1 引 言
酸溶法光纤传像束是由数万根直径为10μm左右的单根光学纤维经相关紧密排列而制成的光学纤维成像器件。由于它具有高分辨率、长寿命和柔软性等独特的性能,因此在医疗、工业、国防和科研等领域有着广阔的应用前景。
在酸溶法光纤传像束的制作过程中,由于纤芯和包层玻璃的质量缺陷以及光纤的有效填充系数等方面的因素,使传像束的光透过率较低(不足40%),严重地影响了传像束的使用效果。
透过率(T)是表征纤维光学元件透光性能好坏的重要参数,被定义为光纤的输出光通量和输入光通量之比,即
式中:I是光纤的输出光通量;I0是光纤的输入光通量。
影响传像束光透过率的主要因素有:光纤的有效填充系数[5],即有效传光面积和端部总面积之比。如果端面光纤为紧密六角形排列,那么填充系数K为
式中:d为光纤纤芯直径;D为相邻光纤的中心距。相邻光纤的中心距包括光纤纤芯直径、包层厚度。由于酸溶法光纤传像束的单丝直径较细,通常为8~10μm,所以包层厚度对传像束的填充系数影响很大。
影响单根光纤光透过率的主要因素有:纤芯材料的吸收,纤芯和包层界面内壁上的全反射损失,光纤端面的菲涅耳反射损失等。所以单根光纤光透射率表达式为
式中:R为光纤端面的菲涅耳反射系数,是与光纤长度无关的数值;l为光纤长度;d为光纤纤芯直径;θ和&UPSilon;分别为光纤内入射光线与纤维中心轴的夹角和斜光线的倾角;α为纤芯与包层界面内壁上的全反射系数;β为光纤纤芯材料的光吸收系数。
由式(3)可知,在光纤材料和制作工艺等因素确定的情况下,光纤的光透过率将随着光纤纤芯直径的增大而增大,随着光纤长度的增加而减小。采用酸溶法工艺制作的光纤传像束,其单丝直径很细,纤芯直径更细,只有4~5μm,传像束的光透过率较低,不足40%,因此要想提高传像束的光透过率,在不增大其单丝直径的情况下,在传像束的两个端面加镀增透膜是比较理想的选择。
2 增透原理及镀膜实验
2.1 增透原理
增透膜就是在光学元件表面上镀透明介质薄膜,利用薄膜的干涉相消来减少反射光,增加光的透过率[1]。按照膜的层数不同分别有单层膜、两层膜和多层膜。当光线从折射率为n0的介质入射到折射率为ng的另一种介质上时,如果介质没有吸收,分界面是一光学表面,光线垂直入射,则反射率Rg为
对传像束使用的纤芯玻璃材料折射率ng=1·616来说,经计算其表面反射率Rg=5·54%。这种表面反射会产生两种后果:造成光能量的损失,使传像束的亮度降低;表面反射光经过由传像束组成的成像系统内部各光学元件表面多次反射而造成的杂散光,这部分光最后也会到达像面,造成成像系统的分辨率下降。而采用在传像束的表面加镀低折射率的均匀增透膜是克服这些缺点最有效的方法。镀膜后表面上的反射率为
式中:n0为入射介质的折射率;n1为膜层材料的折射率;ng为出射介质的折射率;d为膜层的几何厚度;λ为波长。
元件表面没有镀膜时的反射率由式(4)可知,所以n0≤n1≤ng的那些膜层都可以得到R≤Rg。从式(5)中还可以看到,当膜层满足n1= n0ng和2πnd/λ=π/2,3π/2,…,kπ/2(k =1,3,5…)两个条件时,反射率为零,即R =0。
当2πnd/λ= kπ/2时,nd= kλ/4。因此可以知道,理想的单层增透膜的条件是:膜层的光学厚度为参考波长的四分之一的整数倍,其折射率为入射介质折射率与出射率介质折射率乘积的平方根。从理论上来讲,当光线垂直入射时,只要满足两个条件,即可获得100%的透射光而不会发生反射。所制备的酸溶法光纤传像束的纤芯玻璃的折射率ng=1.616,空气折射率n0=1,由于主要是在可见光范围内使用,所以可见光的光谱λ= 400 ~760nm,这样便可求得27,取可见光波长的中间值λ=580nm,所求出的膜层厚度d =λ/(4n1) =114.17nm。只要在传像束的端面镀上厚度d=114.17nm,膜层材料的折射率n1=1.27的膜,即可使像束端面可见光的反射强度为零,从而达到100%的透射效果。但在实际中完全合适的镀膜材料并不容易获得,常用的氟化镁材料,其折射率为1.38,透射光的范围为0.21~10μm,是所有低折射率材料中最为牢固的材料,求得的反射率约为0.7%,已基本符合使用要求。
2.2 实验方案的设计
在光纤传像束的两个端面上镀膜可以采用气相沉积等方法制备薄膜,但由于酸溶法光纤传像束的端面较小、柔软和细长,所以采用这种方法就很困难。而溶胶-凝胶法虽然方便,但存在薄膜厚度不易控制等缺点[2]。可以把膜层镀到加热至300℃的基底上,然而由于光纤传像束的端头是用环氧树脂封装的,环氧树脂的耐温性很低,所以不能将其置于300℃镀膜的环境中。在这种情况下,采用离子辅助加工的方法可在冷基底上产生致密的膜。除了使所镀的膜致密、牢固外,离子枪还能在镀膜前把传像束的端面清洗干净,从而可提高光纤传像束端面与薄膜的附着力。
2.2.1 膜系设计
为了实现低反射率的膜层,在膜系设计中不需考虑镀膜材料的性质,镀膜材料的性质依赖于镀膜工艺过程所有的相关参数。这些参数包括基底温度、蒸发速率和镀膜室的压力。实验证明,用离子辅助处理,冷镀膜的折射率通常低于热镀膜的折射率。在大多数情况下,膜层折射率是非均匀的。但如果仔细操作,则可在光纤上连续镀制出均匀的窄带和宽带增透膜,如图1所示。从图1可以看出全氧化物宽带光纤的增透膜系设计曲线(实线)与其实际性能曲线(虚线)的比较,两者显示出了良好的一致性。
2.2.2 膜料的选择
膜料对膜层效果有决定性的影响。在膜料的选择上必须以确保它能在冷镀时形成稳定的膜层,除了理想的折射率外,每次镀膜时稳定的折射率、均匀的膜层、低吸收性、牢固性和稳定性等也都是非常重要的。MgF2是最常用的镀膜材料,MgF2在510nm波长时的折射率n=1.38,需要的膜厚d=92nm。因此在510nm波长时膜层有一个光学密度为1/4的波长。镀在加热到250~300℃的玻璃基底上的MgF2,不但牢固、稳定,并且相当方便,经济实用。但由于传像束的端头和外套之间是用环氧树脂封装的,而环氧树脂的耐温性较低,不能超过180℃,因此使用MgF2膜料可以采用离子冷镀的方法予以实现。Al2O3是最常用的中折射率物质,它的膜层从红外到紫外波段都有相当高的透过率,十分牢固、稳定,并且每次镀膜时有稳定的折射率。ZrO2是常用的高折射率物质,它的优点是从250~700nm有宽广的透过率,并且膜层牢固、稳定、抗磨性好。综上所述,出于对膜层的抗腐蚀性、硬度、经济性以及增透膜与光纤的粘结的牢固度等因素的考虑,选用了氟化镁、氧化铝和氧化锆作为酸溶法光纤传像束端面加镀增透膜使用的三层镀膜材料。
2.2.3 镀膜夹具的设计
实现酸溶法光纤传像束端面镀膜的另一个关键问题是在镀膜室中使用的固定光纤端头的工装卡具以及由它和封闭的圆筒组成的工装装置。在镀膜前必须先将光纤的端头固定在该工装卡具上,将光纤的其余部位缠绕成卷并固定在工装装置内保护好,使光纤处于无外力状态免得损坏光纤,图2为光纤的工装卡具示意图。
2.2.4 镀膜室的抽真空
为了实现在光纤端面上镀膜,必须严格控制镀膜室的抽真空速率。传像束的端头有粘结的金属套和塑料套管,即使在没有加热的情况下,镀膜室内仍然可能有逸出的气体,高速抽气可以除去离子枪不断送入镀膜室的电离气体。
在镀膜过程中如果镀膜室的压力太大,则离子枪的稳定性会很差。另外,较高的压力会使膜层出现多孔和不均匀,从而降低膜的折射率。如果膜层是多孔的,则会吸收空气中的湿气,除了使膜变软以外,其性能也会随之改变。
在镀膜过程中,对镀膜室温度的控制是非常重要的。由于传像束的端头是用环氧树脂封装的,并在其外面套有塑料外包层,在大多数情况下是不能置于高温环境中的,因此应将镀膜设备的温度控制器设定在35~55℃。
2.2.5 光纤束的准备
在镀膜前先将光纤传像束的端部固定在工装卡具上,将光纤的其余部位缠绕成卷并固定在工装装置内保护好,对光纤传像束的端面要进行粗化、敏化和活化处理[3],使镀层与光纤束的端面能很好的结合。施镀前对其端面要进行除油(40%NaOH)、水洗、敏化(10g/L SnCl2+25mL/L HCl)、活化(0.5g/L PbCl2+2.5mL HCl)和水洗[4],在整个过程完成之后,将其放入镀膜室,避免任何未经完全固化的环氧树脂进入镀膜室中。
2.3 光纤束的镀膜实验
镀膜之前要先打开镀膜设备的冷却系统,并对扩散泵进行预热一个小时,之后对蒸发室放气。打开真空室将装配好的光纤束以及装有三种镀膜材料的坩锅固定在真空室中并对其抽真空,抽真空的过程要先对真空室抽低真空,当真空度达到3Pa时开始对真空室抽高真空,同时还要使基片转动和对光纤束端面进行低温烘烤,待真空度达到10-2Pa以上时开始镀膜。
镀制前膜层控制仪要预热20min,枪灯丝也要预热30s。打开真流位移调节电位器,使光点位于坩锅的正中央,开始转动光纤夹具,缓慢调节操作盒上“束流”电位器,待蒸发膜料预熔出气完毕后,打开挡板开始蒸汽。第一层的材料蒸发完后换坩锅,接着镀下一层,直至第三层镀完。镀完后要对被镀光纤束进行一段时间的真空处理,然后对真空室放气,最后取出镀完增透膜的光纤束。
3 性能测试与分析
镀膜后的光纤束用640倍显微镜观察,膜结构致密、均匀、无针孔;在有效通光孔径内,膜层无裂纹、擦痕、点子、灰雾及色斑[42],三层膜的厚度为400nm。挑选了4根酸溶法光纤传像束,对其镀增透膜前后的光谱透过率进行了测试,测试结果见表1。
从表1可以看出,传像束在镀了增透膜以后,其透过率都有了明显的提高,最大的提高了7.38%,最低的提高了4.73%。
影响酸溶法光纤传像束镀膜效果的因素为:
(1)由于光纤传像束的两个端头是用环氧树脂封装的,硬化的环氧树脂在真空室中会逸出气体,这些气体大部分是从周围空气中吸附的水蒸汽,环氧树脂逸出的气体影响光纤端面薄膜的附着力、薄膜的致密度和沉积薄膜的折射率。
(2)通过对酸溶法光纤传像束端面加镀增透膜,使传像束的透过率有了明显的提高。由于采用了离子冷镀的方法,控制好离子枪轰击的时间非常重要,轰击的时间最好控制在20~30min,以便使膜层牢固。
4 结果与讨论
在传像束的两个端面加镀增透膜以后,使其透过率有了明显的提高,提高的幅度从4.73%到了7.38%,在镀膜过程中,要对温度、压力以及抽真空速率严格控制,只有这样才能达到理想的镀膜效果。
4.1 影响酸溶法光纤传像束透光性能的因素
(1)光纤入射和出射面的反射损失。当光线从空气射入纤芯时,并不是全部光束都能进到纤芯中,而是有一部分光会被反射掉,称其为费涅耳反射。这种费涅耳反射的大小随界面折射率而定。通常光纤一端的费涅耳反射约为4%,这个数值还将随光的入射角的变化而变化。因此为了减少光纤端面的反射损失,采取在光纤端面加镀增透膜的方法以提高光纤的透过率。
(2)纤芯和包层界面的缺陷引起的光漏损。捆扎因素是在光纤中用来决定有效透光面积百分数的重要参数,它等于纤芯面积与包层面积之比,相邻纤维之间最靠近之处的最小允许间隙大约是1/2入射光的波长大小,纤维再靠近就会产生相邻纤维之间的光漏损。很显然,纤芯越细必然会形成低的捆扎因素值,捆扎因素越低,透过率就越低,单纤维包层的厚度越厚,其透过率也越低,因此在保证光纤不产生光漏损的情况下,尽量提高其捆扎因素以提高光纤的透过率。
(3)纤芯玻璃的光吸收损耗。光纤内反射即使是全反射,其实际反射系数α也不等于1。这是由于纤芯和包层界面不是理想的光滑界面,而是有杂质,使光发生散射的缘故。有一部分光向包层透射,另一部分光返回纤芯,纤芯玻璃本身的吸收对光纤的光透过率影响很大,如纤芯玻璃中存在气泡、条纹、结石等都会降低光的透过率。特别是随着光纤长度的增加,光纤透过率也会明显下降。
4.2 改进措施
为提高酸溶法光纤传像束的透光性能,除了控制纤芯玻璃的光吸收损耗外,在保证光纤不产生光漏损的情况下,尽量提高其捆扎因素。此外,在光纤的端面加镀增透膜的方法是提高酸溶法光纤传像束光透过率的最有效的途径。因此开展酸溶法光纤传像束透光性能的研究,对光纤的实际应用具有重要的意义。
参考文献:
[1]宋晓舒.光纤镀膜面临的各种挑战[J].光电信息,2002,(7):25—26.
[2]余海湖,李小甫,许丕池.采用静电自组装技术在光纤上制备光学薄膜[J].光通信研究,2002,(3): 43—46.
[3]叶昶,叶虎年,吴巍.纳米级光纤探针的拉制与镀膜[J].华中理工大学学报,2000,(1):33—34.
[4]张国安,朱有兰,黄乐真.玻璃基体上电沉积NI-Co合金镀层的性能研究[J].材料保护, 2002, (8):37—39.
[5]刘德森.纤维光学[M].北京:北京出版社, 1987.
作者简介:于凤霞(1977-),女,吉林省人,长春理工大学材料科学与工程学院研究员,主要从事光学纤维方面的研究。
E-mail:yufx2005@163.com; fengxiayu2003@yahoo.com.cn
