及　］　温度控制器　

一丝径测试仪　

／收丝轮　

／卷绕简　

图３拉丝装置示意图　

Ｆｉｇ．３　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｂｅｎｃｈ　

图３中，＇／３　和　分别为送棒和拉丝速度。　２结果与分析　

２．１聚合原理　

界面凝胶法是源于高分子聚合过程中的凝胶效　

应。在聚合物基质和单体的接触面上，当单体与聚合　

物的溶解参数相近时，单体会轻；墩地溶解聚合物，并在　

界面形成一个凝胶薄层。由于凝胶效应的作用，凝胶　

层中的聚合速度大于单体本体中的聚合速度，这样沿　

径向产生一个聚合物的浓度梯度　。为了形成所需要　

的折射率分布，聚合反应的温度和速度控制、掺杂剂的　

浓度和种类的选择是关键。　

试验中采用低折射率的ＭＭＡ单体聚合，而掺杂　

剂ＤＰＳＯ为高折射率分子，起到调节折射率的作用，但　

不参与聚合。聚合开始时，由于凝胶加速效应，使固化　

过程从ＰＭＭＡ管内壁向中心推进，ＭＭＡ分子和ＤＰＳＯ　

分子向凝胶相扩散。ＤＰＳＯ分子体积较大，向凝胶相　

扩散的速度较慢，故被逐渐地浓缩在中心区域。聚合　

反应机理如图４所示。在反应初期，将混合溶液放入　

ＰＭＭＡ管中，在反应中期，则形成凝胶相，而反应后期，　

掺杂分子的中心区域浓度较高。　

一　

（ａ）反应初期　（ｂ）反应中期　（ｃ）反厦后期　

图４聚合反应机ｊ里示意图　

Ｆｉｇ．４　Ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ　

试验中将反应物放入ＰＭＭＡ管中进行离心旋转。　

在离心力作用下，ＤＰＳＯ的扩散作用会加速，导致中心　

浓度低、边缘浓度高；而凝胶加速作用，使其聚合时呈　

中心浓度高、边缘浓度低的分布，二者作用相反。因而　

折射率分布是界面凝胶聚合和离心旋转的共同作用结　

果。　

从图２可以看出，ＰＯＦ折射率呈梯度型折射率分　

布。由此可知聚合反应使ＤＰＳＯ中心浓度高、边缘浓　

度低的分布的作用大于离心旋转使ＤＰＳＯ浓度分布相　

反的影响。　

２．２离心旋转抑制气泡产生　

界面凝胶聚合反应制备ＧＩ　ＰＯＦ预制棒时，经常因　

为产生气泡导致试验失败。综合得出，试验中产生气　

泡的原因主要有两种，一是因为凝胶效应的反应自加　

速，小范围处产生大量的热量，导致ＭＭＡ单体汽化，　

在高粘度的体系中无法扩散形成气泡；二是因为聚合　

１６　ＰＲＯＣＥＳＳ　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ　Ｖｏ１

．３２　Ｎｏ．７　Ｊｕｌｙ　２０１１

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自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析光电报告

自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析光电报告

武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书

课程设计任务书

学生姓名：助人为乐 专业班级：不计得失

指导教师：一定过 工作单位： 信息工程学院

题 目:自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析

初始条件：

计算机、beamprop或Fullwave软件

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、课程设计工作量：2周

技术要求：

（1）学习beamprop软件。

（2）设计自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析

（3）对自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合进行beamprop软件仿真工作。

3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

第1天做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。

第2-5天学习beamprop软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。

第6-9天对自聚焦光纤的设计进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。

第10天提交课程设计报告，进行答辩。

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书

目录

摘要 ........................................................................................................................................... I

1 绪论 ................................................................................................................................... 1

低折射率UV光纤涂料的制备及性能研究

低折射率UV光纤涂料的制备及性能研究

低折射率UV光纤涂料的制备及性能研究

营飞;王木立;顾斌;马智俊;张东阳;狄志刚;朱东

【摘 要】A fluorinated acrylate (FA) with low refractive index was

synthesized based on dodecafluoroheptyl methacrylate,hexafluorobutyl

acrylate,n-butyl acrylate,acrylic acid and glycidyl methacrylate.The

structure of FA was characterized by Fourier transform infrared

spectroscopy,and the effects of the raw materials on the properties of FA

were studied.The UV-curable optical fiber coatings with refractive index

less than 1.378 0 was prepared by using the main matrix FA and other

additives including reactive fluorinated diluent,polyfunctional reactive

diluent and photoinitiator.The influence of different component on the

appearance,refractive index,viscosity,curing speed and mechanical

properties of the coatings were analyzed.%以甲基丙烯酸十二氟庚酯、丙烯酸六氟丁酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸、甲基丙烯酸缩水甘油酯为主要原料合成了低折射率含氟丙烯酸树脂(FA).通过红外光谱对FA的结构进行了表征,研究了各原料对FA性能的影响.以FA树脂为主体,配合含氟活性稀释剂、多官能活性稀释剂、光引发剂制备了折射率低于1.378 0的紫外光固化光纤涂料,分析了各组分对涂料外观、折射率、黏度、固化速度及力学性能的影响.

聚合物光子晶体光纤_王维彪

聚合物光子晶体光纤_王维彪

第 94 页 共152 页 聚合物光子晶体光纤

王维彪，陈明，夏玉学，梁静秋, 徐迈 （中国科学院长春光机与物理所， 长春 130033） 甄珍， 刘新厚 （中国科学院理化所， 北京 100101） 摘要：本文在介绍光子晶体光纤的原理、性能的基础上，重点介绍了采用聚合物材料制备的聚合物光子晶体光纤如高双折射光子晶体光纤、多芯光子晶体光纤、带隙限制光子晶体光纤等。这些光纤以其新的导光机理和新颖的特性引起人们的极大兴趣，希望开发出具有单膜特性、多种结构和特性、低损耗的的聚合物光子晶体光纤。聚合物光子晶体光纤制备选材范围广、制备温度低、预制棒的制备方法多，具有成本低、损耗小、多性能等的优点，在传感器、光通讯、光学元件等方面具有很大的应用前景。 关键词：聚合物；光子晶体；光纤

polymer photonic crystal fiber

WANG Weibiao, CHEN Ming, XIA Yuxue, LIANG Jingqiu, XU Mai Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics., Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033 ZHEN Zhen, LIU Xinhou Technnical Institute of Physics ang Chemistry Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101 Abstract：The polymer photonic Crystal fiber(PPCF) based on principle of photonics crystal is introduced such as highly birefringent PPCF, twin-core PPCF and photonic band gap PPCF in the paper. Polymer photonic crystal fibers have new guided light mechanism and lots of new performances than conventional polymer optical fibers and attract peoples’ interests. It is hoped to develop new fibers with single mode and special performances. PPCF will be used in optical fiber sensing, telecommunications and optical elements because of it with merits of low cost, low loss and multi-performance. Keywords: Polymer; Photonic Crystal; Fiber 一、引言――光子晶体和光子晶体光纤 光子晶体光纤是在光子晶体的概念上发展起来的一种新型光纤。这里只简单介绍一下光子晶体和光子晶体光纤的原理和特性。 1，光子晶体原理 光子晶体的概念最早由E.Yablonovitch和S.John与1987年在《phys. rev. lett.》上分别提出来的[1, 2]。他们提出的思想是: 通过介电常数在空间的周期分布构成的介质材料能够改变其间传播的光的性质，可在电磁色散关系上打开一个带隙结构。类比于固体物理中的晶体结构和能带理论，将具有不同介电常数的介质材料在空间按一定周期排列起来形成周期性结构，用这个办法来构筑光子晶体。根据布拉赫定理，光子晶体的周期性结构将会使电磁波的色散关系形成带状结构，带与带之间可能会产生类似于半导体中的禁带―――即光子禁带。只要光子频率在这个带隙范围，它在禁带区域传播都将被禁止。所以，光子晶体可以控制光的自发辐射和光的传播行为。光子晶体的另一个主要的特征就是可以实现光子局域，即缺陷在光子晶体的禁带中可以产生频宽极窄的缺陷态或局域态。

PMMA的应用

PMMA的应用

PMMA的应用

PMMA作为最优秀的有机合成透明材料，除了代替玻璃广泛地应用于各种灯具、光学玻璃、商品广告橱窗、

飞机玻璃等之外，近年来，各种改性PMMA在医药、通讯、电子电器等领域获得越来越多的应用，并成为

投资的热点。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是最优秀的有机合成透明材料，透光率达92%，雾度不大于2%。PMMA具有良好的综合力学性能，拉伸、弯曲、压缩等强度均高于聚烯烃，也高于聚苯乙烯、聚氯乙烯等；冲击韧性

较差，但也稍优于聚苯乙烯。浇注的本体聚合PMMA（例如航空用有机玻璃板材）拉伸、弯曲、压缩等力

学性能更高，可以达到聚 胺、聚碳酸酯等工程塑料的水平。PMMA具有良好的介电和电绝缘性能、优异的

抗电弧性。PMMA的耐热性和耐寒性并不高，但耐老化性能优良。

PMMA可以采用浇铸、注塑、挤出、热成型等工艺加工，并具有良好的后加工性能。PMMA作为性能优异

的透明材料广泛应用于各种灯具、照明器材、光学玻璃、各种仪器仪表表盘、罩壳、刻度盘、光导纤维、

商品广告橱窗、广告牌、飞机座舱玻璃、飞机和汽车的防弹玻璃、各种医用、军用、建筑用玻璃等领域。

近年来，随着PMMA改性与复合材料技术进展，PMMA的应用领域不断扩展。医用高分子材料医用高分子已成为功能高分子一个重要分支，广泛应用于以诊断和治疗为中心的医疗领域。目前各种免疫方法用的

基质多数是高分子材料，具有生理功能的人工器官也多由高分子材料制成。其中PMMA是在医用制品领域

应用广泛的材料之一。早在1949年，美国就将PMMA临床应用于人的头盖骨和关节修补。如今PMMA

大约占到医用高分子材料总体用量的10%。中国每年用于医疗的PMMA超过300吨。PMMA质轻，具有

较高的力学强度、较好的抗潮湿性能，可长期在潮湿条件使用，对水溶性无机盐、碱及某些稀酸有一定稳定性，特别是耐生物老化性能和生物兼容性好，光学性能优异，透光率高。医学上常用作颅骨修补材料、

人工骨、人工关节、胸腔填充材料、人工关节骨粘固剂，特别是在假牙、牙托的应用中更为广泛。以PMMA