光纖照明光源發(fā)生器的設(shè)計與制作

陳家鳳，龔蘭英

(中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，武漢 430074)

光纖照明是一項全新的高科技綠色照明技術(shù)，由于其光電分離、易于維修、柔韌性好、使用壽命長、裝飾性強等特點，已廣泛用于室內(nèi)裝飾、汽車照明、水景照明、游泳池、易燃易爆場合、景觀設(shè)計、建筑及商業(yè)照明等領(lǐng)域[1-3].當(dāng)然，理想的光纖照明光源應(yīng)是發(fā)光面積小而光通量輸出卻很高的光源.目前光纖照明光源主要有：鹵鎢燈、金屬鹵化物燈、LED等，每種光源都有不同的特性，要根據(jù)實際情況進行選擇.鹵鎢燈由于功耗及排污量較大，因此其應(yīng)用受到一定的限制；金屬鹵化物燈是一種充有金屬鹵化物的高壓汞放電燈，具有光效高、亮度高、光色好、壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定等特點，是一種非常理想的高效節(jié)能光源，應(yīng)用前景十分廣闊，必將成為綠色照明的主力軍[4]；LED光源具有溫度低、功耗低、亮度高、體積小等特點，已成為100W以下的理想光源，但目前LED與照明光纖的耦合效率不高[5].因此，從節(jié)能環(huán)保的角度考慮，本文采用金屬鹵化物燈作光源，給出了金屬鹵化物發(fā)光管的結(jié)構(gòu)及制作工藝，同時，光纖照明光源發(fā)生器中光學(xué)界面的形狀、反光鏡鍍膜材料的選取及膜系結(jié)構(gòu)都是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵.采用每層光學(xué)厚度均為λ/4的高、低折射率交替的介質(zhì)周期膜系對反射聚光器進行鍍膜，能獲得某一波段的高反射[6-8]，但為實現(xiàn)在可見光區(qū)域內(nèi)高反射，對紅外光高透射，本文采用3個不同中心波長的λ/4膜堆疊加而成的膜系結(jié)構(gòu)，即采用25層的G/(H1L1)4(H2L2)4(H3L3)4H/A的多層硅鈦介質(zhì)膜系，H、L分別代表高(TiO2)、低(SiO2)折射率材料，G代表基片，A代表空氣.

1 光纖照明系統(tǒng)組成及原理

光纖照明系統(tǒng)由光源發(fā)生器、傳導(dǎo)光纖和光輸出元件三部分構(gòu)成，其核心是光源發(fā)生器.光源發(fā)生器采用金屬鹵化物燈做光源，利用精確設(shè)計的橢球面反射聚光鏡，將光束均勻地聚焦到光纖首端面.聚光鏡內(nèi)曲面上涂有高質(zhì)量的高反射多層硅鈦介質(zhì)膜，該膜對可見光的反射率可達95%以上, 而對紅外光的反射率卻非常低，為了更好地濾出紅外線，在光纖首端面前加一濾光片，以降低聚焦到光纖首端面的光束的熱輻射.光束傳輸采用光導(dǎo)纖維，系統(tǒng)的發(fā)光類型采用端面發(fā)光型，即將發(fā)光體發(fā)出的光束從光纖首端面通過全反射傳輸至光纖末端面，并在光纖束的末端面安裝合適的光輸出設(shè)備.當(dāng)然，光纖照明系統(tǒng)的發(fā)光效率還取決于光纖首端面對光源發(fā)出光線的接收率及光纖傳輸過程中的光損失率.當(dāng)發(fā)光體發(fā)出的光以小于臨界角的角度入射到光纖首端面時，光線發(fā)生全反射，光損失率最小；當(dāng)入射角大于臨界角時，則光線從光纖壁折射逸出，造成光損失.因此，設(shè)計時必須控制好光纖首端面入射光線的入射角度，最大入射角即臨界角由所采用的光纖的數(shù)值孔徑?jīng)Q定，同時該臨界角也決定了橢球反射器的切割位置.

2 光源發(fā)生器

光源發(fā)生器主要由電子鎮(zhèn)流器、發(fā)光管、光學(xué)界面、光纖聚集頭、外殼等組成(如圖1)，同時光源發(fā)生器裝置中還有散熱片，濾色片，色盤等裝置.為了提高光纖首端面對光源發(fā)射光束的接收率，將發(fā)光體設(shè)計為類似于點發(fā)光的球泡形狀，并采用金屬鹵化物作發(fā)光物質(zhì)，氬氣作為啟動氣體.同時將金屬鹵化物燈制成放電電弧管，其發(fā)光部分只是一個球形燈炮，再配合橢球面冷反光鏡的設(shè)計就可以獲得高亮度的均勻光束.金屬鹵化物燈的優(yōu)點是發(fā)光效率高、顯色指數(shù)高、正常發(fā)光時發(fā)熱少，是一種冷光源；其缺點是啟動困難，因此必須采用專用的觸發(fā)器.由于發(fā)光管采用球泡形狀，當(dāng)燈泡啟動發(fā)光后，出射光線比較集中，光線經(jīng)過對可見光具有高反射率的光學(xué)界面聚焦到光纖首端面，進而在光纖管道中進行傳輸.

圖1 光源發(fā)生器示意圖Fig.1 Diagram of light source generator

a) 外殼：由工程塑料或金屬板組合而成，以保護內(nèi)部組件的安全，同時應(yīng)具有良好的散熱條件，用于戶外環(huán)境時需考慮防潮濕.

b) 發(fā)光管：為光纖照明系統(tǒng)提供光源，用作發(fā)光部件以發(fā)射光線.

c) 光學(xué)界面：控制和引導(dǎo)光線，使其聚焦到光纖首端面上.

d) 電子鎮(zhèn)流器：用于啟動燈泡發(fā)光.金屬鹵化物燈內(nèi)沒有燈絲，只有兩個鎢電極，如果直接加上工作電壓不能使其發(fā)光，必須先加高壓使燈內(nèi)氣體電離才能激發(fā)金屬原子發(fā)光.所需要的高壓由電子鎮(zhèn)流器觸發(fā)產(chǎn)生.

e) 光纖聚集頭：接收入射光束，讓光線在光纖中傳輸.

2.1 金屬鹵化物發(fā)光管的結(jié)構(gòu)及制作工藝

金屬鹵化物發(fā)光管的結(jié)構(gòu)如圖2所示.它由石英管制作而成，中段在高溫下吹成球泡形狀作為發(fā)光體，球泡內(nèi)注有金屬鹵化物、汞、氬氣，這三種物質(zhì)在放電發(fā)光過程中起主要作用，汞蒸氣提供管內(nèi)所需要的氣壓，能夠使分子運動，氬氣是一種惰性氣體，它被球泡兩端的電極發(fā)射的電子激發(fā)電離，從而激發(fā)金屬原子發(fā)光.當(dāng)然，不同的金屬原子所發(fā)出的光束的特征譜線不同，若選擇幾種金屬原子進行組合，則幾種金屬原子發(fā)出的線狀光譜相疊加，就可以獲得光效高、顯色性好的出射光束，本文采用鈧鈉型金屬鹵化物燈作光源.球泡兩端必須夾封嚴密，使發(fā)光物質(zhì)不外逸，空氣氣體雜質(zhì)也不能進入到球泡內(nèi).鎢絲和鉬絲通過鉬薄片連接導(dǎo)電，由于鉬薄片與石英玻管的膨脹系數(shù)接近，因此夾封后可以起到很好的密封效果.采用鎢絲作電極，當(dāng)鉬絲通電時，電極發(fā)射電子，產(chǎn)生熱量，進而激發(fā)球泡內(nèi)填充物質(zhì)發(fā)光.

圖2 金屬鹵化物發(fā)光管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of light emitting tube of metal halid

金屬鹵化物燈采用的原材料是一根石英管，但其制作過程非常復(fù)雜，要經(jīng)過十幾道工序(如圖3).其中，切割和夾封都是在2000 ℃左右的高溫下進行的，而且夾封工序中要使用氧氣、煤氣等可燃氣體，因此對制作環(huán)境要求很高.在點焊、調(diào)整電極位置、夾封工序中尺寸誤差必須控制在±0.02mm范圍內(nèi).另一些工序如：注金屬鹵化物藥丸、對電極、抽真空、充氬氣、封口均在高純氬氣手套箱內(nèi)完成，手套箱內(nèi)水氧含量小于0.1×10-6，且整個生產(chǎn)過程都不與外界空氣接觸.如果燈泡內(nèi)有雜質(zhì)就會大大減少燈的使用壽命，同時還會影響光的顯色指數(shù)、色溫，甚至還會出現(xiàn)不亮的現(xiàn)象.當(dāng)然，燈管在制作過程中也會出現(xiàn)這樣一些問題：氧化(夾封沒有密封好)，鉬簿片鄒，鉬桿被裁傷，失透，泡內(nèi)有硅粉，泡變形等.因此，制作過程中的每一道工序要求都非常嚴格.

圖3 金屬鹵化物燈的制作工藝流程Fig.3 Manufacturing process of light emitting tube of metal halid

2.2 多層介質(zhì)膜系鍍膜對光纖照明光源反射聚光器的性能增強

光學(xué)界面(反光鏡)也是光源發(fā)生器的重要組成部分，它對發(fā)光管發(fā)出光線的反射率及聚焦效果決定了光源的發(fā)光效率.因此，將金屬鹵化物燈的反射聚光鏡設(shè)計成橢球面形狀[9]，根據(jù)散熱條件選取開口半徑，再按照使系統(tǒng)的光效率達到最大的原則選取偏心率，以及由光纖的數(shù)值孔徑確定的臨界角，采用數(shù)值迭代法確定橢球面的長短半軸及切割高度[10].將球泡放在橢球面的一個焦點上，將光纖接收端口放在橢球面的另一個焦點上，這樣從光源發(fā)出來的光線經(jīng)橢球面反射后都能匯聚到光纖中進行傳輸.

要使光源發(fā)射的光束在反光鏡內(nèi)高反射，采用單層高反射膜往往達不到要求，一般采用高反射多層介質(zhì)膜對反光鏡內(nèi)表面進行鍍膜，同時，采用冷光膜鍍膜還可以濾出紅外線以降低對被照物體的熱輻射.通常，要獲得某一波段的高反射，可通過在基片上相互交替地鍍一層高反射率膜層(H)和一層低反射率膜層(L)的介質(zhì)膜，H和L膜層的幾何厚度不同但光學(xué)厚度都是1/4λ(或1/4λ的奇數(shù)倍)，這樣就組成了對波長λ的高反射膜系，而且采用的高低折射率材料的折射率差值越大，反射效果越好.二氧化硅(SiO2)是蒸發(fā)過程中分解很小的低折射率(1.46)材料，薄膜吸收小、膜層穩(wěn)定牢固、抗磨耐蝕；二氧化鈦(TiO2)是可見光與近紅外區(qū)域重要的高折射率(2.35)材料，薄膜光學(xué)和機械特性穩(wěn)定，牢固性強.因此，我們選擇二氧化硅和二氧化鈦兩種氧化物對反光鏡進行鍍膜.

一般情況下，為提高反射率，并降低吸收損耗，介質(zhì)膜系兩邊的最外層材料均采用高折射率層，且1/4λ高反射膜系的反射率與材料的折射率和膜層層數(shù)有關(guān)，可表示為：

(1)

nG代表基片的折射率，nH、nL分別代表高、低折射率，m代表鍍制的周期數(shù)，2m+1代表鍍制的總膜層數(shù).

(2)

從式(2)可以看出：nH/nL比值越大，反射率越高；鍍制的層數(shù)越多，反射率也越高.理論上，隨著膜層數(shù)的增加，1/4λ膜系的反射率可接近100%，但由于存在膜層吸收損耗、散射損耗，實際上，反射率不但不會增加，反而還會降低.因此，必須根據(jù)所需要的反射率控制其總層數(shù).

高低折射率材料確定以后，根據(jù)式(3)可計算出極限半寬度，從而確定高反射膜的高反射帶寬.

極限半寬度可表示為：

(3)

則以λ0為中心波長的兩個截止波長為：

那么高反射區(qū)帶寬為：

(4)

顯然，在可見光區(qū)域內(nèi)，由于鍍膜材料折射率的限制，這種經(jīng)典的1/4λ周期膜系只能在某一個有限的波長區(qū)域內(nèi)獲得高反射，其高反射帶寬往往不能滿足設(shè)計要求.根據(jù)全介質(zhì)反射膜理論，在一個1/4λ的多層周期膜系上，再疊加幾個不同中心波長的1/4λ膜系，使其高反射區(qū)域連接起來，可以獲得展寬的高反射膜的反射帶寬.因此，在進行膜系設(shè)計時，我們設(shè)計了將3個不同中心波長的1/4λ膜堆疊加而成的多層膜系結(jié)構(gòu)，同時，為了避免在兩個高反射帶連接處出現(xiàn)透射峰，用于疊加的3個高反射膜堆均采用偶數(shù)層，且為了降低吸收損耗，在鍍制完第三個膜堆后再鍍制一層高折射率層，最終采取了總層數(shù)為25層的膜系結(jié)構(gòu)：G/(H1L1)4(H2L2)4(H3L3)4H/A.這樣對每一個入射光中心波長控制的膜層就會產(chǎn)生以該波長為中心的高反射帶，如圖4中的三個波峰帶，它們的高反射帶寬疊加起來就是整個高反射區(qū)，如圖4中的實線所示：在400～700nm的區(qū)域內(nèi).即所鍍制的多層介質(zhì)膜系在整個可見光區(qū)域內(nèi)具有高反射，其反射率可達95%以上，而在其它波長段，只有高透射，不具備高反射的條件，因而大部分被透射，這樣經(jīng)過橢球面反射器出來的光束幾乎全是可見光，沒有紅外光，從而增強了光纖照明光源反射聚光器的性能.

圖4 橢球面反光鏡光譜反射曲線Fig.4 Spectrum reflection curve of the ellipsoidal mirror

3 調(diào)試及測試結(jié)果

發(fā)光管和反光鏡制作完成后，還有一項重要工序就是在橢球面上開一個放置光源的小孔，并將發(fā)光管精確定焦在反光鏡內(nèi)：即將發(fā)光管的球泡中心定焦在橢球面反光鏡的左焦點處，進行調(diào)試，直到在反光鏡的右焦點匯聚出均勻的光斑，將光纖首端面放在橢球反射器的右焦點處，使光束進入光纖首端面，進而在光纖內(nèi)進行傳輸，用照度計測試光纖尾端出射光的照度.最后將它進行一個星期的老練，測試其性能的穩(wěn)定性.制作時采用直徑為13mm，數(shù)值孔徑為0.5的塑料光纖進行光束的傳輸.所設(shè)計的光纖照明光源發(fā)生器的主要性能參數(shù)如表1，表1中a、b、c分別為橢球面反光鏡的長半軸、短半軸、焦距.測試結(jié)果表明兩種光源發(fā)生器性能穩(wěn)定、壽命長，且產(chǎn)生的光斑直徑均為12mm，和光纖首端面尺寸接近，這說明所選取的橢球偏心率比較合適，從而提高了系統(tǒng)的發(fā)光效率.

表1 光纖照明光源參數(shù)

4 結(jié)語

以發(fā)光管和光學(xué)界面為對象，制作出具有高光效、高亮度、長壽命的發(fā)光管，將它精確定焦在具有高反射率的橢球面冷光鏡的一個焦點上，在光纖接收端口獲得均勻的匯聚光束，構(gòu)成結(jié)構(gòu)緊湊的一體化光纖照明光源.在整個光源發(fā)生器的設(shè)計過程中，主要解決了3個問題：(1)金屬鹵化物發(fā)光管幾何形狀的設(shè)計、填充物質(zhì)的選取以及制作工藝的把握；(2)橢球面表面形狀的設(shè)計，即確定了橢球面的偏心率、開口半徑、長短半軸及開口位置；(3)鍍膜材料的確定及膜系結(jié)構(gòu)的設(shè)計，選取二氧化硅和二氧化鈦兩種氧化物作為高低折射率材料，采用總層數(shù)25層的3個1/4λ膜堆疊加而成的多層介質(zhì)膜系結(jié)構(gòu)，展寬了高反射區(qū)域， 達到了對可見光高反射而對紅外光高透射的鍍膜效果.

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