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酸溶法光纤材料与传像束的制备及性能研究

作　者: 周德春
导　师: 于凤霞
学　校: 长春理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 纤维光学光纤传像束酸溶法分辨率性能评价
分类号: TN253
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

用酸溶法工艺制备的光纤传像束具有单丝直径细、柔软性好、分辨率高、数值孔径大、成像清晰等优点,是目前光电功能材料和纤维光学研究领域最具有活力的研究课题之一,其产品在各类高清晰光纤成像仪器和工业自动化检测等领域有着广阔的应用前景。本文从纤维光学的基本理论出发,运用几何光学方法探讨了光射线在光纤传像束中的传光、传像机理,结合二维积分抽样定理从理论上全面、系统的分析了光纤传像束及其离散成像的传输规律,依据光波导效应和光传输的全内反射条件,确定了酸溶法单丝纤维的三层同轴结构。深入研究了材料组成对光纤基质玻璃结构的影响,分析了组成变化对于基质玻璃网络结构的演变以及各种性能的变化缘由,系统研究了光纤基质玻璃的形成规律及其光学特性、热力学特性、化学稳定性等与化学组成的关系。采用高温熔融法制备了纤芯、包层和酸溶层玻璃材料样品。通过DSC、红外光谱等现代分析测试手段对光纤基质玻璃材料样品予以表征,同时对三种基质玻璃材料进行了匹配性设计,确定了满足物化性能要求的高质量纤芯、包层和酸溶层玻璃材料的配方,并制备出了满足拉丝要求的光纤玻璃棒管组合体材料。采用棒管法开展了单丝、复丝的拉制,确定最佳拉丝温度为580±0.2℃。拉丝实验表明,只有在拉丝炉内的温度波动范围小于0.2℃,且拉丝温度低于析晶上限温度40℃-50℃以上时,才能保证拉丝作业不受析晶及分相问题的影响,才能保证单丝纤维几何结构均匀完整。集束工艺是制备高分辨率光纤传像束的重要环节,在静态取样的条件下,正六角形序排列传像束的填充系数和极限分辨率均比正方形序排列传像束提高1.15倍,所以本次实验的排丝方式采用正六角形排列方法,以此提高传像束的分辨率。深入分析了叠片胶粘法和热熔法制备大截面光纤传像束的工艺要素,通过对两种工艺参数和方案的改进与创新,以复丝为作业单元,以直径8um的光纤单丝为传像单元,采用复丝直接层叠胶粘技术和热熔技术成功制备出了分辨率大于50.0lp/mm的不同截面光纤传像束。通过开展酸的种类、浓度、酸溶温度以及酸溶时间等量化关系研究,确定了最适合硬质光纤传像束酸溶的一系列工艺参数,在时间效应和温度效应的共同作用下,采用低浓度的混合酸溶液(HCl+HNO3),在酸溶温度为35℃-40℃时,酸溶速率最快,酸溶效果最好,这对于降低传像束的断丝率和交扰率,提高传像束的成像质量有较大作用。进一步研究了影响柔性光纤传像束传像质量的主要因素,重点分析了暗丝的成因以及暗丝的变化规律,提出了改善传像束质量的解决方法和有效措施,在此研究基础上对柔性光纤传像束进行了检测和性能评价。实验得到了单丝直径为8±0.01μm,分辨率为50.0lp/mm～57.5lp/mm,可见光透过率大于39.7%/m,数值孔径大于0.60的不同截面柔性光纤传像束。本文通过大量的实验研究和理论分析,确定了诸多提高传像束光学性能的有效方法,探索出了各工艺参数之间的最佳匹配关系,形成了一套完整的酸溶法光纤传像束制备工艺及其理论研究体系,这对光纤传像束的广泛应用以及产品的科技创新具有一定的指导意义。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
图目录  11-13
表目录  13-14
第一章绪论  14-21
  1.1 引言  14-15
  1.2 光纤传像技术的发展现状及未来发展趋势  15-19
    1.2.1 国内外光纤技术的发展概况  15-16
    1.2.2 国内外光纤传像技术的研究现状  16-17
    1.2.3 光纤传像束的应用及未来发展趋势  17-19
  1.3 论文的研究意义和主要研究内容  19-21
    1.3.1 论文研究的背景和意义  19
    1.3.2 论文的主要研究内容  19-21
第二章光纤及其传像束的基本传输理论  21-40
  2.1 光纤的结构与分类  21-24
    2.1.1 光纤的结构  21
    2.1.2 光纤的分类  21-24
  2.2 光纤波导的射线光学分析  24-32
    2.2.1 阶跃型光纤的导光原理  24-26
    2.2.2 阶跃型光纤的射线分析  26-28
    2.2.3 梯度型光纤的光射线理论  28-32
  2.3 光纤的传输损耗理论  32-36
    2.3.1 吸收损耗  33
    2.3.2 散射损耗  33-34
    2.3.3 辐射损耗  34-36
  2.4 光纤传像束的传像原理  36-39
  2.5 本章小结  39-40
第三章光纤及传像束的特性研究与分析  40-57
  3.1 传输特性  40-43
    3.1.1 光纤及传像束的衰减  40-41
    3.1.2 光纤及传像束的色散  41-43
  3.2 物理特性  43-49
    3.2.1 力学性能  43-46
    3.2.2 热学性能  46-49
    3.2.3 电绝缘性能和耐辐射性能  49
  3.3 化学特性  49-55
    3.3.1 耐水性  50-52
    3.3.2 耐酸性和耐碱性  52-53
    3.3.3 光纤玻璃成分变化对化学稳定性的影响研究  53-55
  3.4 光学特性  55-56
  3.5 几何特性  56
  3.6 本章小结  56-57
第四章酸溶法光纤材料的研究与制备工艺实验  57-76
  4.1 酸溶法光纤玻璃材料的匹配性研究  57-61
    4.1.1 光学性能的匹配  57-59
    4.1.2 热学性能的匹配  59-60
    4.1.3 化学稳定·性匹配  60-61
  4.2 酸溶法光纤玻璃材料的配方设计  61-63
    4.2.1 酸溶法光纤玻璃成分设计原理  61-62
    4.2.2 酸溶法光纤玻璃材料的配方设计  62-63
  4.3 光纤玻璃材料的制备工艺实验  63-65
    4.3.1 纤芯玻璃棒的制备  63-64
    4.3.2 包层玻璃管的制备  64-65
    4.3.3 酸溶玻璃管的制备  65
  4.4 光纤玻璃材料的性能测试与分析  65-75
    4.4.1 测试样品的制备  65
    4.4.2 光纤玻璃材料的性能测试  65-66
    4.4.3 纤芯玻璃材料的性能与分析  66-69
    4.4.4 包层玻璃材料的性能与分析  69-72
    4.4.5 酸溶玻璃材料的性能与分析  72-74
    4.4.6 光纤玻璃材料的拟合匹配验证  74-75
  4.5 本章小结  75-76
第五章酸溶法光纤传像束的制备与研究  76-95
  5.1 酸溶法光纤传像束制备工艺概述  76-77
  5.2 小截面光纤传像束的制备工艺实验  77-84
    5.2.1 单丝拉制  77-79
    5.2.2 排丝工艺实验  79-82
    5.2.3 复丝的拉制及影响因素分析  82-84
  5.3 大截面光纤传像束的制备工艺实验  84-88
    5.3.1 叠片胶粘法工艺实验  85-86
    5.3.2 热熔法工艺实验  86-88
  5.4 酸溶工艺实验  88-91
    5.4.1 酸溶机理  88-89
    5.4.2 酸溶实验  89-91
  5.5 端部强化及光学冷加工实验  91-93
    5.5.1 端部强化  91-92
    5.5.2 传像束的端面冷加工实验  92-93
  5.6 本章小结  93-95
第六章传像束主要性能指标的检测与评价  95-117
  6.1 传像束分辨率的检测与评价  95-100
    6.1.1 传像束分辨率的检测实验  95-97
    6.1.2 结果分析与讨论  97-100
  6.2 传像束数值孔径的测试与分析  100-102
    6.2.1 数值孔径的测量实验  100-101
    6.2.2 结果分析与讨论  101-102
  6.3 透过率的测试与分析  102-107
    6.3.1 透过率的测量实验  102-103
    6.3.2 透过率的测量实验结果与讨论  103-104
    6.3.3 影响透过率的因素分析与理论验证  104-107
  6.4 光纤结构参数的检测与评价  107-109
    6.4.1 光纤几何结构参数的检测与评价  107-108
    6.4.2 光纤折射率分布的测量与评价  108-109
  6.5 光纤传像束交扰率和断丝率的测量与分析  109-112
    6.5.1 传像束的交扰率及其测量  109-110
    6.5.2 传像束的断丝率及其测量  110-111
    6.5.3 实验结果与讨论  111-112
  6.6 暗丝的成因分析与讨论  112-116
    6.6.1 暗丝的形态及成因分析  112-114
    6.6.2 暗丝的变化规律研究  114-115
    6.6.3 暗丝的检测结果与讨论  115-116
  6.7 本章小结  116-117
第七章结论与展望  117-119
  7.1 主要结论  117-118
  7.2 创新点  118
  7.3 研究展望  118-119
致谢  119-120
参考文献  120-125
附录一: 作者简介  125-126
附录二: 攻读博士学位期间所参与的科研项目  126-127
附录三: 攻读博士学位期间发表的论文情况  127-128
附录四: 论文获奖情况  128

酸溶法光纤材料与传像束的制备及性能研究

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