空心光波导的光能量传输特性及应用
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太阳能 (大部分处于可见光波段 ) 资源丰富、 廉价、清洁、分布广泛、取之不尽, 用之不竭, 是人 类未来的主要能源, 是世界未来的希望。随着世界 人囗数量的迅速增长, 自然资源极度耗竭, 环境条 件日益恶化, 国际社会越来越关注太阳能利用技 术的研究和发展。近几十年来, 太阳能资源利用技 术已经获得了长足发展。但是, 由于太阳能资源固 有的低密度性和间歇性, 太阳能的广泛应用一直 受到很大制约, 迄今仍无法在社会能源消费结构 中占据主要位置。提高太阳能的能量密度, 克服其 间歇性的一条有效途径是: 首先将太阳能汇集起 来, 然后再将浓缩后的太阳能传输到需要直接利 用太阳能的工农业生产和家庭生活中。截止目前, 国内外已有利用硅系实心光纤传输太 阳能的报 道 [4 ] [5 ], 但传输的能量密度非常小, 传输功率也不 高, 且由于实心光纤固有的特点, 所以用实心光纤 传输高密度大功率太阳能的希望不大, 只有空心 光波导才有可能成为传输高密度大功率太阳能的 首选器件。
图 2 两种突变型光纤截面上的功率分布 F ig. 2 P ow e r d istr ibu tio n o f tw o -ty pe ho llow -co re
w av egu ides
所传输的能量有相当一部分是通过光纤包层传输 的, 光纤的能量损耗中, 有相当一部分是反射引起 的, 并直接损耗在包层中。对于图 2( b) 所示的结 构, 包层的折射率 n1 很小, 满足 Δn= n0 - n1 ≈ 1, 进入光纤包层的能量衰减很快, 所以通过包层传 输的能量 P包层 很少, T包层 对 T总 的贡献几乎可以忽 略, 能量损耗主要发生在纤心内。
( 5)
当空 心光波 导中传 输 EH lm 模式 的电磁 波
(光波 ) 时, 其衰减系数为 [2 ]
Tlm =
1 2
U lm c
2
λ2 a3
R
e(
v
)
( 6)
式 ( 6) 中 λ为传 播光波 波长, U lm 为 Bessel函 数
J l- 1 (U lm ) = 0的根, v = (X1+ 1) / [ 2(X1 - 1) 1 /2 ]。
P心、P包层 分别是光纤纤心和包层的传输功率, P总
= P心 + P包层。一般情况下, P包层 /P总 并非足够小,
所以包层损耗不能被忽略。
图 2所示是两种突变型光纤,Hale Waihona Puke Baidu图中 n0 是光纤
纤心的折射 率, n1 是光纤包层 的折射率。对于图
2( a ) 所示的结构, 只要 Δn = n0 - n1 1, 则光纤
· 22·
云南师范大学学报 (自然科学版 ) 第 23卷
4 空心光波导传输太阳能的可能性
研制空心光波导的主要目的是将其用大功率 光能量传输, 或许是出于经济利益方面的原因, 截 止目前, 人们的主要研究工作几乎仅限于红外波 段的光能量传输, 尤其是大功率 CO 2激光传输, 对 适合于其它波段大功率光能量传输的空心光波导 研究甚少, 尚未见报道。
立。空气的折射率 n0= 1, 要使图 3中的光线在分
界面处具有尽可能大的反射系数 R (即包层的损
耗很小 ), 必须使用 nr 尽可能小的包层材料。
3 空心光波导的研制及应用
2 空心光波导的光能量传输损耗
对于突变型光纤, 其能量衰减常数为
T总 =
T心
P P
心 总
+
T包层
P 包层 P总
( 7)
式中 T心 、T包层 是光纤纤心和包层的能量衰减系数,
第202033卷年第5月 3 期
Jou rna l
云南师范大学学报 o f Y unnan N o rm a l U
nive rs ity
Vo M
.l 23 N o. ay 2003
3
空心光波导的光能量传输特性及应用
解福瑶 1, 叶 军 2, 施 锋3
( 1. 云南师范大学物理与电子信息学院, 云南 昆明 650092; 2. 德宏州芒市中学, 云南 潞西 678400; 3. 云南师范大学太阳能研究所, 云南 昆明 650092)
摘 要: 文章从光 波电磁理论出发, 简述空心光波 导的光能量传输原 理, 从理论 上分析空心 光波导的 光能 量传输损耗 问题, 概述空心光 波导的研 制现状, 探寻有效 解决高密度 大功率 太阳能 传输的 有效途 径, 为太阳能的低损耗传输和有效利用提供理论支持。 关 键 词: 空心光波导; 传输特性; 传输损耗; 太阳 能 中图分类号: T K 51 文献标识码: A 文章编号: 1007- 9793( 2003) 03- 0020- 03
题, 为大功率光能量传输开辟了一条新的途径, 引 起国际上的广泛重视, 空心光波导结构研究、传输 特性研究、应用研究相继成为众多科学家关注的 热点问题。
1 空心光波导的电磁波传输 理论
图 1所示是一般空心光波导的截面示意图, 图中 n0 是纤心 (空气 ) 的折射率, n1 ( n1 = nr - ik,
收稿日期: 2002- 10- 14 † 基金项目: 云南省自然科学基金资助项目 ( 1999A 0043M ) 作者简介: 解福瑶 ( 1955- ), 男, 云南省河口县人, 副教授, 主要从事电磁场理论的教学和研究.
第 3期 解福瑶等: 空心光波导的光能量传输特性及应用
k
2 1
=
V2 +
k2_ 0X1。
利用 r = a 处的电磁场边界条件确定待定常
数 A n、Bn、Cn、D n, 将导致如下本征值方程
_ 0J ′n ( k0 a) k0J n ( k0a )
-
_
0H
′[ 2] n
( k1 a )
k1H n [ 2] ( k1 a)
×
X0J ′n ( k0a ) k 0J n ( k0a )
H z 1 = D nH n [2 ] ( k1 r ) sin(nh+ h0 )e-Vz ( r ≥ a )
( 2)
图 1 空心光波导截面示意图
F ig. 1 C ro ss-sec tio n o f ho llow co re w av egu ide
式中 A n、B n、Cn、D n 是待定系数, k0 2= V2 + k2_ 0X0,
R=
[ ( nr - n0 ) 2 + k 2 ] [ ( nr + n0 ) 2 + k 2 ]
( 8)
由式 ( 8) 可以看出, 当 nr → 0时, R → 1, 且几乎与
k 无关。实际上, 既使是非垂直入射, 当入射角 θ>
θT = sin- 1 ( nr ) 时 (θT 为全反射角 ), 式 ( 8) 仍然成
图 3所示是一般空心光波导结构示意图。当 光线垂直入射 (θ= 0) 时, 其反射系数为 [ 1]
图 3 空心光波导结构 F ig. 3 S tru ctu re o f ho llow -co re w aveg uide
在半导体和电介质材料中存在着对入射辐射 的吸收和色散, 在吸收峰的高频端总存在着复折 射指数 n = nr - ik 的实部 nr < 1的反常色散区 (如图 4所示 ), 例如纯 S iO 2 玻璃在波长 7. 86_m 处具有 nr = 0. 54(全 反射 角 θT = sin- 1 ( nr ) = 32°40′)、 k = 0. 14、 损耗 系数 T= 0. 078dB /m; A l2O 3 晶体在波长 10. 6_m 处具有 nr = 0. 67(全反 射角 θT = sin- 1 ( nr ) = 42°10′)、 k = 0. 136、损耗系 数 T= 0. 17dB /m; S iC 材料的 nr = 0. 2(全反射角 θT = sin- 1 ( nr ) = 11°40′)、 k = 1. 13、损耗系数 T = 0. 35dB /m 。对于金属材料, 在波长 10. 6_m 处, 铝的 nr = 20. 5、 k = 58. 6; 金的 nr = 11. 5、 k = 67. 5; 银的 nr = 5、k = 75, 都不具有在波长 10. 6_m 处 nr < 1的特性, 所以用于传输高功率 CO 2 激光 (波长 10. 6_m ) 的金属空心波导, 其内壁必 须镀膜 (氧化物薄膜 )。亦即, 由某种材料做成的空 心光波导, 往往仅对某一特定波长的光具有最低 能量传输损耗, 对于其它波长的光其传输损耗有 可能会很大。
· 21·
对于一个内径为 0. 1mm, 长度 1m 的空心波导, 分 别代入二氧化硅、金和银材料的折射系数 ( nr ) 和 消 光系数 ( k ), 可求出介质和金属波导的透过率。 不计波导的耦合损耗, 对于 λ= 633nm 的光波, 透 过率的理论值为: 玻璃介质波导 0. 25, 银壁金属 波导 0. 966, 金壁金属波导 0. 918, 由此可见, 中空 金属波导在透光性能方面大大优于中 空介质波 导。基于式 ( 6) 文献 [ 2 ] 研制了一种高品质空心金 属光波导, 并对其传输特性进行了详尽的实验研 究。
新材料开发研究是 21世纪的高技术研究领 域, 随着研究工作的不断深入, 研究开发出满足 nr
→ 0的新材料, 在不远的将来必将变为现实, 利用 空心光波导实现高密度大功率太阳能的低损耗远 距离传输也必将成为不争的事实。
5 结束语
空 心光波导问世以前, 对于大功率光能量传 输, 通常都是采用大量镜面、移动工作台或移动操 作目标的方法将光束传输到目的地的。空心光波 导的研制成功, 解决了以往大功率光束传输中的 诸多难点问题和不利因素, 使得激光系统的操作 (如大功率医用激光 ) 和维护更加安全便利。随着 新材料的不断开发研究, 适合于不同传输要求的 低损耗、高品质空心光波导器件必将应运而生, 高 密度大功率太阳能的远距离传输也将成为一件易 事。
普通实心光纤由于仅在几个窗口附近有较小 的能量损耗, 且在高密度能量作用下, 光纤温度升 高, 出现 光纤热点损耗、输入输出端被 烧蚀等现 象。为解决这些问题, 必须降低光纤材料的本征损 耗, 处理光纤端面和内部的结构缺陷, 提高材料的 均匀性, 研制低损耗的光纤包层材料等等, 而这些 工作又都是十分困难的。 1981年, H idaka[ 1]等人 提出用具有 nr< 1的氧化物玻璃做成空心光纤, 解决上述实心光纤光能量传输中存在 的诸多问
参 考 文 献:
[ 1 ] T. H idaka, e t al. H o llow - co re o x ide - g lass c ladd ing o pt ica l fiber s fo r m idd le- infr ared reg ion [J ]. J. A pp.l P hy s. , 1981, 52( 7): 4467- 4471.
i= - 1) 是波导包层的折射率。由 H e lm ho lt z
波动方程可得, 其所导引的电磁波为
Ez 0=
A n J n (k 0r ) co s( nh+
h0 )
-
e
Vz
H z 0 = B nJ n ( k0 r ) sin(nh+ h0 )e-Vz ( r ≤ a )
( 1)
Ez 1 = CnH n [2 ] ( k1 r ) co s(nh+ h0 )e- Vz
-
X1H ′n [2 ] ( k1 a) k1H n [2 ] ( k1a )
= -
nV 2 ka
1
k
2 0
-
1 k1 2
2
( 3)
在具有损耗的包层介质中, 复折射率 n1 = nr
- ik 与复介电常数 X1 = X′1 - iX″1 间的关系为
n1 = X1 /X0
( 4)
或 X′1 = nr 2 - k2, X″1 = 2nr k
图 4 折射率 nr、消光系数 k 随频率的变化关系 F ig. 4 Com p lex ref r ac tive index n = nr - ik
空心光波导是人们为降低光能量的传输损耗 而 提出来的, 所以空心光波导的损耗系数 T是最 重要的指标参数之一。基于此, 人们提出了各种结 构形式的空心光波导, 对于圆形电介质包层金属 空心光波导是目前较为成熟的适用于红外波段的 大功率光能量传输波导, 对此, 文献 [ 3 ] 对其制作 方法、应用现状进行了较详细的综述分析。
图 2 两种突变型光纤截面上的功率分布 F ig. 2 P ow e r d istr ibu tio n o f tw o -ty pe ho llow -co re
w av egu ides
所传输的能量有相当一部分是通过光纤包层传输 的, 光纤的能量损耗中, 有相当一部分是反射引起 的, 并直接损耗在包层中。对于图 2( b) 所示的结 构, 包层的折射率 n1 很小, 满足 Δn= n0 - n1 ≈ 1, 进入光纤包层的能量衰减很快, 所以通过包层传 输的能量 P包层 很少, T包层 对 T总 的贡献几乎可以忽 略, 能量损耗主要发生在纤心内。
( 5)
当空 心光波 导中传 输 EH lm 模式 的电磁 波
(光波 ) 时, 其衰减系数为 [2 ]
Tlm =
1 2
U lm c
2
λ2 a3
R
e(
v
)
( 6)
式 ( 6) 中 λ为传 播光波 波长, U lm 为 Bessel函 数
J l- 1 (U lm ) = 0的根, v = (X1+ 1) / [ 2(X1 - 1) 1 /2 ]。
P心、P包层 分别是光纤纤心和包层的传输功率, P总
= P心 + P包层。一般情况下, P包层 /P总 并非足够小,
所以包层损耗不能被忽略。
图 2所示是两种突变型光纤,Hale Waihona Puke Baidu图中 n0 是光纤
纤心的折射 率, n1 是光纤包层 的折射率。对于图
2( a ) 所示的结构, 只要 Δn = n0 - n1 1, 则光纤
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4 空心光波导传输太阳能的可能性
研制空心光波导的主要目的是将其用大功率 光能量传输, 或许是出于经济利益方面的原因, 截 止目前, 人们的主要研究工作几乎仅限于红外波 段的光能量传输, 尤其是大功率 CO 2激光传输, 对 适合于其它波段大功率光能量传输的空心光波导 研究甚少, 尚未见报道。
立。空气的折射率 n0= 1, 要使图 3中的光线在分
界面处具有尽可能大的反射系数 R (即包层的损
耗很小 ), 必须使用 nr 尽可能小的包层材料。
3 空心光波导的研制及应用
2 空心光波导的光能量传输损耗
对于突变型光纤, 其能量衰减常数为
T总 =
T心
P P
心 总
+
T包层
P 包层 P总
( 7)
式中 T心 、T包层 是光纤纤心和包层的能量衰减系数,
第202033卷年第5月 3 期
Jou rna l
云南师范大学学报 o f Y unnan N o rm a l U
nive rs ity
Vo M
.l 23 N o. ay 2003
3
空心光波导的光能量传输特性及应用
解福瑶 1, 叶 军 2, 施 锋3
( 1. 云南师范大学物理与电子信息学院, 云南 昆明 650092; 2. 德宏州芒市中学, 云南 潞西 678400; 3. 云南师范大学太阳能研究所, 云南 昆明 650092)
摘 要: 文章从光 波电磁理论出发, 简述空心光波 导的光能量传输原 理, 从理论 上分析空心 光波导的 光能 量传输损耗 问题, 概述空心光 波导的研 制现状, 探寻有效 解决高密度 大功率 太阳能 传输的 有效途 径, 为太阳能的低损耗传输和有效利用提供理论支持。 关 键 词: 空心光波导; 传输特性; 传输损耗; 太阳 能 中图分类号: T K 51 文献标识码: A 文章编号: 1007- 9793( 2003) 03- 0020- 03
题, 为大功率光能量传输开辟了一条新的途径, 引 起国际上的广泛重视, 空心光波导结构研究、传输 特性研究、应用研究相继成为众多科学家关注的 热点问题。
1 空心光波导的电磁波传输 理论
图 1所示是一般空心光波导的截面示意图, 图中 n0 是纤心 (空气 ) 的折射率, n1 ( n1 = nr - ik,
收稿日期: 2002- 10- 14 † 基金项目: 云南省自然科学基金资助项目 ( 1999A 0043M ) 作者简介: 解福瑶 ( 1955- ), 男, 云南省河口县人, 副教授, 主要从事电磁场理论的教学和研究.
第 3期 解福瑶等: 空心光波导的光能量传输特性及应用
k
2 1
=
V2 +
k2_ 0X1。
利用 r = a 处的电磁场边界条件确定待定常
数 A n、Bn、Cn、D n, 将导致如下本征值方程
_ 0J ′n ( k0 a) k0J n ( k0a )
-
_
0H
′[ 2] n
( k1 a )
k1H n [ 2] ( k1 a)
×
X0J ′n ( k0a ) k 0J n ( k0a )
H z 1 = D nH n [2 ] ( k1 r ) sin(nh+ h0 )e-Vz ( r ≥ a )
( 2)
图 1 空心光波导截面示意图
F ig. 1 C ro ss-sec tio n o f ho llow co re w av egu ide
式中 A n、B n、Cn、D n 是待定系数, k0 2= V2 + k2_ 0X0,
R=
[ ( nr - n0 ) 2 + k 2 ] [ ( nr + n0 ) 2 + k 2 ]
( 8)
由式 ( 8) 可以看出, 当 nr → 0时, R → 1, 且几乎与
k 无关。实际上, 既使是非垂直入射, 当入射角 θ>
θT = sin- 1 ( nr ) 时 (θT 为全反射角 ), 式 ( 8) 仍然成
图 3所示是一般空心光波导结构示意图。当 光线垂直入射 (θ= 0) 时, 其反射系数为 [ 1]
图 3 空心光波导结构 F ig. 3 S tru ctu re o f ho llow -co re w aveg uide
在半导体和电介质材料中存在着对入射辐射 的吸收和色散, 在吸收峰的高频端总存在着复折 射指数 n = nr - ik 的实部 nr < 1的反常色散区 (如图 4所示 ), 例如纯 S iO 2 玻璃在波长 7. 86_m 处具有 nr = 0. 54(全 反射 角 θT = sin- 1 ( nr ) = 32°40′)、 k = 0. 14、 损耗 系数 T= 0. 078dB /m; A l2O 3 晶体在波长 10. 6_m 处具有 nr = 0. 67(全反 射角 θT = sin- 1 ( nr ) = 42°10′)、 k = 0. 136、损耗系 数 T= 0. 17dB /m; S iC 材料的 nr = 0. 2(全反射角 θT = sin- 1 ( nr ) = 11°40′)、 k = 1. 13、损耗系数 T = 0. 35dB /m 。对于金属材料, 在波长 10. 6_m 处, 铝的 nr = 20. 5、 k = 58. 6; 金的 nr = 11. 5、 k = 67. 5; 银的 nr = 5、k = 75, 都不具有在波长 10. 6_m 处 nr < 1的特性, 所以用于传输高功率 CO 2 激光 (波长 10. 6_m ) 的金属空心波导, 其内壁必 须镀膜 (氧化物薄膜 )。亦即, 由某种材料做成的空 心光波导, 往往仅对某一特定波长的光具有最低 能量传输损耗, 对于其它波长的光其传输损耗有 可能会很大。
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对于一个内径为 0. 1mm, 长度 1m 的空心波导, 分 别代入二氧化硅、金和银材料的折射系数 ( nr ) 和 消 光系数 ( k ), 可求出介质和金属波导的透过率。 不计波导的耦合损耗, 对于 λ= 633nm 的光波, 透 过率的理论值为: 玻璃介质波导 0. 25, 银壁金属 波导 0. 966, 金壁金属波导 0. 918, 由此可见, 中空 金属波导在透光性能方面大大优于中 空介质波 导。基于式 ( 6) 文献 [ 2 ] 研制了一种高品质空心金 属光波导, 并对其传输特性进行了详尽的实验研 究。
新材料开发研究是 21世纪的高技术研究领 域, 随着研究工作的不断深入, 研究开发出满足 nr
→ 0的新材料, 在不远的将来必将变为现实, 利用 空心光波导实现高密度大功率太阳能的低损耗远 距离传输也必将成为不争的事实。
5 结束语
空 心光波导问世以前, 对于大功率光能量传 输, 通常都是采用大量镜面、移动工作台或移动操 作目标的方法将光束传输到目的地的。空心光波 导的研制成功, 解决了以往大功率光束传输中的 诸多难点问题和不利因素, 使得激光系统的操作 (如大功率医用激光 ) 和维护更加安全便利。随着 新材料的不断开发研究, 适合于不同传输要求的 低损耗、高品质空心光波导器件必将应运而生, 高 密度大功率太阳能的远距离传输也将成为一件易 事。
普通实心光纤由于仅在几个窗口附近有较小 的能量损耗, 且在高密度能量作用下, 光纤温度升 高, 出现 光纤热点损耗、输入输出端被 烧蚀等现 象。为解决这些问题, 必须降低光纤材料的本征损 耗, 处理光纤端面和内部的结构缺陷, 提高材料的 均匀性, 研制低损耗的光纤包层材料等等, 而这些 工作又都是十分困难的。 1981年, H idaka[ 1]等人 提出用具有 nr< 1的氧化物玻璃做成空心光纤, 解决上述实心光纤光能量传输中存在 的诸多问
参 考 文 献:
[ 1 ] T. H idaka, e t al. H o llow - co re o x ide - g lass c ladd ing o pt ica l fiber s fo r m idd le- infr ared reg ion [J ]. J. A pp.l P hy s. , 1981, 52( 7): 4467- 4471.
i= - 1) 是波导包层的折射率。由 H e lm ho lt z
波动方程可得, 其所导引的电磁波为
Ez 0=
A n J n (k 0r ) co s( nh+
h0 )
-
e
Vz
H z 0 = B nJ n ( k0 r ) sin(nh+ h0 )e-Vz ( r ≤ a )
( 1)
Ez 1 = CnH n [2 ] ( k1 r ) co s(nh+ h0 )e- Vz
-
X1H ′n [2 ] ( k1 a) k1H n [2 ] ( k1a )
= -
nV 2 ka
1
k
2 0
-
1 k1 2
2
( 3)
在具有损耗的包层介质中, 复折射率 n1 = nr
- ik 与复介电常数 X1 = X′1 - iX″1 间的关系为
n1 = X1 /X0
( 4)
或 X′1 = nr 2 - k2, X″1 = 2nr k
图 4 折射率 nr、消光系数 k 随频率的变化关系 F ig. 4 Com p lex ref r ac tive index n = nr - ik
空心光波导是人们为降低光能量的传输损耗 而 提出来的, 所以空心光波导的损耗系数 T是最 重要的指标参数之一。基于此, 人们提出了各种结 构形式的空心光波导, 对于圆形电介质包层金属 空心光波导是目前较为成熟的适用于红外波段的 大功率光能量传输波导, 对此, 文献 [ 3 ] 对其制作 方法、应用现状进行了较详细的综述分析。