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太阳光光纤耦合光学系统设计

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  • 发布时间:2014-11-09
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在解决传统 能源危机过程 中 ,太 阳能作为新能源具有 绿色环 保 ,分布 广泛 ,可持续 利用 等优点,成为各 国竞 相开发和研究 的热点。太 阳能 的利用已有上千年 的历史 ,发展 到如今其利用 的途径主要有:太阳能的光热利用、太阳能的光 电利用、太阳能 的光化 学利用l1]。而利用太 阳光直 接照明或泵浦激光则是太阳能利用 的新发展 。无论是照 明或者泵浦激光都需要将收集 到的太 阳光通过传能光纤进行传输,其中太阳光耦合到传能光纤 中是这项技术的-个难点 。

1998年 Dawei Liang采用直径 40.6 cm透镜收集到大约 100 W 的太阳光并用反射镜改变其传播方向后传人 由 19根光纤组成的光纤束 ,最终得到60 w 的太阳光,其耦合效率大约 6O 2]。20世纪90年代初 ,沈 阳建筑工程学 院曾采用 4块 直径为200 mm凸透镜聚焦太阳光,焦点处安装玻璃光纤传导光束 ,传输距离 10 m 以内,距离光纤端头 1 m时收稿日期:2012-09-07; 修回日期:2012-09-25基金项 目:吉林省青年科研基 金(201101098,201201122);长春理工大学科技创新基金 (XJJLG-201206)作者简介 :魏丹(1987-),女 ,吉林通化人 ,硕士研究生 ,主要从事光学系统设计方面的研究 。E mail:feeewang###163.corn应用光学 2013,34(2) 魏 丹 ,等 :太阳光光纤耦合光学系统设计 · 221 ·照度相当 4O w 的白炽灯,效率较低3]。2006年 ,苏州大学先进光学制造技术实验室余景池教授课题组研制出太 阳光 自动导人系统,采用 凹面镜反射聚光方式采集太阳光,抛物镜对聚光效率的影响只有2%,采光效率为 9O%,同时利用锥体石英棒耦合光纤 ,所用光纤为 8根直径 1 mm 的 PMMA芯 POF,长度为 10 m,光纤传输率 3O%4]。

由此可 以看 出,传统 的太 阳光耦合 方式为直接耦合,即太阳光经过聚光装置后直接传人光纤,此方法虽然结构简单 ,操作方便 ,但对 聚光装置要求严格,而且耦合效率-般都不高。因此本文针对以上问题采用结构简单的大 口径单透镜作 为聚光装置 ,再利用双分离透镜校 正系统 的像 差和缩小光斑 ,从而达到提 高耦合效率 的 目的。此外系统中 3片透镜,6个镜 面均采用球面镜面 ,这使得加工成本降低,结构简单,增加了系统的实用性。

1 光纤耦合系统的设计要求1.1 光纤耦合条件及光纤参数考虑到太阳光最终需要耦合进光纤,所以太阳光经过光纤耦合 系统后需要 满足光纤耦合条件 。

光纤耦合 的条件 为2p≤ d 。 (1)≤ 口NA (2)式中:.0为入射光斑 的半径 ; 。 为光纤 纤芯 的芯径; 为人射到光纤的光线的入射角 ;0 为满足光纤数值孑L径的光纤最大接收角。图 1为光纤耦合条件示意图。

包层图 1 光纤耦合示意图Fig.1 Scheme of optical fiber coupling- 般来说传能光纤主要分为两种:塑料包层石英光纤 (PCS)和石英 包层石 英光纤 (HCS)[61。

两者相比塑料包层石英光纤的损伤阈值较低,可传输功率较小,但数值孔径可以做得比较大,石英包层石英光纤 的数值 孔径虽然 不能做得很 大 ,但其损伤阈值较高 ,可传输功率较 大,而且石英有着热膨胀系数低,并且耐热冲击的特点,所以石英玻璃有在 1 000℃的高温下也不容易产生变形的优越性 ;而且由于石英玻璃具有很 好的化学稳定性 ,对可见光具 有很高 的透 明度 ,因此本设计 选择石英光纤 ,其主要性能参数如下 :光纤芯径直径/ram 1.5光纤数值孑L径 0.22光纤 的最大接 收角 12.79。

工作温度/℃ ~4O~1001.2 太阳光光能量分布太 阳光 的光谱 范围很宽 ,但 不是所有的波段都适合作为太阳能应用,因此选择合适的波段才能得到较好的设计结果。根据长春地区实 际测量出的太阳光光谱相对强度 的数 据显示 ,太 阳光在波长 400 nm 时,相对强度为 14 200左右 ,然后大体呈上升趋势 ,在波长 480 nEl时,达到峰值 ,此时相对强度大约为 32 300,然后逐渐下降 ,波长 600nm之后急剧下降,在波长 660 nm时 ,相对强度仅为 8 000左右 ,波长 700 nm之后相对强度更低 ,考虑到为了收集到较多的太阳光,原则上是工作波段越宽越好 ,但由于每种玻璃都 有特定透射范 围,并且工作波段越宽 ,系统产生的色差越大 ,因此耦合系统的工作波段选在 400 nm~660 nm。

1.3 系统设计要求光纤耦合系统是太阳能传输中的重要组成部分,其光纤耦合效率直接影响太阳能的应用,因此为了提高光纤耦合效率,设计出的光纤耦合系统- 定要满足光纤耦合条件。选择合适 的工作波段 ,也是获得更多太 阳能的方法之-。

根据光纤耦合条件及太阳光光谱能量分布,确定太 阳光光纤耦合系统的设计要求如下 :太 阳光接收透镜 口径直径 150 mm光斑直径/ram ≤1.5像方孔径角 ≤12.79。

工作波长/nm 400~660系统总长/ram ≤55O工作温度/C -4O~1002 设计思想聚光装 置-般采用透镜来 实现,利用透 镜使· 222 · 应用光学 2013,34(2) 魏 丹 ,等 :太 阳光光纤耦合光学系统设计光汇聚的方式很多 ,-般来说有 凸透镜、双胶合透镜、透镜组等[7]。双胶合透镜的相对孑L径比较小,且双胶合透镜因受胶层应力及脱胶的影响,透镜的直径不宜大 于 100 mm;透镜组虽没 有上述缺点,但在装配配对时比较困难,且在使用中也比较容易丧失共轴性,并

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