一种轴向螺旋折射率调制的空芯光纤及制备方法和应用与流程

本发明属于光纤，具体涉及一种轴向螺旋折射率调制的空芯光纤及制备方法和应用。

背景技术：

1、空芯光纤（hollow-core fiber，hcf）以空气或真空作为光传输介质，光波在空气纤芯中传输，具有传输损耗小、光与物质相互作用距离长、非线性效应低等优点，在光纤传感、高功率激光传输及光通信等领域具有广阔的应用前景。反谐振空芯光纤（antiresonanthollow-core fiber，ar-hcf）通过包层中薄壁反谐振管的反谐振反射效应将光波限制在空气纤芯中传输，具有宽波段传输、低损耗、高损伤阈值等优点。

2、近年来，研究人员在空芯光纤传感领域取得了系列重要进展。helfrich等人于2026年在《journal of physics: photonics》上报道了扭曲单环空芯光纤（twistedsingle-ring hollow-core fiber）用于宽带手性检测，利用反谐振反射空芯光纤的低光学损耗和宽带传输优势，实现了偏振敏感的手性检测。max planck光科学研究所的研究团队开发了新型空芯光纤，能够根据螺旋性选择性引导光学涡旋，在手性传感、涡旋模式产生和光通信等领域具有潜在应用。在增材制造领域，yazici等人提出了“打印-拉制”（print-and-draw）方法，利用含二氧化硅纳米颗粒的光敏树脂经脱脂和烧结转化为熔融石英玻璃，展示了数字光处理（dlp）增材制造用于制备具有复杂结构的高质量光纤预制体的潜力。

3、在专利方面，中国科学院上海光学精密机械研究所公开了一种螺旋包层的少模空芯反谐振光纤及其制备方法（公开号：cn121348491a），其包层区由多个螺旋型反谐振结构单元在角向排列形成，通过螺旋型玻璃壁抑制高阶模式。该设计的核心在于，将传统反谐振管沿轴向扭转成螺旋形态以抑制高阶模式，但包层材料的折射率本身为均匀分布，不具备轴向调制特征。中国航天三江集团有限公司公开了部分掺杂手性螺旋光纤及其制备方法（公开号：cn119916521a），其通过在光纤纤芯中设置螺旋缠绕于主芯表面的螺旋侧芯来实现模式控制。

4、然而，现有空芯光纤在传感应用中仍存在以下不足：

5、（1）灵敏度提升受限于结构设计。现有反谐振空芯光纤主要依靠反谐振管阵列实现光约束，倏逝场与纤芯内待测物的相互作用效率有限。虽有通过拉锥处理增强倏逝波穿透深度的报道，但拉锥过程会显著增加传输损耗且破坏光纤结构完整性；

6、（2）包层功能单一，缺乏主动传感增强机制。传统反谐振空芯光纤的包层仅承担光约束功能，折射率分布均匀，无法对倏逝场进行主动调控和增强。虽有将表面等离子体共振（spr）效应与空芯光纤结合的研究，但spr效应通常需要在光纤内壁沉积金属纳米结构，后处理工艺复杂且难以精确控制；

7、（3）现有螺旋结构与本发明的技术路径不同。现有螺旋包层技术（公开号：cn121348491a）通过结构单元的螺旋排列实现模式调控，包层材料的折射率本身为均匀分布；现有手性螺旋光纤技术（公开号：cn119916521a）通过在纤芯中设置螺旋侧芯实现模式控制。上述方案中包层材料的折射率本身并不具备沿轴向的正弦波调制特征；

8、（4）制备工艺复杂，结构精度受限。现有空芯光纤的制备主要采用堆栈-拉丝法（stack-and-draw），需将数十根毛细管精确排布后高温拉制，工艺复杂、成本高、结构精度难以精确控制。增材制造技术虽已开始应用于光纤预制体制备，但dlp光固化3d打印主要用于制备具有均匀折射率分布的结构，尚未见用于制备包层折射率沿轴向具有正弦波调制的空芯光纤的报道。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种轴向螺旋折射率调制的空芯光纤及制备方法和应用，通过将包层材料的折射率沿轴向呈螺旋状正弦波调制，使传输光在纤芯中沿螺旋路径传播，延长光与待测物质的相互作用路径长度并增强倏逝场强度，通过内壁表面设置有纳米复合敏感涂层，显著提升空芯光纤的传感灵敏度，采用数字光处理光固化3d打印技术，实现了复杂轴向螺旋折射率结构的高精度、低成本制备。

2、为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：

3、一种轴向螺旋折射率调制的空芯光纤，由外至内依次包括：

4、外包层；

5、轴向螺旋折射率调制包层，其折射率沿光纤轴向呈螺旋状正弦波调制，具有确定的螺旋方向，所述轴向螺旋折射率调制包层的折射率在径向上为均匀分布；

6、空气纤芯，为沿光纤轴向延伸的中空通道，其内壁表面设置有纳米复合敏感涂层。

7、进一步的，所述轴向螺旋折射率调制包层沿轴向的调制周期λ为300～600μm。

8、进一步的，所述轴向螺旋折射率调制包层的螺旋方向为左旋或右旋。

9、进一步的，所述轴向螺旋折射率调制包层的折射率调制幅度δn为0.010～0.025。

10、进一步的，所述轴向螺旋折射率调制包层由锗和氟共掺杂的二氧化硅构成，通过控制锗和氟的掺杂比例实现折射率沿光纤轴向呈螺旋状正弦波调制。

11、进一步的，所述纳米复合敏感涂层包括以下重量份数的各组分：

12、巯基化碳纳米管10～20份；

13、核壳结构au@ag纳米颗粒4～10份；

14、氮掺杂石墨烯量子点3～8份；

15、聚乙烯醇10～25份；

16、去离子水50～70份。

17、进一步的，所述纳米复合敏感涂层采用以下步骤制备得到：

18、将巯基化碳纳米管10～20份分散于去离子水50～70份中，超声分散40～80min，超声功率200～400w，超声频率40khz；再加入核壳结构au@ag纳米颗粒4～10份，磁力搅拌（300～600rpm）20～40min；再加入氮掺杂石墨烯量子点3～8份，继续搅拌（300～600rpm）20～40min；再加入聚乙烯醇10～25份，于60～90℃下搅拌溶解1～3h。

19、进一步的，所述巯基化碳纳米管的巯基化率为4～10at%；所述核壳结构au@ag纳米颗粒的核径为15～30nm、壳厚为2～5nm；所述氮掺杂石墨烯量子点的尺寸为2～8nm，氮掺杂量为5～12at%。

20、本发明还公开了一种轴向螺旋折射率调制的空芯光纤的制备方法，包括以下步骤：

21、步骤s1：轴向螺旋折射率调制包层预制体的3d打印：

22、步骤s1-1：按设计比例配制多种打印浆料，各浆料的区别在于锗和氟掺杂比例不同，以实现不同的折射率；

23、步骤s1-2：采用数字光处理光固化3d打印技术，以浆料为打印材料，按轴向螺旋折射率调制包层的三维结构模型进行逐层打印：沿光纤轴向，每层打印高度为10～50μm；沿轴向，通过控制各层中浆料的选择和交替使用实现折射率的螺旋正弦波调制，即在轴向的不同位置，根据正弦波调制曲线的数值选择对应折射率的浆料进行打印；打印层间固化采用紫外光照射，每层固化时间5～15s；得到轴向螺旋折射率调制包层预制体；

24、步骤s2：热脱脂和预烧结：

25、将步骤s1所得轴向螺旋折射率调制包层预制体置于管式炉中，在空气气氛下以1～3℃/min的升温速率加热至500～600℃，保温2～4h；随后切换为氩气气氛，以2～5℃/min的升温速率加热至1200～1400℃，保温1～3h进行预烧结，得到致密化的轴向螺旋折射率调制包层预制体；

26、步骤s3：外包层制备与光纤拉制：

27、步骤s3-1：将步骤s2所得轴向螺旋折射率调制包层预制体插入高纯石英外套管中，组装成光纤预制棒；

28、步骤s3-2：将光纤预制棒置于光纤拉丝塔中，在拉丝温度1750～1950℃、拉丝速度0.5～15m/min的条件下进行拉制，并控制光纤内部气压为5～50pa，使空气纤芯保持通畅，得到空芯光纤预制体；

29、步骤s4：内壁亲水处理：

30、将步骤s3所得空芯光纤预制体置于食人鱼溶液中，于80～120℃下处理1～3h，使空芯光纤内壁表面羟基化，随后用去离子水冲洗至中性，氮气吹干；

31、步骤s5：制备纳米复合敏感涂层溶液：

32、将巯基化碳纳米管10～20份分散于去离子水50～70份中，超声分散40～80min，超声功率200～400w，超声频率40khz；再加入核壳结构au@ag纳米颗粒4～10份，磁力搅拌20～40min；再加入氮掺杂石墨烯量子点3～8份，继续搅拌20～40min；再加入聚乙烯醇10～25份，于60～90℃下搅拌溶解1～3h；

33、步骤s6：内壁涂覆：

34、将步骤s5所得纳米复合敏感涂层溶液通过微量注射泵以0.5～2ml/min的流速注入步骤s4所得空芯光纤预制体的空气纤芯中，保持溶液在空气纤芯内流动10～20min，使溶液均匀附着于内壁表面；随后通入高纯氮气吹扫2～8min，除去多余溶液；

35、步骤s7：固化处理：

36、将步骤s6所得光纤置于真空干燥箱中，于40～60℃、真空度≤0.1mpa下干燥12～24h，使纳米复合敏感涂层溶液固化，得到轴向螺旋折射率调制的空芯光纤。

37、本发明还公开了一种轴向螺旋折射率调制的空芯光纤在气体传感、温度传感或生物化学传感中的应用。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

39、（1）首创轴向螺旋折射率调制包层结构。本发明首次提出轴向螺旋折射率调制包层，本征折射率沿轴向呈螺旋正弦波调制，这一结构设计在国内外文献及专利中均未见报道，具有原创性；

40、（2）超高灵敏度。本发明通过首创的轴向螺旋折射率调制包层结构设计与纳米复合敏感涂层的协同作用，实现了对折射率变化和待测气体浓度的超高灵敏度检测。实验结果表明，本发明的折射率灵敏度可达1150nm/riu以上，较未涂覆轴向螺旋折射率调制包层的空芯光纤（折射率灵敏度350nm/riu）提升约3.3倍；较传统反谐振空芯光纤+同款涂层方案（折射率灵敏度680nm/riu）提升约69%；较非螺旋轴向调制方案（折射率灵敏度920nm/riu）提升约25%；气体（甲烷）检测限可达0.6ppm，较传统技术显著提升；

41、（3）螺旋偏振模式区分能力。本发明的轴向螺旋折射率调制包层结构赋予光纤天然的圆双折射效应（有效折射率差可达3.2×10-5～3.8×10-5），使左旋与右旋偏振模式具有不同的传播常数和倏逝场分布，可通过监测两个正交偏振模式之间的干涉或损耗差异来提取待测信息，进一步提升传感自由度和灵敏度；

42、（4）高选择性。纳米复合敏感涂层中的巯基化碳纳米管和氮掺杂石墨烯量子点具有丰富的官能团（巯基、吡啶氮、吡咯氮、石墨氮等），可通过化学修饰实现对特定待测物（如重金属离子、含硫气体、生物分子等）的特异性识别；

43、（5）结构紧凑。本发明采用空气纤芯直接作为传感气室或样品池，无需外加气室，结构紧凑，可实现微型化传感；

44、（6）抗干扰能力强。光纤结构具备抗电磁干扰、耐腐蚀等优势，适用于复杂环境下的长期在线监测；

45、（7）制备工艺先进可控。本发明采用dlp光固化3d打印+热处理的增材制造路线，可实现复杂轴向螺旋折射率结构的高精度制备（层厚可达10～50μm），工艺可控性好、重复性高。与传统堆栈-拉丝法相比，本发明避免了数十根毛细管的精确排布难题，大幅降低了制备难度和成本；

46、（8）三元协同增强效应。本发明首次将巯基化碳纳米管、核壳结构au@ag纳米颗粒和氮掺杂石墨烯量子点三种纳米材料共同引入空气纤芯内壁涂层，三者之间的协同增强效应使灵敏度较双组分体系（碳纳米管+au@ag）提升约40%，检测限降低约81%。