本發(fā)明屬于光纖，具體涉及一種復合空芯光纖及其在檢測碳氫化合物氣體中的應用。

背景技術(shù)：

1、大多數(shù)有毒碳氫化合物氣體比如乙烷、丁烷、二氯苯等在8?μm波段附近具有較強的吸收譜線，長時間吸入碳氫化合物會導致人體的消化系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)受到損傷。因此，本發(fā)明的寬光譜中紅外復合空芯光纖可用于檢測這些有毒碳氫化合物，并且在環(huán)境檢測、激光紅外定向干擾、差分吸收雷達等領(lǐng)域扮演著重要的角色。

2、傳統(tǒng)的石英光纖纖芯和包層都是以二氧化硅為基底材料，光傳輸?shù)脑硎侨珒?nèi)反射，通過在纖芯和包層之間的折射率差引導光波傳播。是目前光通信和光傳感等光學應用中最廣泛使用的一種光纖。但由于實芯光纖存在損耗高、模場面積小等問題，研發(fā)人員開發(fā)了空芯光纖，包括空芯光子帶隙光纖和空芯反諧振光纖。

3、空芯光子帶隙光纖是一種利用光子帶隙效應引導光在纖芯中傳播的光纖，其纖芯為空芯結(jié)構(gòu)，取代了傳統(tǒng)實芯玻璃材料。這種光纖的獨特結(jié)構(gòu)能夠降低光在傳輸過程中的損耗、降低非線性效應，具有高能量激光傳輸以及精確的色散控制等特點，被廣泛的應用于精密傳感和超短脈沖激光輸出等領(lǐng)域。但是它的工作波長范圍較窄，主要受到光子帶隙效應的限制，不適合在寬帶寬的光譜中進行工作。

4、空芯反諧振光纖的工作原理基于反諧振效應，當光在纖芯和包層之間傳播時，某些波長的光會由于光學反諧振效應而被反射回纖芯，而不是穿透到包層。這種機制主要依賴于包層中圍繞空芯的薄壁結(jié)構(gòu)，這些薄壁在一定波長下表現(xiàn)出反諧振反射效應，從而限制了光的傳播路徑，并使其集中在空芯中。反諧振光纖的結(jié)構(gòu)通常包括一個空心纖芯，周圍是由多個薄壁空孔或環(huán)狀結(jié)構(gòu)組成的包層。薄壁結(jié)構(gòu)的厚度和排列決定了光子在空芯中的引導效率。它能夠傳輸?shù)牟ㄩL范圍更寬，非常適用于光通信和超快光學領(lǐng)域。但由于空芯反諧振光纖結(jié)構(gòu)的特性，對外界環(huán)境（如溫度、機械應力等）的敏感性可能較高。在某些惡劣環(huán)境下，傳輸性能可能會受到影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種復合空芯光纖及其在檢測碳氫化合物氣體中的應用，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的問題。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種復合空芯光纖由外向內(nèi)依次包括：外包層、內(nèi)包層以及纖芯；

4、所述內(nèi)包層為反諧振區(qū)域，包括四個呈周向均勻分布的反諧振單元，反諧振單元包括：由內(nèi)到外依次同軸嵌套的三層圓形微毛細管；所述外包層為光子帶隙區(qū)域，包括多個互為相切的空氣孔，整體呈六邊形結(jié)構(gòu)；所述纖芯為空氣填充，由內(nèi)包層中的多個反諧振單元合圍構(gòu)成。

5、進一步地，所述三層圓形微毛細管的管壁厚度t相同，滿足反諧振條件：

6、

7、其中，λ表示設(shè)計的工作波長，n1和n0分別為圓形微毛細管材料的折射率和空氣的折射率，m為整數(shù)；

8、進一步地，所述圓形微毛細管內(nèi)為空氣，基底材料為as2s3玻璃。

9、進一步地，所述外包層的基底材料為as2s3玻璃，所述空氣孔內(nèi)填充空氣。

10、進一步地，所述三層圓形微毛細管的半徑由內(nèi)向外依次為：20?μm、35?μm和47?μm。

11、進一步地，所述空氣孔的直徑為8?μm；外包層的直徑為250?μm。

12、進一步地，所述纖芯的半徑為33?μm。

13、進一步地，所述外包層外側(cè)設(shè)置有完美匹配層，完美匹配層的材質(zhì)為as2s3玻璃，厚度為10?μm。

14、上述的一種復合空芯光纖在檢測碳氫化合物中的應用。

15、進一步地，所述碳氫化合物的吸收光譜為5.5-9.5?μm。

16、本發(fā)明的有益效果：

17、1、本發(fā)明的復合空芯光纖具有空芯光子帶隙光纖和空芯反諧振光纖的特點，采用三層圓形微毛細管結(jié)構(gòu)，不僅能夠有效的將光限制在纖芯中，降低傳輸損耗，還易于加工制作。

18、2、本發(fā)明的復合空芯光纖能夠工作在5.5-9.5?μm的超寬波長條件下，可以應用于檢測有毒碳氫化合物氣體，監(jiān)測空氣質(zhì)量，評估污染程度，推動環(huán)境治理。在7.1?μm波長下的損耗為1.4×10-6db/m，并且色散平坦接近于0，非線性效應低于0.002?(w·m)-1，模場面積大于2000?μm2，在彎曲半徑為2-10?cm范圍內(nèi)損耗為8.66×10-3~4.10×10-6db/m。

技術(shù)特征：

1.一種復合空芯光纖，其特征在于，由外向內(nèi)依次包括：外包層、內(nèi)包層以及纖芯；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復合空芯光纖，其特征在于，所述三層圓形微毛細管的管壁厚度t相同，滿足反諧振條件：

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種復合空芯光纖，其特征在于，所述圓形微毛細管內(nèi)為空氣，基底材料為as2s3玻璃。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復合空芯光纖，其特征在于，所述外包層的基底材料為as2s3玻璃，所述空氣孔內(nèi)填充空氣。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復合空芯光纖，其特征在于，所述三層圓形微毛細管的半徑由內(nèi)向外依次為：20?μm、35?μm和47?μm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復合空芯光纖，其特征在于，所述空氣孔的直徑為8?μm；外包層的直徑為250?μm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復合空芯光纖，其特征在于，所述纖芯的半徑為33μm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復合空芯光纖，其特征在于，所述外包層外側(cè)設(shè)置有完美匹配層，完美匹配層的材質(zhì)為as2s3玻璃，厚度為10?μm。

9.權(quán)利要求1-8任一項所述的一種復合空芯光纖在檢測碳氫化合物中的應用。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應用，其特征在于，所述碳氫化合物的吸收光譜為5.5-9.5?μm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種復合空芯光纖及其在檢測碳氫化合物氣體中的應用，屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域；復合空芯光纖由外向內(nèi)依次包括：外包層、內(nèi)包層以及纖芯；內(nèi)包層為反諧振區(qū)域，包括四個呈周向均勻分布的反諧振單元，反諧振單元包括：由內(nèi)到外依次同軸嵌套的三層圓形微毛細管；外包層為光子帶隙區(qū)域，包括多個互為相切的空氣孔，整體呈六邊形結(jié)構(gòu)；纖芯為空氣填充，由內(nèi)包層中的多個反諧振單元合圍構(gòu)成。該復合空芯光纖具有空芯光子帶隙光纖和空芯反諧振光纖的特點，采用三層圓形微毛細管結(jié)構(gòu)，能有效的將光限制在纖芯中，降低傳輸損耗；且該復合空芯光纖能夠工作在5.5?9.5μm的超寬波長條件下，從而滿足檢測有毒碳氫化合物氣體的需求。

技術(shù)研發(fā)人員：劉雪明,陳晨,羅萬里,向鵬飛,張楚輝,朱威
受保護的技術(shù)使用者：南京信息工程大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6