塑料光纖簡介——殷晨晨

1、09應(yīng)用物理 殷晨晨2011-10-20 塑料光纖(polymer optical fiber, 簡寫為POF)是由高折射率的聚合物材料為纖芯和低折射率的聚合物材料為包層所構(gòu)成的光纖。光纖光纜實物圖2011-10-20 1964年美國Dupont(杜邦)公司最早開始研究，隨后日本、德國、法國、韓國等紛紛投入大量資金進行研究開發(fā)。早期的塑料光纖由于受到制作工藝和條件的限制，損耗較大，應(yīng)用一直受到限制。1980年以后，低損耗的塑料光纖的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究日趨活躍，并逐漸進入商業(yè)應(yīng)用。塑料光纖的工作原理、類型塑料光纖的優(yōu)缺點、應(yīng)用和展望塑料光纖的制備、特性2011-10-20工作原理工作原理 和石英光纖

2、一樣，塑料光纖傳光也是利用光的全反射原理，光纖纖芯是光密介質(zhì)，包層是光密介質(zhì)，這樣，只要一個光線射入的角度合適，那么這束光線就會在光纖內(nèi)部不停地進行全反射而傳向另一端。塑料光纖結(jié)構(gòu)圖2011-10-20 塑料光纖的芯材和皮材必須滿足以下幾個條件：塑料光纖的芯材和皮材必須滿足以下幾個條件： （1）兩者都是透明的無定形聚合物，具有耐高溫度和強韌性； （2）兩者的折射率之差應(yīng)滿足n芯-n皮0.05的條件，以確保有一定的受光角； （3）兩者具有良好的匹配性，界面黏結(jié)性良好。 纖芯材料主要是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚苯乙烯（PS）。2011-10-20塑料光纖的類型塑料光纖的類型 1、低損耗塑料光

3、纖、低損耗塑料光纖 由于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中含有大量的pH鍵產(chǎn)生高次諧波和電子躍遷損耗，固有損耗主要取決于分子振動吸收和瑞利散射，其損耗不能顯著降低。用氘取代CH中的H是降低損耗的重要途徑，氘化的主要作用是降低分子振動吸收，氘代度越高，損耗水平越低。由于氘化單體的聚合速率較緩慢，聚合物的內(nèi)應(yīng)力小，所以氘化也能降低瑞利散射。2011-10-20 2、耐熱塑料光纖、耐熱塑料光纖 普通的塑料光纖耐熱性不高，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚苯乙烯（PS）芯材的長期使用溫度要求在80以下，而無機光纖至少可在100以上的溫度下使用。因此，提高塑料光纖的耐熱性就成了塑料光纖的研究熱點之一。201

4、1-10-20 通常采用三種方法提高塑料光纖的耐熱性：通常采用三種方法提高塑料光纖的耐熱性： (1)保護層法，在塑料光纖外套塑或涂覆一層保護層，阻礙氧氣在芯皮材中傳輸，防止芯皮材在高溫下氧化，并在一定程度上阻礙塑料光纖的變形； (2)清洗法，芯皮材采用溶劑清洗，清除殘余單體和低分子量副產(chǎn)物等； (3)選用玻璃化溫度高的芯皮材。 前兩種方法都是輔助方法，只有第三種方法才是最有效的方法。 2011-10-20 3、耐濕塑料光纖、耐濕塑料光纖 塑料光纖與無機光纖相比容易吸潮，而水能增強芯材聚合物CH的振動吸收，使光纖的損耗增大。將脂肪環(huán)、苯環(huán)和長鏈烷基引入芯材聚合物中，能提高塑料光纖的耐濕性.另外，

5、改善包層或增加包層數(shù)也可以改善塑料光纖的耐濕性。2011-10-20 4、熒光塑料光纖、熒光塑料光纖 熒光塑料光纖是在芯材中摻入一定量的熒光劑，其入射端面輸入特定波長的光，這種光為熒光劑所吸收，然后發(fā)出另一特定波長的光，由塑料光纖出射端面輸出。熒光塑料光纖可制成特殊的光纖傳感器，也可制作成功率放大器。2011-10-20 5、非線性塑料光纖、非線性塑料光纖 采用偶極性有機材料同芯材混合，用垂直機頭牽引擠出成型，并在靠近模頭處設(shè)置高強直流電場，這樣處于黏流態(tài)聚合物中的偶極性有機物獲得電場取向，隨著黏流態(tài)聚合物的冷卻成型，非 線性有機材料偶極取向固定，從而獲得非線性塑料光纖。這種非線性塑料光纖可制

6、作成電光及非線性光學器件，是一種新型的塑料光纖。2011-10-20塑料光纖的制備塑料光纖的制備 1、棒管法、棒管法 將光纖的芯材和鞘材分別制成嚴格匹配的棒和管，在加熱和抽真空情況下將兩者緊緊復合在一起拉制成絲。最常用的是界面凝膠共聚合法。2011-10-20 2、共擠法、共擠法 所謂共擠法工藝是在拉制塑料光纖過程中使用兩臺擠出機：一臺擠出芯材、另一臺擠出鞘材，兩臺擠出機通過同一模頭熔融擠出成型，再經(jīng)牽引收卷即拉制成塑料光纖。2011-10-20塑料光纖擠出機2011-10-20 3、涂覆法、涂覆法 涂覆法是將擠出的纖芯通過鞘料的溶液，將溶劑去除后，鞘層包覆于芯層而成光纖的方法。涂覆法工藝流程

7、圖2011-10-20 4、連續(xù)聚合紡絲法、連續(xù)聚合紡絲法 連續(xù)聚合紡絲法是目前最先進的光纖拉絲工藝，其先進性在于從單體聚合到紡絲成型全部在密封系統(tǒng)內(nèi)進行，大大減少了外界環(huán)境污染，從而使光纖的透光率得以大幅提高，其工藝流程如圖所示。2011-10-20連續(xù)聚合紡絲法工藝流程圖2011-10-20塑料光纖的特性塑料光纖的特性 1、光學特性、光學特性 塑料光纖是一種纖維狀長鏈分子，是用單體聚合而成，其密度均勻性較難達到，因而有較大的光學損耗。一般而言，塑料光纖的光吸收系數(shù)在0.0080.0018/cm之間，光損耗值在2002000dB/km之間。2011-10-20 2、機械性能、機械性能 塑料光

8、纖的柔韌性很好，1mm粗的塑料光纖，按曲率半徑為6mm作180彎曲100多次，對塑料光纖并無損害，透過率亦無變化。有實驗表明，塑料光纖曲率半徑大于塑料光纖直徑的3倍時，透過率仍無大的變化。2011-10-20 3、溫度性能、溫度性能 使用溫度一般小于100。當溫度低于-40時，塑料光纖將變硬、變脆。由于塑料光纖熔點低，因而玻璃光纖易老化 4、化學性能、化學性能 塑料光纖的化學穩(wěn)定性較差，在化學藥品（丙酮、醋酸乙酯或苯）的侵蝕下，易著色、變質(zhì)或老化，光學性能會受到很大影響。2011-10-20塑料光纖的優(yōu)缺點塑料光纖的優(yōu)缺點 1、優(yōu)點、優(yōu)點 塑料光纖與石英光纖相比，塑料光纖在高速短距離通信網(wǎng)絡(luò)中

9、具有顯著的競爭優(yōu)勢，特別在1001 000 m范圍內(nèi)帶寬可達數(shù)吉赫茲，而成本則與對應(yīng)電纜相當。同時塑料光纖具有加工容易、彎曲性能好、可以制成大芯徑(051 mm)、大數(shù)值孔(NA)(0305)的光纖，且可采用注塑連接器，其連接、分路簡單，操作簡便，價格相對便宜，形成了國際上一個新的研究開發(fā)熱點。據(jù)國際市場分析，塑料光纖將以每年20以上的速度增長，至201 0年，全世界塑料光纖的銷售額估計將高達數(shù)十億美元。 2011-10-20 2、缺點、缺點 塑料光纖的缺點主要是衰減大、頻帶窄、耐熱性差，為此各國研究人員仍在通過不懈的努力，不斷改善塑料光纖這些方面的不足，特別是把降低衰減、提高帶寬、提高耐熱性

10、及機械性能等作為研究的重點。2011-10-20 據(jù)報道，若用一種非晶聚四氟乙烯做纖芯和包層，則可使塑料光纖用于285的環(huán)境。由于塑料材料的楊氏模量比石英光纖小兩個數(shù)量級，因此其彎曲、拉伸性能要遠遠優(yōu)于石英光纖。另外，盡管塑料光纖的傳輸性能與機械性能有密切的關(guān)系，但如果塑料光纖在縱方向被拉長10，它的衰減增大程度小于0.1 dBkm。因此，塑料光纖有較好的延展性能，彎曲半徑也比較小，非常適合用于樓宇LAN(Local Area Network，通常為較小區(qū)域的網(wǎng)絡(luò))內(nèi)光纖到戶的安裝。2011-10-20塑料光纖的應(yīng)用塑料光纖的應(yīng)用 光纖傳感器光纖傳感器 光纖傳感器是依靠光在光纖中傳輸時受到被測

11、對象的影響使光的強度、波長、相位或頻率等參數(shù)發(fā)生改變，通過檢測接收光的各個參數(shù)來對被測量進行檢測或控制的一種傳感器。2011-10-20 具有光纖及光學測量的特點：具有光纖及光學測量的特點： 電絕緣性能好； 抗電磁干擾能力強； 非侵入性； 高靈敏度； 容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。2011-10-20塑料光纖傳感器塑料光纖傳感器 塑料光纖適應(yīng)狹小空間檢測，它具有高柔韌性，易彎曲，可以用在需要纏繞或往復運動的場所。塑料光纖的價格比較便宜，可進行現(xiàn)場截段；與石英光纖相比，塑料光纖對溫度的劇烈變化、化學藥品及溶液的影響比較敏感。2011-10-20 塑料光纖傳感器作為一種新興的光纖傳感器，除了具有

12、光纖傳感器的普遍優(yōu)點外，由于塑料光纖自身的特性，相比較石英光纖傳感器，還具有以下優(yōu)點優(yōu)點： 聚合物光纖芯徑大，一般可達0510 mm；數(shù)值孔徑大，NA為0305；與光源和接收器件的耦合效率高；端面處理簡易、連接簡便，可以使用廉價的注塑連接器，系統(tǒng)成本低。 聚合物材料的多樣性，容易修飾和摻雜有機材料。2011-10-20 與生物材料兼容，用于活體傳感安全性好。 材料的溫度和力學敏感性高，抗斷裂強度高和柔韌性好，可應(yīng)用于彎曲場合或粗糙環(huán)境。 塑料光纖傳感器包括溫度傳感器，壓力、位移傳感器，氣體、液體濃度傳感器，生物傳感器等，其中的許多傳感器在環(huán)境污染監(jiān)測中有著良好的應(yīng)用前景。2011-10-20

13、目前國外一些大的傳感器生產(chǎn)企業(yè)如基恩斯、邦納、OMRON、SUNX等公司和中國臺灣RIKO、WDOE公司都推出了塑料光纖傳感器，使用各種塑料光纖來達到他們的目的。例如邦納公司使用的塑料光纖是經(jīng)過Teflon封裝的塑料光纖，可用于高溫、腐蝕性等惡劣的工業(yè)環(huán)境，如半導體晶片加工、食品加工和商業(yè)洗滌等。高溫型可在環(huán)境溫度為-30125范圍內(nèi)使用。2011-10-20塑料光纖的應(yīng)用展望塑料光纖的應(yīng)用展望 塑料光纖作為短距離通信網(wǎng)絡(luò)的理想傳輸介質(zhì)，在未來的家庭智能化、辦公自動化、工控網(wǎng)絡(luò)化、車載機載通信網(wǎng)、軍事通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸中具有重要的地位。2011-10-20 通過塑料光纖，我們可實現(xiàn)智能家電（家用

14、PC、HDTV、電話、數(shù)字成象設(shè)備、家庭安全設(shè)備、空調(diào)、冰箱、音響系統(tǒng)、廚用電器等）的聯(lián)網(wǎng)，達到家庭自動化和遠程控制管理，提高生活質(zhì)量；通過塑料光纖，我們可實現(xiàn)辦公設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，如計算機聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)計算機并行處理，辦 公設(shè)備間數(shù)據(jù)的高速傳輸可大大提高工作效率，實現(xiàn)遠程辦公等。2011-10-202011-10-20 在低速局域網(wǎng)的數(shù) 據(jù) 速 率 小 于100Mbps時，100米范圍內(nèi)的傳輸用SI型塑料光纖即可實現(xiàn)；150Mbps，50米范圍內(nèi)的傳輸可用小數(shù)值孔徑塑料光纖實現(xiàn)。 2011-10-20POF實現(xiàn)局域網(wǎng)2011-10-20塑料光纖的家庭應(yīng)用2011-10-20 塑料光纖在制造工業(yè)中可得

15、到廣泛的應(yīng)用。通過轉(zhuǎn)換器，塑料光纖可以與RS232、RS422、100Mbps以太網(wǎng)、令牌網(wǎng)等標準協(xié)議接口相連，從而在惡劣的工業(yè)制造環(huán)境中提供穩(wěn)定、可靠的通信線路。能夠高速地傳輸工業(yè)控制信號和指令，避免因使用金屬電纜線路而受電磁干擾導致通信傳輸中斷的危險。 2011-10-20 在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，塑料光纖可用來制造一個特別的傳感器，安裝在車上，如不幸發(fā)生交通意外，可透過光纖的屈曲程度，測出車子的哪個部分撞到行人和撞擊力的大小，然后啟動引動器，以減輕對被撞行人的撞擊力，從而降低在交通意外中人的死亡率和受傷的程度。2011-10-202011-10-20 塑料光纖重量輕且耐用，可以將車載機通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)組成一個網(wǎng)絡(luò)，將微型計算機、衛(wèi)星導航設(shè)備、移動電話、傳真等外設(shè)納入機車整體設(shè)計中，旅客還可通過塑料光纖網(wǎng)絡(luò)在座位上享受音樂、電影、視頻游戲、購物、Internet等服務(wù)。2011-10-202011-10-20通信級塑料光纖2011-10-202011-10-20塑料光纖工藝品塑料光纖水晶吊燈2011-10-20吊燈塑料光纖多股照明塑料光纖裝飾2011-10-20 在軍事通信上，塑料光纖正在被開發(fā)用于高速傳輸大量的第三、保密信息，如利用塑料光纖重量輕、可繞性好、連接快捷，適用于