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，空芯光纖通過以下兩種機制實現(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，特定波長的光被限制在纖芯中傳播。

3、反諧振光纖（arf）：纖芯周圍的薄壁玻璃毛細(xì)管形成反諧振腔，特定波長光因干涉相消無法泄漏到包層。

4、空芯光纖的這種設(shè)計帶來了低延遲、低非線性、高激光損傷閾值等獨特優(yōu)勢，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，如：單程氣室：光路短（通常<50?cm），靈敏度低。長程氣室（如white池、herriott池）：通過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，其核心特點是利用光與空芯光纖中空纖芯中的氣體長距離相互作用實現(xiàn)高靈敏度檢測或特定光學(xué)功能。它的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)氣室的諸多問題：

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

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、空芯光纖氣室進入實際應(yīng)用，加工難度和成本是關(guān)注的重點，常規(guī)的空芯光纖氣室的制備，都是通過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?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?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，都是通過沿軸向開口的空芯光纖來實現(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法使用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明針對現(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，其通過于空芯光纖上橫向開設(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放通道，空芯光纖外部和中空纖芯通過通氣切口進行氣體交換；

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

7、作為一種優(yōu)選方案，所述通氣切口的開口寬度z與所述中空纖芯的模場半徑 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。

10、作為一種優(yōu)選方案，所述空芯光纖上設(shè)置有多個通氣切口，多個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)與氣體擴散時間τ滿足：τ≈?l2/4d；其中，τ為氣體從兩端通氣切口擴散至氣室中心位置所需的時間；l為空芯光纖氣室長度，單位m；d為氣體擴散系數(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：通過精確計算和控制單個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)軸向間距損耗計算公式：

20、；

21、空芯光纖基?？山茷楦咚狗植?，αgap為通氣切口插損，λ為通光波長， ωhcf為模場半徑。

22、可計算對應(yīng)波長下不同通氣切口寬度（z）產(chǎn)生的損耗，以1064nm波長激光為例，10um模場半徑下，切口寬度10um僅增加0.001db的損耗，300個切口也僅增加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，每一個位置都需要在涂覆層外的圓周側(cè)壁上精確的對準(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?zhí)枮?01710770017.9和申請?zhí)枮?00880005960.x的專利，通過將空芯光纖側(cè)壁沿軸向開口來實現(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化學(xué)刻蝕或激光切割的方式來形成切口，則需要非常精準(zhǔn)的沿光纖軸向找到一條避開損傷內(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法使用。同時，化學(xué)刻蝕在蝕穿包層后難以避免對內(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)壁上精確對準(zhǔn)光纖的中空纖芯問題，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，切割的位置偏差對成品良率沒有影響，切割深度的誤差也有非常大的容限，由此帶來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，進氣面積就是打孔產(chǎn)生的圓形，而切割產(chǎn)生的是一個開放式半圓豁口，進氣面積可輕易達到氣孔面積的30至50倍，芯徑越粗的光纖，對氣體置換效率的提升越大。另外，根據(jù)氣體檢測響應(yīng)時間，可以靈活設(shè)計相鄰兩個通氣切口之間的距離l，間距越短，氣體擴散時間也越短，對應(yīng)的檢測響應(yīng)時間也越短。

27、可以通過菲克第二定律（fick’s?second?law）公式來計算氣體擴散至相應(yīng)濃度需要的時間。菲克第二定律公式：

28、；

29、其中，? c/? t為濃度?c隨時間?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，本發(fā)明可以根據(jù)氣體檢測系統(tǒng)的光功率預(yù)算和氣體檢測響應(yīng)時間要求，設(shè)計對應(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)合附圖與具體實施例來對其進行詳細(xì)說明。