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自從1966年英國華裔科學(xué)家高琨博士提出光纖以來(lái)，光纖幾乎貫穿了整個(gè)人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展，并且極大的改變了人們的生活方式。到如今，隨著(zhù)科技的不斷進(jìn)步，人們對于光纖性能的要求越來(lái)越高，傳統的玻璃光纖由于其本身的限制，如材料的吸收、色散、非線(xiàn)性、低損傷閾值等屬性，使得其在光纖通信、高功率激光輸出、超快光學(xué)、非線(xiàn)性光學(xué)等領(lǐng)域都表現出局限性，制約了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

為了突破傳統光纖的局限，研究人員進(jìn)行了更加深入的研究和探索。在研究過(guò)程中，纖芯為空氣的空芯光纖（Hollow Core Fiber，HCF）應運而生?？招竟饫w的結構相對于傳統光纖較為特殊，其通過(guò)其特定的包層結構，可以將光限制在空氣纖芯中進(jìn)行傳輸，這就改變了光在光纖中的傳輸介質(zhì)，從根本上避免了由于在材料本征限制而帶來(lái)的問(wèn)題?？招竟饫w的出現，為解決當前傳統光纖的局限提供了一個(gè)理想的解決方案。

空芯光纖的結構多種多樣，為了得到性能更加優(yōu)異的光纖，研究人員針對空芯光纖的結構進(jìn)行了深入的研究和設計。從最開(kāi)始的布拉格包層空芯光纖的提出，研究人員對于空芯光纖的研究就不曾停止但進(jìn)展十分緩慢。直到1996年，光子晶體光纖概念的提出，極大的加速了空芯光纖的發(fā)展。到了1999年，當第一根空氣導光的光子帶隙型空芯光纖被制造出來(lái)后，人們開(kāi)展了大量的研究，在研究過(guò)程中有對結構進(jìn)行了改善，提出了Kagome型空芯光纖。這種光纖的結構與光子帶隙型的光纖類(lèi)似，但是其并不支持光子帶隙傳輸，并且相對于光子帶隙光纖，Kagome光纖能夠同時(shí)在多個(gè)傳輸頻帶進(jìn)行傳輸，并且在總體覆蓋的光譜范圍更廣。針對Kagome光纖，研究人員對其進(jìn)行了深入的研究并提出了反諧振反射光波導（ARROW）導光機理。而反諧振空芯光纖則是在研究人員在研究Kagome過(guò)程中發(fā)現的。相比于其他的空芯光纖，反諧振空芯光纖結構更加簡(jiǎn)單，并且研究人員通過(guò)研究發(fā)現，其纖芯邊界為負曲率（纖芯邊界曲率與纖芯圓形的曲率方向相反）時(shí)能表現出更好的性能，并且它外面的一圈管狀結構對光纖的性能影響也不大。因此，反諧振空芯光纖逐漸成為研究人員研究的重點(diǎn)。

帶隙型光子晶體光纖


Kagome空芯光纖


負曲率空芯光纖

對于不同種類(lèi)的光纖，它們都具有自己獨特的優(yōu)勢和缺陷。拿傳統實(shí)芯光纖來(lái)說(shuō)，它是最早發(fā)展起來(lái)也是現階段工藝最為成熟、應用最為廣泛的光纖種類(lèi)，如今社會(huì )的各個(gè)領(lǐng)域幾乎都有實(shí)芯光纖的影子。但是，實(shí)芯光纖材料本身固有的非線(xiàn)性、色散、光照損傷等缺陷也同樣限制了光纖的發(fā)展，隨著(zhù)科技迭代的速度越來(lái)越快，人們對于光纖性能的要求也會(huì )越來(lái)越高，現有的實(shí)芯光纖的性能已經(jīng)不能夠滿(mǎn)足需求，必須謀求進(jìn)步和發(fā)展，但是材料的本征缺陷又限制了實(shí)芯光纖的發(fā)展，這就使得研究人員不得不將視角轉向更具有優(yōu)勢的空芯光纖上來(lái)。相比于傳統的實(shí)芯光纖，空芯光纖由于其能保證光是在空氣中傳輸，這一特點(diǎn)就極大的降低了材料特性對光纖性能的影響。

有關(guān)空芯光纖的優(yōu)點(diǎn)具體表現在一下幾個(gè)方面：

1）低延時(shí)。根據光在折射率為n的介質(zhì)中的傳輸速度公式v＝c／n可以知道當介質(zhì)的折射率越大時(shí)，光的傳輸速度越小。相比于玻璃材料空氣具有折射率為1，這就表明光在空芯光線(xiàn)中的傳輸速度是光速，遠遠超過(guò)在玻璃介質(zhì)中傳輸。

2）低色散。跟實(shí)芯光纖相比，由于空芯光纖的傳輸介質(zhì)是空氣，這就極大的降低了材料色散帶來(lái)的傳輸損耗。一般來(lái)說(shuō)，空芯光纖的材料色散要低于實(shí)芯光纖三個(gè)數量級。

3）低非線(xiàn)性。與低材料色散類(lèi)似，由于空氣相對于二氧化硅等玻璃材料來(lái)說(shuō)的低非線(xiàn)性折射率系數使得其具有更低的非線(xiàn)性效應。

4）高激光損傷閾值。在光纖進(jìn)行高功率激光傳輸時(shí)，光纖材料會(huì )吸收激光能量，導致材料缺陷處形成熱積累或纖芯與包層的溫度分布不均勻，從而產(chǎn)生光纖損傷。而空芯光纖由于可以實(shí)現超過(guò)99％的光功率在空氣中傳輸，光場(chǎng)與材料重疊極小，因此在相同的傳輸功率下有更低的材料吸收，也就擁有更高的激光損傷閾值。

出了以上列舉的優(yōu)點(diǎn)之外，空芯光纖還有低熱敏感性、抗輻照、超寬的傳輸帶寬等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢都極大的便利了空芯光纖的發(fā)展和應用。

根據空芯光纖的這些優(yōu)勢，其應用主要有以下幾類(lèi)，第一類(lèi)是由于空芯光纖的無(wú)畸變光傳輸而被用于光通信和高功率激光傳輸。

空芯光纖的超寬傳輸帶寬以及低色散使得它可以打破當前通信容量的限制，并且空芯光纖的低延時(shí)能夠顯著(zhù)的提高光通信的傳輸速度。這使得空芯光纖在光通信中具有巨大的應用潛力和發(fā)展前景，也在近幾年來(lái)產(chǎn)生了越來(lái)越多的應用。

空芯光纖的高激光損傷閾值、高光束質(zhì)量以及低非線(xiàn)性等特點(diǎn)使得其在微加工領(lǐng)域、微創(chuàng )手術(shù)、多光子顯微成像等所需的高功率激光傳輸方面有著(zhù)巨大的應用潛力。

空芯光纖的另一類(lèi)應用是作為光與物質(zhì)相互作用的平臺。在聚焦的激光束中，光與物質(zhì)相互作用主要發(fā)生在焦點(diǎn)附近，而在空芯光纖中，光可以保持較高的能量始終在纖芯中傳輸，光與物質(zhì)相互作用的有效長(cháng)度顯著(zhù)增加，這可以有效降低光與物質(zhì)相互作用的閾值和提高效率。

除此之外，由于光纖的空芯結構使得其具有更多的可操作性。在實(shí)際應用中，可以再纖芯填充功能性材料。這就將材料科學(xué)與光學(xué)兩大學(xué)科相互交叉，極大的拓展了空芯光纖的應用領(lǐng)域。填充的材料可以是固體、液體、氣體，可以根據不同的需求進(jìn)行填充材料的選擇，這極大地豐富了空芯光纖的使用范圍和方法。

隨著(zhù)光纖在苛刻環(huán)境中的應用越來(lái)越多，光纖傳感技術(shù)將廣泛擴展到空間應用領(lǐng)域，因此必須改善光纖和光纖器件的抗輻射性能，其中一個(gè)克服空間輻射問(wèn)題的主要解決途徑就是使用空芯光纖。

隨著(zhù)研究的不斷深入，我們有理由相信，空芯光纖會(huì )在未來(lái)的科技以及生活領(lǐng)域會(huì )占有越來(lái)越重要的地位。就如同傳統光纖貫穿了前幾十年我們的科技發(fā)展，有關(guān)空芯光纖的研究和發(fā)展也在不斷進(jìn)步，空芯光纖其巨大的發(fā)展潛力和前景也將使其在現在以及未來(lái)的科技革命中占有舉足輕重的地位。