光纖端頭涂覆層處理技術對出光效果的影響

張 龍，劉 穎，史玲娜，劉貞毅

(1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司交通與節能工程院，重慶 400067)

引言

隨著我國公路隧道建設規模的擴大，隧道照明能耗問題日益突出，高昂的照明運營成本仍是公路隧道運營管理部門急需解決的問題[1]。太陽光光纖照明技術有望解決隧道照明高能耗問題，是隧道照明節能、綠色、安全的發展方向[2，3]。

隧道照明具有高光能需求的特點，采用光纖照明系統時，應采用耐高溫的石英光纖，并在表面涂覆耐高溫涂層以提高系統的可靠性和穩定性。目前缺乏對高光能收集下太陽光耦合對光纖端頭涂覆層的影響，及其工藝改進方面的必要研究。本文在光纖照明系統用于隧道照明的前提下，研究系統耦合端光纖涂覆層的處理工藝，以期得到高光能收集下滿足結構可靠性的端頭工藝處理要求。

1 光纖照明系統

1)光纖照明系統的構成。光纖照明系統主要由采光器采光、光纖傳輸以及尾燈出射這三部分組成。太陽光被采光器匯聚于光纖耦合端頭，并且在光纖中以全反射的方式傳輸，最后通過尾燈將光線照射到需要照明的區域，光在光纖照明系統傳光過程如圖1所示。

圖1 光纖照明系統傳光過程Fig.1 Light transmission process of solar optical fiber lighting system

2)石英光纖的構成。單根石英光纖一般由三層結構組成，如圖2所示：內芯是高折射率純石英纖芯，溫度達到1 600 ℃時才會發生軟化，耐熱性好；中間層是低折射率硅玻璃包層保護內芯，熔點較高、質地柔軟；最外層是樹脂或金屬涂覆層，減少光的損耗，根據不同材料，其耐高溫性能也各不相同，根據最新研究成果，光纖上樹脂涂覆層能在400 ℃左右條件下不發生分解，金屬涂覆層能在高于400 ℃的條件下工作[4]。

圖2 光纖構成Fig.2 Composition of optical fiber

3)太陽光耦合傳輸原理。光的傳輸原理如圖3所示，在某個角度范圍的入射光進入光纖后，在其內部發生全反射并最終從另一端出射[5]。

圖3 光纖耦合傳輸原理Fig.3 Principle of optical fiber coupled transmission

為提高光纖照明系統的出光效果，就需要保證聚集于焦點處的光斑小于光纖直徑，并且滿足全反射條件，才能實現光束的理想耦合：耦合透鏡的NA1和光纖的NA2匹配[6]。

NA1=NA2

(1)

(2)

(3)

其中NA為數值孔徑，D為透鏡通光孔徑，f為透鏡的焦距，n1、n2為光纖纖芯和包層的折射率。

本試驗采用透鏡直徑為0.4 m，焦距為0.22 m，纖芯的折射率為1.7，樹脂涂層的折射率為1.4，根據式(2)、式(3)，算出透鏡的NA1為0.91，光纖的NA2為0.96，兩者數值幾乎相等，能夠很好地耦合。

當實現光束的理想耦合時，經過采光器匯聚到耦合端的太陽光由于能量集中，溫度非常高，此時的聚光效果如圖4所示。可以看到，亮白色光斑匯聚在光纖耦合端面，在夏季晴天實測可達1 000 ℃左右。

圖4 光纖耦合端頭光斑Fig.4 Fiber coupling end spot

為驗證耦合溫度，利用式(4)、式(5)計算耦合溫度：

(4)

(5)

其中：Q為經過光纖照明系統平均每小時接受的太陽輻射能，E0為當地平均年輻射總量，S為光纖照明系統采光面積，η1為耦合效率，d為一年的天數，h為一天的小時數，Δt為溫差，c為比熱容，m為光纖質量。根據文獻[7]，取重慶地區平均年輻射總量為3 492 MJ·a/m2，單個采光器透鏡的直徑為0.4 m，假設系統耦合效率為0.9，n為光纖根數6。則每小時接受的太陽輻射能約為7 514 J。根據文獻[8]，取光纖的比熱容為1 092 J/(kg·K)，本系統采用的光纜為0.064 kg/m，則單根光纖重量約0.01 kg/m，則1 m單根光纖每小時就能升溫約688 ℃。

因此，適用于光纖照明系統的光纖必須采用耐高溫的石英光纖，同時為保證系統在高溫下始終具有高效的耦合傳輸性能，對耦合頭進行一定的散熱設計，降低耦合端溫度，該設計如圖5所示。該耦合頭中的透氣孔能加速空氣的對流，從而實現耦合頭部位的熱量與外界的快速交換，試驗測試可使耦合端溫度下降30%。

圖5 具有散熱功能的耦合頭Fig.5 Coupling head with heat dissipation

除了對耦合端頭進行散熱設計能提高系統的穩定性，還可以對光纖端頭進行處理看是否能提高系統的可靠性。

2 光纖端頭涂覆層處理試驗

根據光纖材料的特性進行端頭涂覆層處理試驗，實驗圍繞是否剝離涂覆層、剝離光纖方式以及剝離涂覆層長度展開。

2.1 有無涂覆層對出光效果的影響

1)試驗設備。準備兩根光纖，其中一根不做處理，另一根剝去一定長度涂覆層。為保證受光面和光纖端面垂直，將光纖端面用磨刀石進行平整打磨。

2)試驗方法。將光纖裝入圖6所示的裝置內，并且光纖端頭和裝置斷面對齊。安裝完畢后將本裝置放入圖4所示的采光器底端原先放置光纜的位置。

圖6 光纖放置裝置Fig.6 Optical fiber placement device

出光效果的測試采用照度計測量光纖尾端的出光照度。為保證測量的數據不受外界太陽光的影響，用3D打印機打印的黑色小蓋子套在照度計檢測器上，小蓋子上僅留下一個可供光纖插入的小孔。

系統耦合光斑不在裝置正中心將導致同一裝置兩根光纖測量照度差距很大。為了提高測量數據的可靠性，測量間隔要短，并且測完一根光纖數據后將裝置轉180°，這就相當于光纖的測量條件一致。

3)試驗結果。得到的試驗數據如圖7所示。

圖7 有無涂覆層照度實驗Fig.7 Optical fiber with or without coating illuminance test

從圖7看出，光纖在試驗開始時不做處理的照度大，剝去涂覆層的照度損失為25%；隨著時間的推移，剝去涂覆層和不做處理的光纖照度數值逐漸差別不大；等到試驗結束，剝去涂覆層的照度比不做處理的照度大，照度增益為19%。

拆開光纖放置的光纖如圖8所示，不做處理的光纖因為受到長時間耦合高溫的影響，涂覆層表面發生碳化；而剝去涂覆層的光纖表面只是略微發黃；兩根光纖純石英纖芯沒有變化。

圖8 拆開光纖放置裝置后光纖情況Fig.8 Optical fiber situation after dismantling placement Device

試驗表明：試驗開始時，由于剝去涂覆層的光纖數值孔徑不能匹配透鏡數值孔徑，即不是所有光傳輸時都能發生全反射，導致進入光纖的進光量比不作處理的少，相應的照度低。隨著試驗的進行，光纖耦合端溫度很高使不作處理光纖的涂覆層發生碳化，碳化后光纖涂覆層透光率低、光衰大，相當于耦合端受光面積減少；而剝去涂覆層光纖的涂覆層離耦合端距離較遠，溫度不是很高，所以表層只是略微發黃，出光效果和開始時差不多，最終導致剝去涂覆層的光纖出光效果優于不做處理的。

2.2 不同剝離方式對出光效果的影響

1)試驗設備。準備光纖兩根，其中一根剝去涂覆層，另一根剝去涂覆層及硅玻璃包層，只留下石英纖芯，光纖剝離長度一致。

2)試驗方法。試驗方法同2.1小節。

3)試驗結果。得到試驗數據如圖9所示。

圖9 光纖不同剝離方式照度實驗Fig.9 Optical fiber of different stripping methods illuminance test

從圖9可知：剝去涂覆層以及剝去涂覆層和硅玻璃包層的光纖從實驗開始到實驗結束，兩者的照度變化不大。

拆開光纖放置裝置的光纖如圖10所示，兩根光纖外表面都只是略微發光，并且外表沒有明顯差別。

圖10 拆開光纖放置裝置后光纖情況Fig.10 Optical fiber situation after dismantling placement Device

實驗表明：剝去涂覆層以及剝去涂覆層和硅玻璃包層的光纖在試驗中差別不大，應用于實際工程中效果一致。

2.3 不同剝離長度對出光效果的影響

1)試驗設備。準備光纖三根，都只剝涂覆層，三根剝離長度分別為1 cm、2 cm、3 cm。

2)試驗方法。試驗方法同2.1小節，測量的時間統一為不同時間的下午3點。

3)試驗結果。得到試驗數據如圖11所示。

圖11 光纖不同剝離長度照度實驗Fig.11 Optical fiber of different stripping length illuminance test

從圖11可知，剝去不同長度涂覆層對出光效果是有影響的。試驗開始時剝離長度越長、出光照度越低。隨著試驗的進行，剝2 cm涂覆層的光纖照度逐漸比剝1 cm的照度大。整個實驗過程剝3 cm涂覆層的光纖照度始終三個中最低的。

拆開光纖放置裝置如圖12所示。隨著剝離長度的增加，最外層顏色是逐漸變淺的，剝離涂覆層的光纖也沒有出現2.1小節中所示的碳化現象。

圖12 拆開光纖放置裝置后光纖情況Fig.12 Optical fiber situation after dismantling placement Device

再剝1.5 cm和2.5 cm涂覆層長度的光纖，同樣放置7天后測量照度讀數如圖13所示。

圖13 不同剝離長度光纖照度值Fig.13 Illuminance of different stripping length

從圖13可以看出，最終剝光纖涂覆層長度的出光效果有先增后減的趨勢，本試驗采用光纖剝2 cm長度涂覆層效果最佳。

實驗表明：光纖剝離涂覆層長度與出光效果有關。試驗開始時，由于數值孔徑不匹配，剝離涂覆層越長，進入耦合端發生全反射的光也越少，導致出光效果越差。隨著試驗的進行，光纖耦合端溫度很高，但由于剝去涂覆層的存在使其不像不做處理的光纖發生碳化，只是表面發黃。但這也會影響光纖的透光率，顏色越深、透光率越低、光衰越大，這和2.1小節的結論一樣。但也并不是剝離長度越長，對出光效果的改善越好，這也是有限度的，隨著剝離涂覆層長度的增加，耦合端進入光纖并發生全反射的光就少很多，導致出光照度一直較低。本試驗所用光纖經試驗測試用于工程時，建議剝離2 cm涂覆層使用以達到良好的出光效果。

2.4 透鏡的優化設計

本文提及的光纖出光效果提升方案，是將光纖涂覆層進行剝離，因此光纖的數值孔徑根據式(3)計算得出為1.375，相較于原設計方案有所增加，與原來透鏡的數值孔徑不匹配，這就導致耦合入光纖的太陽光不是100%在光纖內發生全反射。

為保證太陽光耦合端的效率，也需要對光纖照明系統的透鏡進行重新設計。根據本文使用的光纖型號以及式(2)可重新算得與之匹配的最佳透鏡的焦徑比為0.364。

調研某透鏡廠商現有透鏡型號并根據本焦徑比，列出推薦使用的透鏡如表1所示。

表1 推薦使用透鏡型號Table 1 Recommended lens model

3 總結

本文基于光纖照明系統，對光纖端頭涂覆層進行不同的處理并得出如下結論：

1)剝去光纖端頭一定長度涂覆層比不做處理的光纖出光效果好。

2)剝去光纖涂覆層和剝去涂覆層及硅玻璃包層的出光效果一致。

3)剝離一定長度的光纖涂覆層對出光效果有一定提升作用，但并不是無限提升的。

4)光纖剝離涂覆層后，透鏡也需要根據光纖進行重新選擇。

本次試驗的不足之處有：

1)剝去光纖涂覆層的長度可以更加細化，可以精確到0.1 cm確定本類光纖最佳剝離長度。

2)本試驗只采用一種光纖進行試驗，類型太少，后期應找不同類型的光纖對其規律做進一步研究。

3)光纖剝離后應選擇最佳焦徑比的透鏡進行實驗而不是原有設計方案的透鏡，下一步應該用采用最佳方案透鏡進行論證試驗。

綜上，基于光纖照明系統進行光纖涂覆層試驗對于實際隧道照明工程有一定的參考價值。建議根據光纖類型在安裝光纖時將端頭涂覆層剝去適當長度，這樣能夠提高光纖照明系統的出光效率，保證光纖照明系統長期使用的可靠性，同時還能減少系統運維管理的費用，降低隧道照明工程運營費用。