自從1966年英國(guó)華裔科學(xué)家高琨博士提出光纖以來，光纖幾乎貫穿了整個(gè)人類社會(huì)的發(fā)展，并且極大的改變了人們的生活方式。到如今，隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于光纖性能的要求越來越高，傳統(tǒng)的玻璃光纖由于其本身的限制，如材料的吸收、色散、非線性、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)、非線性光學(xué)等領(lǐng)域都表現(xiàn)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(tǒng)光纖的局限，研究人員進(jìn)行了更加深入的研究和探索。在研究過程中，纖芯為空氣的空芯光纖（Hollow Core Fiber，HCF）應(yīng)運(yùn)而生。空芯光纖的結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)光纖較為特殊，其通過其特定的包層結(jié)構(gòu)，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的問題?？招竟饫w的出現(xiàn)，為解決當(dāng)前傳統(tǒng)光纖的局限提供了一個(gè)理想的解決方案。

空芯光纖的結(jié)構(gòu)多種多樣，為了得到性能更加優(yōu)異的光纖，研究人員針對(duì)空芯光纖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究和設(shè)計(jì)。從最開始的布拉格包層空芯光纖的提出，研究人員對(duì)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(dāng)?shù)谝桓諝鈱?dǎo)光的光子帶隙型空芯光纖被制造出來后，人們開展了大量的研究，在研究過程中有對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改善，提出了Kagome型空芯光纖。這種光纖的結(jié)構(gòu)與光子帶隙型的光纖類似，但是其并不支持光子帶隙傳輸，并且相對(duì)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(duì)Kagome光纖，研究人員對(duì)其進(jìn)行了深入的研究并提出了反諧振反射光波導(dǎo)（ARROW）導(dǎo)光機(jī)理。而反諧振空芯光纖則是在研究人員在研究Kagome過程中發(fā)現(xiàn)的。相比于其他的空芯光纖，反諧振空芯光纖結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，并且研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)，其纖芯邊界為負(fù)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(xiàn)出更好的性能，并且它外面的一圈管狀結(jié)構(gòu)對(duì)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(fù)曲率空芯光纖

對(duì)于不同種類的光纖，它們都具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和缺陷。拿傳統(tǒng)實(shí)芯光纖來說，它是最早發(fā)展起來也是現(xiàn)階段工藝最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的光纖種類，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性、色散、光照損傷等缺陷也同樣限制了光纖的發(fā)展，隨著科技迭代的速度越來越快，人們對(duì)于光纖性能的要求也會(huì)越來越高，現(xiàn)有的實(shí)芯光纖的性能已經(jīng)不能夠滿足需求，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(zhuǎn)向更具有優(yōu)勢(shì)的空芯光纖上來。相比于傳統(tǒng)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(duì)光纖性能的影響。

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

1）低延時(shí)。根據(jù)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(dāng)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中的傳輸速度是光速，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在玻璃介質(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的傳輸損耗。一般來說，空芯光纖的材料色散要低于實(shí)芯光纖三個(gè)數(shù)量級(jí)。

3）低非線性。與低材料色散類似，由于空氣相對(duì)于二氧化硅等玻璃材料來說的低非線性折射率系數(shù)使得其具有更低的非線性效應(yīng)。

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(dǎo)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(xiàn)超過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。

除了以上列舉的優(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(shì)。這些優(yōu)勢(shì)都極大的便利了空芯光纖的發(fā)展和應(yīng)用。

根據(jù)空芯光纖的這些優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用主要有以下幾類，第一類是由于空芯光纖的無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(dāng)前通信容量的限制，并且空芯光纖的低延時(shí)能夠顯著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(yīng)用潛力和發(fā)展前景，也在近幾年來產(chǎn)生了越來越多的應(yīng)用。

空芯光纖的高激光損傷閾值、高光束質(zhì)量以及低非線性等特點(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巨大的應(yīng)用潛力。

空芯光纖的另一類應(yīng)用是作為光與物質(zhì)相互作用的平臺(tái)。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(zhǎng)度顯著增加，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(jié)構(gòu)使得其具有更多的可操作性。在實(shí)際應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域。填充的材料可以是固體、液體、氣體，可以根據(jù)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。

隨著光纖在苛刻環(huán)境中的應(yīng)用越來越多，光纖傳感技術(shù)將廣泛擴(kuò)展到空間應(yīng)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)克服空間輻射問題的主要解決途徑就是使用空芯光纖。

隨著研究的不斷深入，我們有理由相信，空芯光纖會(huì)在未來的科技以及生活領(lǐng)域會(huì)占有越來越重要的地位。就如同傳統(tǒng)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?jié)摿颓熬耙矊⑹蛊湓诂F(xiàn)在以及未來的科技革命中占有舉足輕重的地位。