傳能光纖和光電池耦合系統(tǒng)的設(shè)計與研究

石科仁，朱長青（軍械工程學(xué)院車輛與電氣工程系，石家莊050003）

傳能光纖和光電池耦合系統(tǒng)的設(shè)計與研究

石科仁，朱長青
（軍械工程學(xué)院車輛與電氣工程系，石家莊050003）

摘要：采用橫向偏移法測試傳能光纖出射光束的光強分布。仿真了單獨使用平凹透鏡的系統(tǒng)和將透鏡與橢球面配合使用的系統(tǒng)，并對仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。運用高斯光束復(fù)參數(shù)分析法對未到達(dá)橢球面的近軸光束進(jìn)行光學(xué)分析。在耦合系統(tǒng)光路設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了光電池選取與結(jié)構(gòu)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：傳能光纖；耦合系統(tǒng)；橫向偏移法；幾何光學(xué)；光電池

0　引言

目前，軍用電磁場的測試裝置一般采用蓄電池供電。在強電磁場環(huán)境中，電磁干擾（EMI）會通過電源線以傳導(dǎo)的方式，或直接通過輻射的方式耦合到測試裝置的內(nèi)部電路上，導(dǎo)致其無法正常工作。光纖具有電磁干擾免疫和耐腐蝕的特點，特別適合用于強電磁場環(huán)境。同時，光纖的導(dǎo)波纖芯直徑僅有50～100μm，重量也遠(yuǎn)小于導(dǎo)線電纜，便于遠(yuǎn)距離傳輸與操作[1]。2008年，JDSU在核磁共振成像(MRI)領(lǐng)域中采用了光纖供電技術(shù)[2]。在光纖供電系統(tǒng)中，LED陣列具有光功率大和價格便宜的優(yōu)點。由于塑料光纖纖芯直徑大，易于耦合，研究者們常常采用塑料光纖進(jìn)行傳能，并且在沒有透鏡的情況下直接與光電池耦合。但是，在中長距離，塑料光纖的傳輸損耗較大。因此，本文選用纖芯直徑遠(yuǎn)小于塑料光纖的多模光纖，采用LED陣列作為光源，結(jié)合光電池的光電轉(zhuǎn)換特性，進(jìn)行多模光纖與光電池的耦合設(shè)計。

1　光纖和出射光束特性

本文選用光纖供電系統(tǒng)的LED陣列作為系統(tǒng)光源，階躍折射率多模光纖作為傳能光纖，纖芯直徑為50μm，數(shù)值孔徑為0.24，由數(shù)值孔徑計算公式可以得到光纖的接收角為13.9°。根據(jù)全反射條件ψ＜φmax（ψ為入射角，φmax為光纖的最大接收角）的光束才能在光纖中以全反射的方式繼續(xù)傳輸，從光纖另一端出射[3]。要想研究光纖出射光束的光強特性，需要借助另一根光纖進(jìn)行耦合，兩根芯徑相同的光纖截面圖如圖1所示。其中纖芯半徑為a，橫向位移為d，假設(shè)發(fā)射光纖中有均勻的模式功率分布，則兩根光纖的耦合效率η由輸入光纖面積A0和輸出光纖的有效接收面積Ac（圖1中陰影部分）決定：

本文采用橫向偏移法[4]測量出射光束的光強分布，測試裝置圖如圖2所示，光纖1的一端O固定，另一端A連接LED陣列，光纖2的一端B做成活動頭靠近光纖1，另一端C連接光功率計P。實驗時移動B端，使兩端面距離t分別為100μm,500μm,1000μm, 5000μm，在t確定時，通過微動支架M使兩光纖端面錯開一定距離d。連續(xù)記錄光功率計的讀數(shù)，得到耦合效率值，該值可以直接反映一根光纖端口相對于另一根光纖橫向偏移一定距離（角度）處的光強分布情況，進(jìn)而得到出射光束的遠(yuǎn)場光強分布。

我們對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的歸一化光強分布曲線圖如圖3所示。光強分布曲線與高斯曲線擬合效果很好，證明了LED激勵的多模光纖的出射光束遠(yuǎn)場光強呈高斯分布，類似于激光的光強分布。另外，隨著兩根光纖端面距離t的不斷增大，偏離值d也在不斷增大，表明光束是不斷向遠(yuǎn)處發(fā)散的。根據(jù)擬合曲線的特點可以推知，當(dāng)光束發(fā)散角從0°～13.9°連續(xù)增大時，遠(yuǎn)場光強會逐漸減小。

圖1　橫向位移為d的兩耦合光纖截面

圖2　實驗測試裝置圖

圖3　歸一化光強分布曲線

2　耦合系統(tǒng)設(shè)計

由光纖出射光束的光強分布可知，不同的發(fā)散角對應(yīng)不同的光強，若直接耦合光電池，會造成光電池光能接收面的光強分布不均。由光電池的光電轉(zhuǎn)換特性可知,不均勻的光束照明會導(dǎo)致光電池填充因子下降，而光電池的轉(zhuǎn)換效率ζ=FF(Voc·Isc)Pin×100%，表明ζ會隨填充因子FF的下降而減小。其中Voc為開路電壓，Isc為短路電流，Pin為光電池的入射光功率。

本文采用平凹透鏡進(jìn)行光纖與光電池的耦合，用ZEMAX -EE軟件進(jìn)行仿真，優(yōu)化后的鏡頭數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)合出射光束的近軸光束尺寸可知，若要在透鏡像面上得到2.7mm的光斑半徑，需透鏡焦距達(dá)到300mm，這會大大增加耦合系統(tǒng)尺寸，導(dǎo)致兩根光纖的端面距離增大，則耦合到的光功率變少?；诖?，本文設(shè)計了透鏡與橢球面相結(jié)合的耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)簡圖如圖4所示。多模光纖光束出射點位于橢球面的一個焦平面F1處，出射光束經(jīng)過平凹透鏡折射后傳輸?shù)綑E球面內(nèi)表面上，根據(jù)旋轉(zhuǎn)曲面的幾何性質(zhì)（位于焦點F1處的物體成像在另一焦點F2處沒有球差），光纖的出射光束可以匯聚到橢球面的焦平面F2處。經(jīng)過透鏡折射與橢球面反射后，光能可以均勻地分散到焦點所在的像平面區(qū)域，達(dá)到均勻照明的目的。同時，橢球面內(nèi)表面貼有高反射率的反射膜，這能在增加耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的情況下盡量減少光功率損耗。

表1　單透鏡耦合鏡頭數(shù)據(jù)

圖4　耦合系統(tǒng)簡圖

圖4中，設(shè)光纖的出射光束發(fā)散角為α1，經(jīng)透鏡平面折射后折射角為α2，在透鏡中傳輸?shù)竭_(dá)凹面的入射角為α3，出射的光束與法線的夾角為α4。透鏡折射率為n，空氣折射率為1，凹面的出射點距光軸的高度為h，法線與光軸夾角為β，曲率半徑為r。根據(jù)折射定律可以得到：sinα1=n·sinα2，n·sinα3=sinα4。根據(jù)幾何關(guān)系可以得到：β+α2=α3，hr=sinβ。

在設(shè)計過程中，假設(shè)出射光束都按光纖數(shù)值孔徑的限制條件出射，則發(fā)散角α1對應(yīng)的透鏡凹面出射角即為最大透鏡出射角α4。我們根據(jù)表1可以初步設(shè)定透鏡的相對位置和所用材料；由橢圓面的一般描述方程：x2a2+y2b2=1,可以得到橢球面的參數(shù)a、b；依據(jù)橢圓焦距公式：a2-b2=c2，可以得到焦點位置。至此可以確定耦合系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)。

在ZEMAX-EE軟件中對耦合系統(tǒng)進(jìn)行仿真，選取1W的擴(kuò)展光源模擬多模光纖的出射光束，光纖的纖芯直徑為0.05mm。模擬時，入瞳孔徑為0.05，在實際情況中，考慮到進(jìn)入光纖包層中的光束會在纖芯與包層界面發(fā)生折射，使反射回纖芯的出射光束發(fā)散角大于13.9°。因此，我們將視場按角度設(shè)置為0°、10°、-10°、20°和-20°，波長選取為0.85μm，3維仿真模型如圖5所示。

從圖5可以看出，光纖出射光束一部分經(jīng)過橢球面的反射匯聚到焦平面處，另一部分穿過透鏡后直接輻射出去。由于光纖出射光束的遠(yuǎn)場光強分布呈高斯分布，因此，輻射出去的光束可以按高斯光束參數(shù)的矩陣變換來分析[5],定義q為：

其中，r為等相位面曲率半徑，ω為任一光軸方向處的光斑半徑。設(shè)薄透鏡焦距為f，平凹透鏡的平面曲率半徑為r1，r1無窮大，透鏡凹面的曲率半徑為r2，L1是光束入射到透鏡表面上時半徑為r1的球面波的等相位面，經(jīng)過透鏡后變換成曲率半徑為r2的另一球面波的等相位面L2。對于薄透鏡，可以假定其L1和L2上的光斑大小完全一樣，即:ω1=ω2。其中ω1、ω2分別為入射與出射光束在透鏡表面上的光斑半徑。設(shè)q1、q2為入射、出射光束在透鏡表面的q參數(shù)，則：

將光線變換矩陣代入ABCD定律公式可得：

由式（2）可知，只要知道光線變換矩陣［AB］，就可以C D求出出射光束的q參數(shù)，進(jìn)而得到光斑大小和曲率半徑。將參數(shù)輸入ZEMAX軟件中對透鏡進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的透鏡參數(shù)如表2所示，近軸光斑尺寸如表3所示。像面上光斑半徑為1.9mm,對應(yīng)的透鏡與橢球面焦平面的距離為75mm,耦合系統(tǒng)尺寸遠(yuǎn)小于單透鏡耦合系統(tǒng)。

3　光電池設(shè)計

在光纖供電系統(tǒng)中，設(shè)計光電池部分的重點是光電池的轉(zhuǎn)換效率與穩(wěn)定性。目前,非晶硅由于光致衰退效應(yīng)的影響，效率和衰減穩(wěn)定效率較低，單晶硅效率已達(dá)24.7%，多晶硅可達(dá)19.8%，但多晶硅薄膜光電池受溫度影響小，成本低，轉(zhuǎn)換效率與穩(wěn)定性也比較好，從經(jīng)濟(jì)與轉(zhuǎn)換效率兩方面綜合考慮，多晶硅薄膜光電池比較適合應(yīng)用于光纖供電系統(tǒng)。電磁場測試裝置需要5V的穩(wěn)定直流電壓，每節(jié)薄膜光電池的輸出電壓大約為0.5V，根據(jù)疊加法則，結(jié)合供電需求，至少需要10節(jié)光電池串聯(lián)集成，考慮到冗余原則，本文使用12節(jié)光電池串聯(lián)集成。雙節(jié)光電池相當(dāng)于2個1節(jié)電池串聯(lián)而成，根據(jù)耦合系統(tǒng)的光路設(shè)計，我們選用6塊雙節(jié)光電池。將6塊雙節(jié)光電池焊接在正方體電路板的六個面上，在光電池右側(cè)面接合處留出空間，作為輸出電壓的兩端，既節(jié)省了系統(tǒng)占用的空間，又能實現(xiàn)光功率接近均勻分布的效果,提高了光電轉(zhuǎn)換效率。

圖5　3維仿真模型

表2　優(yōu)化后透鏡參數(shù)

4　結(jié)束語

本文運用橫向偏移法測試了傳能光纖出射光束的光強分布，根據(jù)其分布特點，在原直接耦合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了單獨使用平凹透鏡和在平凹透鏡基礎(chǔ)上加裝橢球面兩種設(shè)計。仿真結(jié)果表明，單透鏡結(jié)合橢球面的設(shè)計思路既能滿足光強分布均勻的要求，又能減小耦合系統(tǒng)尺寸，節(jié)省成本，同時達(dá)到較高的耦合效率。我們對未到達(dá)橢球面的近軸光束進(jìn)行了高斯參數(shù)分析，這能為今后的相關(guān)設(shè)計提供了理論支持。在光電池的設(shè)計方面，本文結(jié)合了耦合系統(tǒng)的光路特點，設(shè)計了帶有空隙的立方體光電池冗余結(jié)構(gòu)。但是，要想光電池可以穩(wěn)定輸出5V電壓[6]，后續(xù)需要進(jìn)行DC/DC變換和穩(wěn)壓設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

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Design and research on the coupling system between power-transmitting fiber and photovoltaic cells

SHIKe-ren，ZHUChang-qing
(Department of vehicle and electrical engineering,Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003, China)

Abstract:The paper uses a method of transverse offset to measure the intensity distribution of transmitted beam of power-transmitting fiber. It makes a simulation between a coupling system which is only with a plane and concave lens and another system of lens as well as a ellipsoidal surface, and make a contrast of the results. The paper applies the complex parameter analysis method of Gaussian beam to take a analysis for the paraxial beam which is not arriving the ellipsoidal surface. On the basis of light path design of the coupling system, the paper chooses the photovoltaic cells and designs the structure.

Key words:power-transmitting fiber, coupling system, method of transverse offset, geometric optics, photovoltaic cells

中圖分類號：TN36；O435.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）01-0054-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.017

收稿日期：2015-10-28。

作者簡介：石科仁（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為光纖供能系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換。