用来形成用于环境传感器的空心开缝的pbg光纤的预成形件和方法

专利名称：用来形成用于环境传感器的空心开缝的pbg光纤的预成形件和方法
技术领域：
本发明一般涉及形成用于环境传感器的光波导的方法，具体涉及用于环境传感器 的空心开缝的光子带隙(PBG)光纤的预成形件，还涉及使用所述预成形件形成所述光纤的 方法。发明
背景技术：
现有技术中已知具有空心的光纤形式的环境传感器。用于所述传感器的光纤的空 心通常通过包围所述空心的光子带隙(PBG)结构传导光。该PBG结构产生了对应于通过所 述光纤传输的波长的"禁阻频率范围"，尽管对于特定波长范围通过全内反射(TIR)传导 光的空心光纤也是已知的。所述传感器用来检测“目标物质”的存在，所述目标物质是例如 环境中存在的特定气体或液体。例如，所述目标物质可以是环境空气中有可能指示火灾或 者其它灾害情况的二氧化碳的阈值量。在一种现有技术的设计中，使得光纤的一端或两端都将该光纤的空心暴露于环境 大气，使得环境大气的气体能够连续地流入所述空心。在操作中，将具有会被特定待测气体 组合物吸收的波长的激光连续地传导通过所述光纤的空心。当所述气体从环境大气中引入 光纤的开放端的时候，气体开始流过空心。由于所述气体会吸收光，传输通过空心的激光的 波幅会降低。在前文所述的二氧化碳的情况，可以使用特定的阈值衰减产生信号，触发火警 电路。所述环境传感器可以用来检测很多种目标物质，例如气氛中的不同的气体组成， 有机和无机的微粒或蒸气液滴，以及当所述光纤浸没在液体的时候，甚至可以检测不同的 液体组成。因此，所述传感器用途广，不仅可以作为燃烧产物或者污染物或者可能有毒物质 的检测器，而且可以在需要对特定气体或液体的组成进行控制的工业生产工艺中作为控制 或者监控的传感器。题为“光波导环境传感器及其制造方法(Optical waveguideenvironmental sensor and method of manufacture) ”的美国专利第7，；343，074号揭示了一种光波导环境 传感器，其包括细长的侧面开口，将空心直接暴露于环境，该专利共同转让给本申请人，参 考结合于此。在现有技术中，将这种细长侧面开口的形式称作“光脊形波导”。光脊形波导 通常包括一种或多种材料的狭窄的脊，该脊位于第二种(或相同的)材料的厚板顶上。较 低折射率的第三种材料(通常是空气)包围着所述脊和厚板的顶面，从而提供折射引导机 构。所述厚板的厚度通常与脊相同，位于提供另外的垂直限制的较低折射率的基材上。由于光脊形波导易于制造，因此很有吸引力。该种材料结构以平面层的形式制造，然后通过在选定的区域除去材料层，留下初始结构的脊，从而限定出波导。大部分脊形波导 是平面型器件，用光刻法限定，然后使用半导体工业众所周知的技术蚀刻而形成。但是，在 基于光纤的波导中形成这样的结构要困难得多，特别是对于依靠细长的侧面开口使得光纤 的空心暴露于环境的基于光纤的环境传感器。例如，一种在光纤中形成细长的侧面开口“或 狭缝”的方法是使用激光加工。不幸的是，当使用激光在光纤中切割狭缝的时候，会对光纤 的强度造成负面影响。另外，使用激光加工或机械加工形成长的狭缝是一项困难的任务。因此，人们需要一种能够形成空心、开缝的PBG光纤的方法，该方法无需在拉制光 纤之后进行机械加工以形成狭缝。

发明内容
本发明的第一个方面涉及一种用来形成开缝的光子带隙(PBG)光纤的预成形件。 所述预成形件包括圆筒形包层管，该包层管具有第一中心轴，前端，后端，限定开放的内部 的内表面，以及外表面。所述包层管具有形成于外表面内、直通内表面、并具有前端和后端 的第一纵向狭缝。所述预成形件还包括中杆(cane)，所述中杆包括第二中心轴；PBG区域， 该PBG区域沿着所述第二中心轴设置并包括基本以所述第二中心轴为中心的空心；和实心 外部区域，该实心外部区域包围所述PBG区域并具有外表面。所述中杆具有形成于实心区 域外表面内的第二纵向狭缝。在所述第一中心轴和第二中心轴基本对准，所述第一和第二 纵向狭缝基本对准的情况下将所述中杆设置在包层管内部。本发明的第二个方面涉及一种形成空心开缝的PBG光纤的方法。该方法包括提供 预成形件，所述预成形件包括包层，包层具有第一纵向狭缝并包围中杆。所述中杆具有实心 外部区域，该外部区域包围中心PBG区域，所述中心PBG区域具有中央的空心。所述中杆还 可以具有形成于所述外部区域内的第二纵向狭缝。所述第一和第二纵向狭缝基本对准。该 方法还包括对所述预成形件进行拉制，形成空心PBG光纤，所述光纤中形成有纵向的狭缝。本发明的第三个方面涉及一种形成用于空心开缝的PBG光纤的预成形件的方法。 所述方法包括提供圆筒形包层管，所述包层管具有第一中心轴，前端，后端，限定开放的内 部的内表面，以及外表面。所述方法还包括提供中杆(cane)，所述中杆包括第二中心轴； PBG区域，该PBG区域沿着所述第二中心轴设置并包括基本以所述第二中心轴为中心的空 心；实心外部区域，该实心外部区域具有外表面并包围所述PBG区域。所述方法还包括在所 述包层管的外表面内形成第一纵向狭缝，该狭缝贯穿所述内表面；以及在中杆外表面内形 成第二纵向狭缝，该第二纵向狭缝延伸到实体外部区域中。该方法还包括在所述第一中心 轴和第二中心轴基本对准，所述第一和第二狭缝基本对准的情况下将所述中杆设置在包层 管内部。所述方法任选包括在将所述中杆置于包层管内之后，使用单一的形成狭缝的方法 形成第一和第二狭缝。所述狭缝还可以分别形成，然后将包层管和中杆组合，使得狭缝基本 对准。在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对 本领域的普通技术人员而言根据所作描述就容易理解，或者通过实施包括以下详细描述、 权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。应理解，前面的一般性描述和以 下的详细描述都是本发明的示例性实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特 性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，并被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本发明的各种实施方式，并与详细说明 一起用来说明本发明的原理和操作。附图简要说明参照附图，阅读本发明的以下详细描述，可以更好地理解本发明的这些方面、特征 和优点以及其他的方面、特征和优点，附图中

图1是用来形成空心开缝的PBG光纤的示例性光子带隙(PBG)预成形件的透视 图；图2是图1的PBG预成形件的第一示例性截面图，其中PBG中杆的狭缝未到达PBG 区域；图3是图1的PBG预成形件的第二示例性截面图，其中PBG中杆的狭缝延伸到PBG 区域中；图4是图1的PBG预成形件的第三示例性截面图，其中PBG中杆的狭缝延伸到空 心PBG区域中；图5是包层管和PBG中杆在使用一种示例性的方法组合形成预成形件之前的透视 图，其中狭缝是在将PBG中杆设置在包层管中之前形成的；图6是图1的PBG预成形件的第四示例性截面图，其中PBG中杆的狭缝比包层管 的狭缝宽；图7是图1的PBG预成形件的第五示例性截面图，其中对预成形件进行加工，消除 了包层管和PBG中杆之间的界面；图8是适合由本发明的PBG预成形件形成空心开缝的PBG光纤的常规光纤拉制设 备的示意图；图9A是一种使用PBG预成形件形成的示例性的空心开缝的PBG光纤的截面照片， 其中两个预成形件狭缝都是通过以下单一操作形成的切穿包层管，部分地切到PBG中杆 中，但是未切到PBG区域中；图9B是说明最终的空心开缝PBG光纤的示例性实施方式的截面示意图，其中狭缝 与空心相连；图10是使用PBG预成形件形成的示例性的空心开缝的PBG光纤的截面照片， 其中开缝的包层管被薄的未开缝的包层管包围，从而在拉制的光纤中形成被覆盖的狭缝 (301)；图11是用来形成图10的开缝的PBG光纤的预成形件的截面图；图12是示例性的PBG预成形件的截面照片，其中在进行单独的研磨操作以形成各 自的预成形件狭缝之前，将预成形件加工形成整体结构；以及图13是光波导环境传感器的示例性实施方式的示意图，该传感器使用本发明的 空心开缝的PBG光纤。发明详述下面将介绍本发明的优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要 可能，在所有附图中使用相同的编号和标记来表示相同或类似的部分。在以下的描述中， “上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“垂直”、“水平”等之类的术语是相对的术语，用于描述， 并没有限制的含义。
本发明涉及一种用来形成空心光子带隙(PBG)光纤的预成形件和方法，所述光纤 具有沿着该光纤纵向延伸的细长的开口或“狭缝”。所述开缝的PBG光纤使用开缝的预成形 件形成，当将所述预成形件拉制成开缝的PBG光纤的时候，该缝得以保持。由此无需在形成 光纤之后再形成狭缝。一旦形成了预成形件，就使用一些用来形成光子带隙光纤的常规技术中的任意 一种技术形成空心开缝的PBG光纤。以下共同拥有的参考文献涉及形成光子带隙光纤， 并适合用于本发明，参考结合于此美国专利第6，243, 522号，美国专利第6，847，771号， 美国专利第6，444，133号，美国专利第6，788，862号，美国专利第6，917，741号，美国专 利申请公开第2004/0258381号，美国专利申请公开第2004/0228592号，美国专利申请公 开第2007/(^66738号，PCT专利申请公开第WO 01/37008号，以及美国专利申请系列号第 10/171，335 号。一旦形成之后，所述空心开缝的PBG光纤就可以用来形成下文所述的光波导环境 传感器。光子带隙预成形件图1是根据本发明的示例性预成形件10的透视示意图。图2至图4是所述示例性 的预成形件沿着直线C-C获得的第一、第二和第三示例性截面图。预成形件10包括圆筒形 包层管20，该包层具有中心轴22、限定内部25的内表面对，外表面沈，前端30和后端32。 包层管20由通常构成光纤包层的材料，例如石英构成。包层管20包括狭缝40，其形成于外表面沈内，并贯穿内表面24。在一个示例性 的实施方式中，狭缝40是沿径向取向的。在另一个实施方式中(未显示)，狭缝40可以不 是沿径向取向的(即成切线方向取向)。狭缝40优选平行于中心轴22沿着包层管20纵向 延伸，具有前端42和后端44，宽度W1和长度Lp狭缝40可以延伸至最高达包层管20长度 的100%，例如约为包层管20长度的20-50%。在示例性的实施方式中，狭缝40的宽度W1 约为0. 06-0. 2英寸，在一个具体的示例性实施方式中，宽度W1约为0. 07英寸。并且在示例 性的实施方式中，狭缝40的长度L1约为4-8英寸，在具体的示例性实施方式中，长度L1约 为4英寸。在示例性的实施方式中，狭缝前端42与管的前端30相隔距离Dp在示例性的 实施方式中，距离D1约为1-2英寸，在具体的示例性实施方式中，距离D1约为1.5英寸。预成形件10还包括位于包层管内部25之内的中杆60。图5是包层管20和中杆 60在组合形成预成形件10之前的透视图。中杆60包括中心轴62，外表面66，前端68和 后端70。中杆60还包括包围以中心轴62为中心的PBG区域76的实心外部区域72(例如 石英)，因此在下文中称作“PBG中杆”60。PBG区域76包括晶格型微结构，其包括基本沿着 中杆的中心轴62设置的空心80。PBG区域76构造成产生“带隙”或“禁阻区”，用来在空心 80内限定至少一种光学形式。在示例性的实施方式中，PBG区域76包括一个或多个“平的 侧面” 77，例如图2的示例性截面图所示的六边形侧面。在示例性的实施方式中，PBG区域76包括具有不同折射率的不同光传导材料的图 案，例如气孔84的图案。或者，PBG区域76可以由两种不同的实心光传导材料(例如两种 不同的玻璃，或者玻璃与塑料)的交替图案形成。PBG区域76可以由这些材料的交替层形 成，只要这两种材料的折射率之差能够有效地形成上述“禁阻区”即可。PBG中杆60包括狭缝100，该狭缝形成于外表面66中，延伸到中杆外部区域72中。在示例性的实施方式中，狭缝100是沿径向取向的。在另一个实施方式中(未显示)， 狭缝100可以不是沿径向取向的(即成切线方向取向)。狭缝100优选沿着中杆60纵向延 伸，具有在中杆前端68的开放的前端102，后端104和底部110。狭缝100具有宽度W2和 长度L2。在另一个实施方式中(图中未显示)，狭缝前端102可以与中杆前端68隔开一定 的距离，该距离可以等于、大于或小于距离Dp狭缝100可以延伸至最高达中杆60长度的 100%，例如约为中杆60长度的20-50%。在示例性的实施方式中，狭缝100的宽度W2约为 0. 06-0. 2英寸，在具体的示例性实施方式中，宽度W2约为0. 07英寸。在各个示例性实施方 式中，W1 < W2, W1 > W2 以及 W2 彡 W1,并且，在示例性的实施方式中，狭缝100的长度L2约为4-8英寸，在具体的示例性 实施方式中，长度L2约为5. 5英寸。在示例性的实施方式，狭缝底部110在中杆外部区域 72之内，与PBG区域76相距D2，如图2所示，而在另一个示例性的实施方式中，狭缝底部位 于PBG区域之内，如图3所示。图4是图1的PBG预成形件10的第三个示例性截面图，其 中PBG中杆狭缝100延伸到空心80中，在此情况下，所述狭缝没有底部110。在各个示例性实施方式中，L1 < L2, L1 > L2以及L1 = L20图6是图1的PBG预成形件10的第四个示例性截面图，图中显示了示例性的实施 方式，其中包层管的狭缝40比中杆的狭缝100窄(例如W1 = 0. 065英寸而W2 = 0. 088英 寸)。所述较窄的外部狭缝40能够在拉制过程中减少热量渗透，还能够减少狭缝变形以及 光纤结构变形。如图1-4和图6所示，通过将PBG中杆60设置在包层管20内部25，使得中心轴 22和62基本对准而形成预成形件10。同样，包层管狭缝40基本上与下方的中杆狭缝100 对准。在示例性的实施方式中，包层管狭缝40和中杆狭缝100通过例如独立的机械加工工 艺分别形成，然后将PBG中杆60设置在包层管20的内部25，使得狭缝基本对准。在另一 个示例性的实施方式中，PBG中杆60设置在包层管20的内部25，然后通过切穿包层管并切 到PBG中杆中而形成狭缝40和100。在示例性的实施方式中，使用机械加工(例如使用窄 的(例如3毫米)的金刚石粘合的砂轮)形成狭缝40和/或100。除了研磨以外，还可以 使用其它的机械加工方法，例如蚀刻，铣削，激光，烧蚀和/或浸出形成狭缝40和/或100。并且在图7所示的示例性实施方式中，对PBG预成形件10进行加工(例如热处 理)以形成整体结构，消除包层管20和PBG中杆之间的界面。在所示的示例性实施方式中， 该方法包括拉制(或“预拉制”)PBG预成形件10。在图7的实施方式中，包层管20与PBG 中杆外部区域72熔合，形成实心包层区域73。可以将实心包层区域73看作“预熔合”的区 域，因为如下文所述，在拉制光纤202的时候，包层管20和PBG中杆外部区域72会熔合形 成整体的外包层373。同样，在所述预拉制过程中，包层管狭缝40和PBG中杆狭缝100熔合 (或“预熔合”)，在包层区域73形成单独的狭缝101 (其任选延伸到PBG区域76中)。用来形成开缝的PBG光纤的拉制设备图8是适合用来由上文所述的PBG预成形件10形成空心开缝的PBG光纤202 (下 文称作“光纤202”)的常规光纤拉制设备300的示意图。然后如下文所述使用光纤202形 成光波导环境传感器。设备200包括进料机构210，其可操作地接合PBG预成形件10，该预成形件10具有 如上文所述的前端30和后端32。设备200包括炉230，该炉具有排出端232和接受端234，
8当所述进料机构激活的时候，所述接受端234配置成接受预成形件前端30。在炉230的下 游是测量单元240 (例如激光测微计)。将压轮270配置在测量单元240的下游，配置成在 拉制光纤的时候在光纤202中产生张力。压轮270也配置成将光纤202送到卷线轴观0。 设备200还包括控制器四0，该控制器290与进料机构210，炉230，测量单元M0，压轮270 和卷线轴280可操作连接。在操作中，将PBG预成形件10置于设备200中，这样进料机构210接合预成形件 后端32。为了对来自控制器四0的控制信号作出响应，进料机构210将预成形件的前 端30引入炉230的接受端234中。控制器290通过炉控制信号来控制炉230的拉制 温度。炉230用来使得前端30软化，然后将新形成的光纤202以特定的速度从炉的排出端 232拉出。然后新拉制的光纤202绕着压轮270转动，卷绕储存在卷线轴280上。示例性的预成形件和开缝的PBG光纤图9A是使用上述PBG预成形件10形成的示例性光纤202的截面照片，其中PBG 预成形件的狭缝40和100是在单个操作中形成的，在此操作中，切穿包层管20，并部分地 切到PBG中杆60中，但是未切到PBG区域76中。该过程使用3毫米宽的金刚石粘合的砂 轮研磨出长度L1约为4英寸的狭缝40，该狭缝40与包层管前端30的距离D1约为1英寸。 也在PBG中杆60中研磨出狭缝100，该狭缝是从中杆前端70到长度L2,其长度也约为4英 寸，到达一定的深度，使得狭缝底部110位于PBG区域76的一个平侧面77之上大约0. 062 英寸的距离A之处(例如见图2)。制得的光纤202具有外包层区域373，该外包层区域373包围具有空心380的PBG 区域376。外包层区域373对应于预成形件10的熔合的包层管20和中杆外部区域72 (或 者对应于“预熔合”的包层区域73)。预成形件狭缝40和100也熔合形成延伸到PBG区域 376中的单独的细长的侧面开口或狭缝301。在示例性的实施方式中，PBG区域76包括气 孔84，PBG区域376包括相应的气孔384。图9B是显示最终的光纤202的示例性实施方式 的截面示意图，其中狭缝301与空心380相连。本发明涉及使用一步法或两步法形成光纤202。在一步法中，在拉制过程中形成 狭缝301，这样狭缝301与空心380相连。由此形成了火焰抛光的狭缝，同时未产生机械加 工产生的碎屑。在两步法中，最初狭缝301在光纤拉制过程中没有到达空心380，用第二过 程(例如机械加工过程，例如研磨或激光加工)使狭缝与空心相连(例如使得狭缝延伸至 空心)。尽管所述第二过程会产生机械碎屑，但是碎屑的量要比从包层管外表面沈开始机 械加工狭缝301产生的碎屑的量少。图9A的光纤202的狭缝301形成“十九孔”缺陷，也就是说，PBG区域376失去十九 个孔。然后如虚线303所示，使得图8中的狭缝301延伸(例如通过精密机械加工或激光 加工)与空心380相连。在示例性的实施方式中，激光法包括使用脉冲飞秒激光烧蚀狭缝 301和空心380之间的材料。在示例性的实施方式中，要除去的材料厚度约为20-35 μ m。要 除去的材料包括一部分的PBG区域376，可能还包括一部分外包层区域373，取决于狭缝301 的深度。在示例性实施方式中，在真空作用的辅助下将光纤202保持在V型凹槽定位器内， 使该定位器内的光纤(原文无)以控制烧蚀速率的方式移动通过飞秒脉冲激光束。在此处注意到，先形成狭缝301，然后使得狭缝延伸到达空心380的结果是光纤 202的强度约为通过形成直接穿过外包层区域373的狭缝制得的开缝光纤的强度的两倍或更多(即前者具有更高的拉伸强度)。当通过拉制预成形件10形成狭缝301的时候发生光 纤结构的软熔，可用来减少缺陷的形成，所述缺陷会降低光纤的强度。具体来说，会形成平 滑的凹槽表面，减少点缺陷，从而有助于形成强度更大的光纤202。图10是使用与上文所述的预成形件10类似的PBG预成形件形成的示例性光纤 202的截面照片，但是其中开缝的包层管20被薄的未开缝的包层管21包围，如图11所示的 预成形件。在此情况下，在制得的光纤202中形成的狭缝301被玻璃薄层321覆盖，由此形 成“覆盖的狭缝”或“通道”。这样的覆盖的狭缝301可以用于得益于捕集待测目标物质的 传感器用途。在示例性的实施方式中，在拉制过程中使得覆盖的狭缝301与压力和/或真空系 统相连，以控制狭缝的尺寸、玻璃层321的薄度，以及通过对狭缝施加足够的压力，使得光 纤在薄壁区域鼓胀，从而形成标记，指示狭缝位于光纤202中的位置。在另一个示例性的实施方式中，在玻璃薄层321中制造一个或多个孔323，狭缝 301延伸(通孔303)直到空心380，使得目标物质(如下文讨论)可以进入覆盖的狭缝301。图12是一个示例性的PBG预成形件10的截面照片，其中对预成形件进行加工(例 如拉制或“预拉制”)，使得包层管20和PBG中杆60熔合成整体结构，然后进行单一的机械 加工(例如研磨)操作，以形成作为单一狭缝101的狭缝40和100。制得的狭缝101的标 称宽度W1为0. 065英寸，尽管由于机械加工操作的特征，其底部110处具有斜度。还需要 注意在此实施方式中，狭缝101的底部110位于PBG区域76之内，如上述的图3所示。还 注意到在由预成形件拉制光纤202之前通过对预成形件10进行拉制，消除了包层管20和 PBG中杆76之间的界面，如上文关于图7所述。较窄的狭缝100能够通过减少拉制过程中到达PBG区域的热量，来减少拉制过程 中PBG区域76的变形。此种形成狭缝的方法可以无需将包层狭缝40和中杆狭缝100对准， 基本上消除了当包层管20和PBG中杆60之间存在界面的时候发生的狭缝变形。使用开缝的PBG预成形件10形成光纤202的优点在于，制得的光纤的强度很可能 大于在拉制过程之后进行狭缝机械加工的PBG光纤的强度。这是因为在拉制过程中对狭缝 301进行“火焰抛光”，而对光纤进行的后拉制机械加工过程往往会破坏形成微结构的晶格， 留下粗糙的狭缝。另外，即使需要机械加工方法将狭缝301与空心380相连，狭缝的外部边 缘也仍然保持平滑。环境传感器如上所述，光纤202适合用作传感器，因为狭缝301允许来自周围环境的目标物质 (气体，液体，微粒等)与在空心380内传播的至少一种芯形式相互作用。在示例性的实施 方式中，空心380和狭缝301形成了脊形波导，其中一部分传导的光在狭缝内传播，另一部 分在空心内传播，从而使光与狭缝内以及空心内的目标物质相互作用(进行到使目标物质 进入空心内的程度)。狭缝301缩短了周围环境气氛中的目标物质与光纤202引导的光相 互作用所需的时间，从而缩短了对环境进行检测所需的响应时间。图13是光波导环境传感器400的示例性实施方式的示意图，该传感器使用本发明 的光纤202。传感器400包括具有前端203和后端204的光纤202的部分。传感器400还 包括光源410，该光源410能够发射光412，并在光纤202的前端203处与空心380光耦合。 光源410可以包括例如准单色激光源，多重激光源(同向传播或反向传播)，宽带光源(例如钨卤素灯，辉光棒，光谱灯，等等)，发光二极管，或者能够用于检测用途的任意其它的光 源。传感器400还包括光传感器420，其在光纤202的后端204与空心380光耦合，还 与控制器/数字处理器430相连。光传感器420可以是例如光检测器，例如光电晶体管。在传感器400操作时，至少部分的光纤202 (优选整个光纤)置于包括至少一种目 标物质450的环境444中。控制器/数字处理器430为光源410提供控制信号SC，使得光 源发光412。发射的光412传入空心380，沿着空心380以及狭缝301传播。同时，使环境 目标物质450流入狭缝301中，如箭头460所示。对光412(例如激光)的频率进行选择， 使其被目标物质450影响(例如被目标物质450散射或者吸收)，因此其波幅与狭缝301中 没有目标物质的情况相比是减小的。例如，如果传感器400用作火灾检测器的话，则可以对 受到目标物质450影响的光412的频率进行选择，使其会被二氧化碳或者选定的预示火灾 类型的副产物吸收。因为目标物质450会影响在狭缝301和空心380中传播的至少一部分光412，光纤 出口端234处光的波幅与狭缝中没有目标物质的情况相比会减小。光传感器420在后端234接收从光纤202射出的光412，产生电信号SS，该电信号 代表检测到的光的量。控制器/数字处理器430会接收电信号SS，连续监控该电信号的幅 值。对控制器/数字处理器430编程，使得当由于狭缝301和空心380中存在特定量的目 标物质450，电信号SS的幅值低至选定的阈值的时候，控制器/数字处理器(或另一个电 路，图中未显示)会触发报警器。因为狭缝301提供几乎能直接利用目标物质的入口，因此传感器400的响应时间 也几乎是立即响应。另外，因为与由空心380和狭缝301形成的脊形光波导相关的损失较 低，光纤202部分的长度可以约等于或大于10米。这导致了具有高灵敏度的传感器400，使 其能够对特定区域存在的环境目标物质广泛地取样，减少了假正值的机会，从而提高了传 感器的总体可靠性。对本领域的技术人员而言显而易见的是，可以在不偏离本发明的精神和范围的情 况下对本发明进行各种修改和变动。因此，本发明意图是本发明覆盖本发明的修改和变动， 只要这些修改和变动在所附权利要求书和其等同项的范围之内即可。
权利要求
1.一种用来形成开缝的光子带隙(PBG)光纤的预成形件，该预成形件包括圆筒形包层管，该包层管具有第一中心轴，前端，后端，限定开放的内部的内表面，以及 外表面，所述包层管具有形成于所述外表面内、直到所述内表面、并具有前端和后端的第一 纵向狭缝；中杆，该中杆包括第二中心轴；PBG区域，该PBG区域沿着所述第二中心轴设置并包 括基本以所述第二中心轴为中心的空心；以及实心外部区域，所述实心外部区域包围所述 PBG区域并具有外表面；所述中杆具有形成于所述实心区域外表面内的第二纵向狭缝；其中，在第一中心轴和第二中心轴基本对准，所述第一和第二纵向狭缝基本对准的情 况下将所述中杆设置在包层管内部。
2.如权利要求1所述的预成形件，其特征在于，所述第二纵向狭缝延伸至所述中杆的 前端。
3.如权利要求1所述的预成形件，其特征在于，所述第一纵向狭缝未延伸至所述包层 管的前端。
4.如权利要求1所述的预成形件，其特征在于，所述第一纵向狭缝的宽度为W1,第二狭 缝的宽度为W2，其中W2 SW1。
5.如权利要求1所述的预成形件，其特征在于，所述第二纵向狭缝延伸到所述PBG区域中。
6.如权利要求1所述的预成形件，其特征在于，所述第二纵向狭缝延伸到所述空心中。
7.如权利要求1所述的预成形件，其特征在于，所述预成形件还包括包围所述开缝的 包层管的薄的未开缝的包层管。
8.一种用来形成空心开缝的光子带隙(PBG)光纤的方法，该方法包括提供预成形件，该预成形件包括包层管和中杆，所述包层管具有第一纵向狭缝并且包 围中杆，所述中杆具有实心的外部区域，该实心的外部区域包围中心PBG区域，所述中心 PBG区域具有中央空心，所述中杆具有形成于所述外部区域内的第二纵向狭缝，其中，所述 第一和第二纵向狭缝基本对准；以及对所述预成形件进行拉制，形成所述空心PBG光纤，所述光纤中形成有纵向狭缝。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法还包括对所述预成形件进行加工，以 消除PBG中杆和包层管之间形成的界面。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述包层管限定了开放的内部，所述提供 预成形件的步骤包括在所述包层管中形成第一纵向狭缝；在所述PBG中杆中形成第二纵向狭缝；以及将所述PBG中杆设置到所述包层管的开放内部中，使得所述第一和第二纵向狭缝基本 对准。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述包层管限定了开放的内部，所述提供 预成形件的步骤包括将未开缝的PBG中杆设置到未开缝的包层管内部中；以及在单个狭缝形成操作中形成所述第一和第二纵向狭缝。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述狭缝形成操作包括机械加工贯穿所述包层管，并且加工到所述PBG中杆的实心外部区域中。
13.如权利要求8所述的方法，还包括用薄的未开缝的包层管包围所述包层管，因此拉制的光纤包括覆盖其中形成的狭缝的薄覆盖物。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述纵向狭缝与所述空心相连。
15.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在拉制的时候，所述纵向狭缝未与空心相 连，该方法还包括将纵向狭缝与所述空心相连。
16.一种检测环境中的至少一种目标物质的方法，该方法包括进行权利要求8所述的方法，形成一段长度的空心开缝的光子带隙(PBG)光纤； 使得所述至少一种目标物质至少部分地充入所述狭缝；在所述长度上，使得光传输通过所述空心以及通过所述至少部分充入的狭缝；以及 检测在所述至少部分充入的狭缝内受到目标物质影响的光的量。
17.一种用来形成用于形成空心开缝的光子带隙(PBG)光纤的预成形件的方法，该方 法包括提供圆筒形包层管，所述包层管具有第一中心轴，前端，后端，限定开放的内部的内表 面，以及外表面；提供中杆，所述中杆包括第二中心轴；PBG区域，该PBG区域沿着所述第二中心轴设置 并包括基本以所述第二中心轴为中心的空心；实心外部区域，该实心外部区域具有外表面 并包围所述PBG区域；在所述包层管的外表面内形成第一纵向狭缝，该狭缝贯穿所述内表面； 在所述中杆的外表面内形成第二纵向狭缝，该第二纵向狭缝延伸到所述实心外部区域 中；以及在所述第一中心轴和第二中心轴基本对准，所述第一和第二狭缝基本对准的情况下将 所述中杆设置在包层管内部。
18.如权利要求17所述的方法，所述方法还包括首先将所述中杆设置在所述包层管 内，然后形成所述第一和第二纵向狭缝。
19.如权利要求16所述的方法，所述方法还包括对所述预成形件进行拉制，形成空心 开缝的PBG光纤。
20.如权利要求16所述的方法，还包括对所述预成形件进行拉制，形成空心开缝的PBG光纤，该光纤具有未延伸到空心的纵 向狭缝；使得所述纵向狭缝延伸到达空心。
全文摘要
本发明揭示了一种用来形成用于环境传感器的空心开缝光子带隙(PBG)光纤的预成形件，以及使用所述预成形件形成这种光纤的方法。所述预成形件包括包围开缝的空心PBG中杆的开缝的包层管。所述包层管和PBG中杆中的狭缝沿纵向形成，基本上互相对准。在拉制预成形件的时候，所述狭缝熔合，在制得的空心PBG光纤中形成细长的侧面开口或狭缝。在一种情况下，所述狭缝在拉制的时候到达所述空心，在另一种情况下，采用第二步骤，使得狭缝延伸至与空心相连。所述光纤用来形成环境传感器，用来检测环境中是否存在目标物质。所述光纤的PBG区域中形成的狭缝形成了脊形波导，其中一部分的不然会以受限制方式被限制在空心的光在狭缝中传播。所述目标物质影响光纤内传播的光，由此便于检测目标物质。
文档编号G02B6/02GK102066996SQ200980124957
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月18日 优先权日2008年6月26日
发明者B·J·胡佛, J·E·姆卡蒂, J·P·卡伯里, K·W·科齐三世, L·C·达比奇二世, M·T·加拉赫 申请人:康宁股份有限公司