光纤端头涂覆层处理技术对出光效果的影响

张 龙，刘 颖，史玲娜，刘贞毅

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司交通与节能工程院，重庆 400067)

引言

随着我国公路隧道建设规模的扩大，隧道照明能耗问题日益突出，高昂的照明运营成本仍是公路隧道运营管理部门急需解决的问题[1]。太阳光光纤照明技术有望解决隧道照明高能耗问题，是隧道照明节能、绿色、安全的发展方向[2，3]。

隧道照明具有高光能需求的特点，采用光纤照明系统时，应采用耐高温的石英光纤，并在表面涂覆耐高温涂层以提高系统的可靠性和稳定性。目前缺乏对高光能收集下太阳光耦合对光纤端头涂覆层的影响，及其工艺改进方面的必要研究。本文在光纤照明系统用于隧道照明的前提下，研究系统耦合端光纤涂覆层的处理工艺，以期得到高光能收集下满足结构可靠性的端头工艺处理要求。

1 光纤照明系统

1)光纤照明系统的构成。光纤照明系统主要由采光器采光、光纤传输以及尾灯出射这三部分组成。太阳光被采光器汇聚于光纤耦合端头，并且在光纤中以全反射的方式传输，最后通过尾灯将光线照射到需要照明的区域，光在光纤照明系统传光过程如图1所示。

图1 光纤照明系统传光过程Fig.1 Light transmission process of solar optical fiber lighting system

2)石英光纤的构成。单根石英光纤一般由三层结构组成，如图2所示：内芯是高折射率纯石英纤芯，温度达到1 600 ℃时才会发生软化，耐热性好；中间层是低折射率硅玻璃包层保护内芯，熔点较高、质地柔软；最外层是树脂或金属涂覆层，减少光的损耗，根据不同材料，其耐高温性能也各不相同，根据最新研究成果，光纤上树脂涂覆层能在400 ℃左右条件下不发生分解，金属涂覆层能在高于400 ℃的条件下工作[4]。

图2 光纤构成Fig.2 Composition of optical fiber

3)太阳光耦合传输原理。光的传输原理如图3所示，在某个角度范围的入射光进入光纤后，在其内部发生全反射并最终从另一端出射[5]。

图3 光纤耦合传输原理Fig.3 Principle of optical fiber coupled transmission

为提高光纤照明系统的出光效果，就需要保证聚集于焦点处的光斑小于光纤直径，并且满足全反射条件，才能实现光束的理想耦合：耦合透镜的NA1和光纤的NA2匹配[6]。

NA1=NA2

(1)

(2)

(3)

其中NA为数值孔径，D为透镜通光孔径，f为透镜的焦距，n1、n2为光纤纤芯和包层的折射率。

本试验采用透镜直径为0.4 m，焦距为0.22 m，纤芯的折射率为1.7，树脂涂层的折射率为1.4，根据式(2)、式(3)，算出透镜的NA1为0.91，光纤的NA2为0.96，两者数值几乎相等，能够很好地耦合。

当实现光束的理想耦合时，经过采光器汇聚到耦合端的太阳光由于能量集中，温度非常高，此时的聚光效果如图4所示。可以看到，亮白色光斑汇聚在光纤耦合端面，在夏季晴天实测可达1 000 ℃左右。

图4 光纤耦合端头光斑Fig.4 Fiber coupling end spot

为验证耦合温度，利用式(4)、式(5)计算耦合温度：

(4)

(5)

其中：Q为经过光纤照明系统平均每小时接受的太阳辐射能，E0为当地平均年辐射总量，S为光纤照明系统采光面积，η1为耦合效率，d为一年的天数，h为一天的小时数，Δt为温差，c为比热容，m为光纤质量。根据文献[7]，取重庆地区平均年辐射总量为3 492 MJ·a/m2，单个采光器透镜的直径为0.4 m，假设系统耦合效率为0.9，n为光纤根数6。则每小时接受的太阳辐射能约为7 514 J。根据文献[8]，取光纤的比热容为1 092 J/(kg·K)，本系统采用的光缆为0.064 kg/m，则单根光纤重量约0.01 kg/m，则1 m单根光纤每小时就能升温约688 ℃。

因此，适用于光纤照明系统的光纤必须采用耐高温的石英光纤，同时为保证系统在高温下始终具有高效的耦合传输性能，对耦合头进行一定的散热设计，降低耦合端温度，该设计如图5所示。该耦合头中的透气孔能加速空气的对流，从而实现耦合头部位的热量与外界的快速交换，试验测试可使耦合端温度下降30%。

图5 具有散热功能的耦合头Fig.5 Coupling head with heat dissipation

除了对耦合端头进行散热设计能提高系统的稳定性，还可以对光纤端头进行处理看是否能提高系统的可靠性。

2 光纤端头涂覆层处理试验

根据光纤材料的特性进行端头涂覆层处理试验，实验围绕是否剥离涂覆层、剥离光纤方式以及剥离涂覆层长度展开。

2.1 有无涂覆层对出光效果的影响

1)试验设备。准备两根光纤，其中一根不做处理，另一根剥去一定长度涂覆层。为保证受光面和光纤端面垂直，将光纤端面用磨刀石进行平整打磨。

2)试验方法。将光纤装入图6所示的装置内，并且光纤端头和装置断面对齐。安装完毕后将本装置放入图4所示的采光器底端原先放置光缆的位置。

图6 光纤放置装置Fig.6 Optical fiber placement device

出光效果的测试采用照度计测量光纤尾端的出光照度。为保证测量的数据不受外界太阳光的影响，用3D打印机打印的黑色小盖子套在照度计检测器上，小盖子上仅留下一个可供光纤插入的小孔。

系统耦合光斑不在装置正中心将导致同一装置两根光纤测量照度差距很大。为了提高测量数据的可靠性，测量间隔要短，并且测完一根光纤数据后将装置转180°，这就相当于光纤的测量条件一致。

3)试验结果。得到的试验数据如图7所示。

图7 有无涂覆层照度实验Fig.7 Optical fiber with or without coating illuminance test

从图7看出，光纤在试验开始时不做处理的照度大，剥去涂覆层的照度损失为25%；随着时间的推移，剥去涂覆层和不做处理的光纤照度数值逐渐差别不大；等到试验结束，剥去涂覆层的照度比不做处理的照度大，照度增益为19%。

拆开光纤放置的光纤如图8所示，不做处理的光纤因为受到长时间耦合高温的影响，涂覆层表面发生碳化；而剥去涂覆层的光纤表面只是略微发黄；两根光纤纯石英纤芯没有变化。

图8 拆开光纤放置装置后光纤情况Fig.8 Optical fiber situation after dismantling placement Device

试验表明：试验开始时，由于剥去涂覆层的光纤数值孔径不能匹配透镜数值孔径，即不是所有光传输时都能发生全反射，导致进入光纤的进光量比不作处理的少，相应的照度低。随着试验的进行，光纤耦合端温度很高使不作处理光纤的涂覆层发生碳化，碳化后光纤涂覆层透光率低、光衰大，相当于耦合端受光面积减少；而剥去涂覆层光纤的涂覆层离耦合端距离较远，温度不是很高，所以表层只是略微发黄，出光效果和开始时差不多，最终导致剥去涂覆层的光纤出光效果优于不做处理的。

2.2 不同剥离方式对出光效果的影响

1)试验设备。准备光纤两根，其中一根剥去涂覆层，另一根剥去涂覆层及硅玻璃包层，只留下石英纤芯，光纤剥离长度一致。

2)试验方法。试验方法同2.1小节。

3)试验结果。得到试验数据如图9所示。

图9 光纤不同剥离方式照度实验Fig.9 Optical fiber of different stripping methods illuminance test

从图9可知：剥去涂覆层以及剥去涂覆层和硅玻璃包层的光纤从实验开始到实验结束，两者的照度变化不大。

拆开光纤放置装置的光纤如图10所示，两根光纤外表面都只是略微发光，并且外表没有明显差别。

图10 拆开光纤放置装置后光纤情况Fig.10 Optical fiber situation after dismantling placement Device

实验表明：剥去涂覆层以及剥去涂覆层和硅玻璃包层的光纤在试验中差别不大，应用于实际工程中效果一致。

2.3 不同剥离长度对出光效果的影响

1)试验设备。准备光纤三根，都只剥涂覆层，三根剥离长度分别为1 cm、2 cm、3 cm。

2)试验方法。试验方法同2.1小节，测量的时间统一为不同时间的下午3点。

3)试验结果。得到试验数据如图11所示。

图11 光纤不同剥离长度照度实验Fig.11 Optical fiber of different stripping length illuminance test

从图11可知，剥去不同长度涂覆层对出光效果是有影响的。试验开始时剥离长度越长、出光照度越低。随着试验的进行，剥2 cm涂覆层的光纤照度逐渐比剥1 cm的照度大。整个实验过程剥3 cm涂覆层的光纤照度始终三个中最低的。

拆开光纤放置装置如图12所示。随着剥离长度的增加，最外层颜色是逐渐变浅的，剥离涂覆层的光纤也没有出现2.1小节中所示的碳化现象。

图12 拆开光纤放置装置后光纤情况Fig.12 Optical fiber situation after dismantling placement Device

再剥1.5 cm和2.5 cm涂覆层长度的光纤，同样放置7天后测量照度读数如图13所示。

图13 不同剥离长度光纤照度值Fig.13 Illuminance of different stripping length

从图13可以看出，最终剥光纤涂覆层长度的出光效果有先增后减的趋势，本试验采用光纤剥2 cm长度涂覆层效果最佳。

实验表明：光纤剥离涂覆层长度与出光效果有关。试验开始时，由于数值孔径不匹配，剥离涂覆层越长，进入耦合端发生全反射的光也越少，导致出光效果越差。随着试验的进行，光纤耦合端温度很高，但由于剥去涂覆层的存在使其不像不做处理的光纤发生碳化，只是表面发黄。但这也会影响光纤的透光率，颜色越深、透光率越低、光衰越大，这和2.1小节的结论一样。但也并不是剥离长度越长，对出光效果的改善越好，这也是有限度的，随着剥离涂覆层长度的增加，耦合端进入光纤并发生全反射的光就少很多，导致出光照度一直较低。本试验所用光纤经试验测试用于工程时，建议剥离2 cm涂覆层使用以达到良好的出光效果。

2.4 透镜的优化设计

本文提及的光纤出光效果提升方案，是将光纤涂覆层进行剥离，因此光纤的数值孔径根据式(3)计算得出为1.375，相较于原设计方案有所增加，与原来透镜的数值孔径不匹配，这就导致耦合入光纤的太阳光不是100%在光纤内发生全反射。

为保证太阳光耦合端的效率，也需要对光纤照明系统的透镜进行重新设计。根据本文使用的光纤型号以及式(2)可重新算得与之匹配的最佳透镜的焦径比为0.364。

调研某透镜厂商现有透镜型号并根据本焦径比，列出推荐使用的透镜如表1所示。

表1 推荐使用透镜型号Table 1 Recommended lens model

3 总结

本文基于光纤照明系统，对光纤端头涂覆层进行不同的处理并得出如下结论：

1)剥去光纤端头一定长度涂覆层比不做处理的光纤出光效果好。

2)剥去光纤涂覆层和剥去涂覆层及硅玻璃包层的出光效果一致。

3)剥离一定长度的光纤涂覆层对出光效果有一定提升作用，但并不是无限提升的。

4)光纤剥离涂覆层后，透镜也需要根据光纤进行重新选择。

本次试验的不足之处有：

1)剥去光纤涂覆层的长度可以更加细化，可以精确到0.1 cm确定本类光纤最佳剥离长度。

2)本试验只采用一种光纤进行试验，类型太少，后期应找不同类型的光纤对其规律做进一步研究。

3)光纤剥离后应选择最佳焦径比的透镜进行实验而不是原有设计方案的透镜，下一步应该用采用最佳方案透镜进行论证试验。

综上，基于光纤照明系统进行光纤涂覆层试验对于实际隧道照明工程有一定的参考价值。建议根据光纤类型在安装光纤时将端头涂覆层剥去适当长度，这样能够提高光纤照明系统的出光效率，保证光纤照明系统长期使用的可靠性，同时还能减少系统运维管理的费用，降低隧道照明工程运营费用。