本發(fā)明涉及光纖光學(xué)和氣體傳感的領(lǐng)域技術(shù)，尤其是指一種空芯光纖氣室。

背景技術(shù)：

1、空芯光纖是一種特殊的光纖結(jié)構(gòu)，其纖芯為空氣或充氣空腔，光主要在空氣通道中傳輸而非傳統(tǒng)光纖的固體石英材料。與傳統(tǒng)光纖依賴全內(nèi)反射（tir）不同，空芯光纖通過(guò)以下兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)光約束：

2、光子帶隙光纖（pbg）：周期性微結(jié)構(gòu)（如蜂窩狀空氣孔）形成光子帶隙，特定波長(zhǎng)的光被限制在纖芯中傳播。

3、反諧振光纖（arf）：纖芯周?chē)谋”诓Ａ?xì)管形成反諧振腔，特定波長(zhǎng)光因干涉相消無(wú)法泄漏到包層。

4、空芯光纖的這種設(shè)計(jì)帶來(lái)了低延遲、低非線性、高激光損傷閾值等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，尤其適用于氣體傳感、高功率激光傳輸和中紅外光學(xué)等領(lǐng)域。

5、傳統(tǒng)氣體檢測(cè)或激光穩(wěn)頻系統(tǒng)中，氣室通常采用自由空間光學(xué)設(shè)計(jì)，如：?jiǎn)纬虤馐遥汗饴范蹋ㄍǔ?lt;50?cm），靈敏度低。長(zhǎng)程氣室（如white池、herriott池）：通過(guò)反射鏡多次反射增加光程，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、易受振動(dòng)影響。此外，傳統(tǒng)氣室體積龐大，難以集成到緊湊型光學(xué)系統(tǒng)中，不適合小型化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

6、空芯光纖氣室是一種基于空芯光纖技術(shù)的氣體傳感與光學(xué)器件，其核心特點(diǎn)是利用光與空芯光纖中空纖芯中的氣體長(zhǎng)距離相互作用實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測(cè)或特定光學(xué)功能。它的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)氣室的諸多問(wèn)題：

7、光與氣體長(zhǎng)距離相互作用：光在空芯光纖的纖芯（空氣或充氣）中傳播，光程可達(dá)數(shù)米甚至數(shù)十米，大幅提升檢測(cè)靈敏度；

8、緊湊化與柔性化：光纖可彎曲、環(huán)繞，極大減小系統(tǒng)體積，適用于便攜式或嵌入式設(shè)備；

9、低損耗與高損傷閾值：相比傳統(tǒng)玻璃光纖，空芯光纖在中紅外、紫外波段損耗更低，且能承受高功率激光。

10、空芯光纖氣室進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，加工難度和成本是關(guān)注的重點(diǎn)，常規(guī)的空芯光纖氣室的制備，都是通過(guò)飛秒激光在空芯光纖側(cè)壁打孔產(chǎn)生。由于激光打孔需要對(duì)準(zhǔn)光纖包層，因此需要非常精準(zhǔn)的定位，一旦位置偏離，要么未打穿至中空纖芯，要么孔徑不夠影響氣體交換效率，導(dǎo)致氣室加工難度極大。

11、另外，由于打孔孔徑較小，為保證氣體交換效率，需要在光纖上打較多數(shù)量的微孔，導(dǎo)致加工效率很低。申請(qǐng)?zhí)枮?01710770017.9專利描述了一種未封閉的空芯光子晶體光纖，申請(qǐng)?zhí)枮?00880005960.x的專利描述了一種光波導(dǎo)環(huán)境傳感器和制造方法，都是通過(guò)沿軸向開(kāi)口的空芯光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)中空纖芯與外界環(huán)境的快速交換，但此種光纖由于外包層中未封閉，存在貫通的通道，難以通過(guò)正常拉絲的方式直接生產(chǎn)該空芯光纖，也難以在空芯光纖上加工出軸向貫通的通道，其需要精確定位通道開(kāi)口的位置，從而避免損傷內(nèi)包層的微結(jié)構(gòu)毛細(xì)管，否則用于限光用的微結(jié)構(gòu)毛細(xì)管被破壞后將產(chǎn)生極大的光損耗而無(wú)法使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在之缺失，其主要目的是提供一種空芯光纖氣室，其通過(guò)于空芯光纖上橫向開(kāi)設(shè)通氣切口，降低了空芯光纖氣室加工的難度，提升了光纖加工效率，降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本，同時(shí)可以提高空芯光纖氣室的氣體交換效率，以滿足氣體傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下之技術(shù)方案：

3、一種空芯光纖氣室，包括：

4、空芯光纖，由內(nèi)至外依次具有中空纖芯、包層及涂覆層，所述中空纖芯用于引導(dǎo)光束與氣體相互作用；

5、通氣切口，由所述涂覆層外側(cè)沿空芯光纖截面方向向所述中空纖芯延伸，形成貫通所述包層的開(kāi)放通道，空芯光纖外部和中空纖芯通過(guò)通氣切口進(jìn)行氣體交換；

6、固定件，在光纖加工及后續(xù)使用中，對(duì)空芯光纖進(jìn)行固定，空芯光纖固定于固定件上。

7、作為一種優(yōu)選方案，所述通氣切口的開(kāi)口寬度z與所述中空纖芯的模場(chǎng)半徑 ωhcf?滿足關(guān)系：

8、；

9、空芯光纖基模近似為高斯分布，αgap為通氣切口插損，λ為通光波長(zhǎng)。

10、作為一種優(yōu)選方案，所述空芯光纖上設(shè)置有多個(gè)通氣切口，多個(gè)通氣切口沿所述空芯光纖軸向間隔分布，相鄰切口間距l(xiāng)與氣體擴(kuò)散時(shí)間τ滿足：τ≈?l2/4d；其中，τ為氣體從兩端通氣切口擴(kuò)散至氣室中心位置所需的時(shí)間；l為空芯光纖氣室長(zhǎng)度，單位m；d為氣體擴(kuò)散系數(shù)，單位m2/s。

11、作為一種優(yōu)選方案，沿所述涂覆層外側(cè)向所述中空纖芯方向以橫向切割或/和斜向切割形成所述通氣切口。

12、作為一種優(yōu)選方案，沿所述涂覆層外側(cè)向所述中空纖芯方向以橫向切割或/和斜向切割，并直接切斷空芯光纖，形成所述貫通的通氣切口；切斷的光纖由固定件固定，形成空間耦合光路。

13、作為一種優(yōu)選方案，所述通氣切口的開(kāi)口寬度z為1μm至100μm。

14、作為一種優(yōu)選方案，所述空芯光纖為反諧振空芯光纖、光子帶隙空芯光纖或介質(zhì)膜空芯光纖。

15、作為一種優(yōu)選方案，所述通氣切口的切割深度至少要超過(guò)所述空芯光纖的包層內(nèi)壁頂部。

16、作為一種優(yōu)選方案，所述固定件為有機(jī)聚合物、玻璃或金屬材質(zhì)制成的剛性或半剛性載體，所述空芯光纖通過(guò)膠粘、綁扎或嵌入方式固定于所述固定件上；所述空芯光纖的空間構(gòu)型為直線、圓形、橢圓形、跑道形、多邊形或8字形，且所述構(gòu)型由所述固定件維持。

17、作為一種優(yōu)選方案，所述固定件由固化后的膠粘劑構(gòu)成，所述膠粘劑在固化前將所述空芯光纖定型為盤(pán)繞狀，固化后，固定件和所述空芯光纖形成一體式結(jié)構(gòu)。

18、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，具體而言，由上述技術(shù)方案可知，

19、第一、損耗可控：通過(guò)精確計(jì)算和控制單個(gè)通氣切口的寬度從而控制光損耗。通氣切口相當(dāng)于空間耦合，固定件可保持光纖光路的準(zhǔn)直狀態(tài)，模場(chǎng)失配損耗、橫向偏移損耗以及角度偏差損耗均可忽略。根據(jù)軸向間距損耗計(jì)算公式：

20、；

21、空芯光纖基模可近似為高斯分布，αgap為通氣切口插損，λ為通光波長(zhǎng)， ωhcf為模場(chǎng)半徑。

22、可計(jì)算對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)下不同通氣切口寬度（z）產(chǎn)生的損耗，以1064nm波長(zhǎng)激光為例，10um模場(chǎng)半徑下，切口寬度10um僅增加0.001db的損耗，300個(gè)切口也僅增加0.3db的損耗，完全可以滿足系統(tǒng)光路功率預(yù)算的要求。

23、第二、加工難度大幅降低，效率成倍提升：常規(guī)空芯光纖氣室的制備方法，一種情況是在空芯光纖側(cè)面打微孔使外界與中空纖芯貫通，由于空芯光纖的中空纖芯外側(cè)由包層和涂覆層呈環(huán)形包裹，在光纖側(cè)面打孔，每一個(gè)位置都需要在涂覆層外的圓周側(cè)壁上精確的對(duì)準(zhǔn)光纖的中空纖芯處，激光加工的難度很大。

24、另一種情況如申請(qǐng)?zhí)枮?01710770017.9和申請(qǐng)?zhí)枮?00880005960.x的專利，通過(guò)將空芯光纖側(cè)壁沿軸向開(kāi)口來(lái)實(shí)現(xiàn)中空纖芯與外界環(huán)境的快速交換。首先，此種光纖由于外包層中未封閉，存在貫通的通道，難以通過(guò)正常拉絲的方式直接生產(chǎn)該空芯光纖；其次，先拉制完整包層的空芯光纖再通過(guò)化學(xué)刻蝕或激光切割的方式來(lái)形成切口，則需要非常精準(zhǔn)的沿光纖軸向找到一條避開(kāi)損傷內(nèi)包層微結(jié)構(gòu)的路徑，否則用于限光用的微結(jié)構(gòu)被破壞后將產(chǎn)生極大的光損耗而無(wú)法使用。同時(shí)，化學(xué)刻蝕在蝕穿包層后難以避免對(duì)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)造成一定損傷，激光切割也同樣面臨需要在涂覆層外的圓周側(cè)壁上精確對(duì)準(zhǔn)光纖的中空纖芯問(wèn)題，都導(dǎo)致了巨大的加工難度。

25、而采取橫向或/和斜向切割的方式，極大的降低了加工的精度要求，切割的位置偏差對(duì)成品良率沒(méi)有影響，切割深度的誤差也有非常大的容限，由此帶來(lái)加工難度的大幅降低和效率的成倍提升。

26、第三、氣體交換效率極大提升：打孔方式打穿包層后，一般孔徑在5um左右，進(jìn)氣面積就是打孔產(chǎn)生的圓形，而切割產(chǎn)生的是一個(gè)開(kāi)放式半圓豁口，進(jìn)氣面積可輕易達(dá)到氣孔面積的30至50倍，芯徑越粗的光纖，對(duì)氣體置換效率的提升越大。另外，根據(jù)氣體檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間，可以靈活設(shè)計(jì)相鄰兩個(gè)通氣切口之間的距離l，間距越短，氣體擴(kuò)散時(shí)間也越短，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間也越短。

27、可以通過(guò)菲克第二定律（fick’s?second?law）公式來(lái)計(jì)算氣體擴(kuò)散至相應(yīng)濃度需要的時(shí)間。菲克第二定律公式：

28、；

29、其中，? c/? t為濃度?c隨時(shí)間?t的變化率；?2 ?c/?x 2?為濃度?c?沿?x?方向的二階空間導(dǎo)數(shù)；d為氣體擴(kuò)散系數(shù)，單位m2/s，與氣體種類、溫度、壓力相關(guān)。

30、綜上所述優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明可以根據(jù)氣體檢測(cè)系統(tǒng)的光功率預(yù)算和氣體檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間要求，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的空芯光纖氣室，并可以方便快捷的加工制備。

31、為更清楚地闡述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和功效，下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例來(lái)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。