[发明专利]基于空芯光子晶体光纤的光纤气室装置

说明书

技术领域

本发明涉及光纤气体检测领域，特别是涉及基于空芯光子晶体光纤的全光纤气室装置。

背景技术

在光谱吸收式光纤气体检测技术中，系统的有效吸收光程是决定系统检测灵敏度和检测精度的关键参数之一，有效吸收光程越长，检测灵敏度和检测精度越高。同时，气室本身使用的简便与否对系统可适用环境的选择起到了决定性的作用。光纤气室的设计应该综合考虑上述两方面。

传统的光学气室一般分为单程气室和长程气室。单程气室通常是将一对光纤准直器固定在圆柱形空腔的两端，但是这种类型的气室结构设计由于长工作距离的准直器的加工、装配难度和温度性能的不稳定，导致单程气室的有效吸收距离很难突破50cm，否则损耗会非常大。长程气室主要有怀特型气室、Herriott型气室和直角棱镜气室等。长程气室通过特殊的光路设计使得光束在气室内多次往复反射，从而增加了气体的有效吸收光程。相比于单程气室，长程气室的体积较小，有效吸收距离长，但由于光在气室内多次反射，会造成较大的光传输损耗，因此对镀膜的要求也非常高。并且，长程气室结构复杂，调试困难，稳定性差，不便于携带，价格高昂，这些缺点使得长程气室的应用受到了极大的限制。

空芯光子晶体光纤(Hollow-core photonic crystal fiber，简称HC-PCF)的出现为解决上述技术限制创造了条件。这是一种新型的光传导光纤，其导光机制与折射率导引型和全内反射型光纤都不同。其纤芯为空气芯结构，包层由严格周期性排列的微小气孔构成，包层部分的光子晶体材料对一定波长的光存在光子禁带，从而将光场束缚在纤芯内传播。随着光子晶体光纤理论研究和制造水平的发展，一批具有宽频带、低损耗特性的空芯光子晶体光纤相继问世。

空芯光子晶体光纤具有一定范围内可弯曲使用，体积小易于携带和安全性高等优点，加之独特的内部构造和导光机制，尤其是与普通光纤天然的耦合特性，使得该类光纤在研究气体与光相互作用方面，特别是在光谱吸收型光纤气体检测技术中，具有独特的优势，发展潜力极其巨大。

目前将空芯光子晶体光纤作为气室记载在公开文献中的主要有以下三类：

第一类是直接扩散法。中国专利CN200710061910.0将空芯光子晶体光纤整体置于通有待测气体的密闭腔内，通过气体分子的自由扩散来达到将待测气体载入光纤空芯中的目的。该类方法的缺点是十分耗费时间，在空芯光子晶体光纤不长的时候，仍然需要十几分钟甚至数小时。当光纤长度达到数米的时候，该方法就更耗费时间。

第二类是高压灌输法。在空芯光子晶体光纤两端接头处的光纤耦合器上打通几个微小的气孔或者预留一条细缝，通过高压充灌的方法将待测气体充入光纤的空芯中。相比第一类直接扩散法，该方法充气时间缩短，但是对微小气孔和细缝充气操作复杂，并且高压气体的制备也增加了气体浓度检测的复杂度和成本。在相关的论文中，由于没有气体密闭装置，在进行气体浓度测量的同时，光纤空芯中的待测气体是一直被外部环境气体稀释的。中国专利CN200610049134.8和CN200620100419.5将空芯光子晶体光纤的两端分别放置在两个气体腔中，但是其缺点是对空芯光子晶体光纤进行充气时，气体腔内原有的废气只能通过空芯光子晶体光纤微细的纤芯排放，必然增加了系统的难度和充气的时间。并且该专利中的气体腔内没有空芯光子晶体光纤与普通光纤的对准耦合装置。

第三类是真空式充气法。中国专利CN200710021208.1首先将光纤的两端分别放在两个密闭的气体腔内，通过对其中一端的气体腔进行抽真空处理，然后再将待测气体输入气体腔中进行测量。中国专利CN201110170536.4和CN201110170589.6将空芯光子晶体光纤与普通光纤进行非熔接式的对准耦合固定后，连同两个耦合点一起将空芯光子晶体光纤放入低压密闭气室装置中，利用真空泵进行抽真空处理后，然后将待测气体通入低压密闭气室中进行测量。此类方法的缺点是引入了复杂庞大的抽真空装置，使气体检测的复杂性和成本都大大增加。

因此，至今没有一种充气时间较短，充气操作方便并且不使用抽真空装置的基于空芯光子晶体光纤的气室。

发明内容

基于上述现有技术存在的问题，本发明提出了基于空芯光子晶体光纤的光纤气室装置，依赖于空芯光子晶体光纤技术构成一种新型的长程气室装置。

本发明提出了一种基于空芯光子晶体光纤的光纤气室装置，其特征在于，该装置包含一个及一个以上的串联光纤耦合气体腔单元，该串联光纤耦合气体腔单元包括两个光纤耦合气体腔，其中：