随着光纤传感技术的发展,近红外光谱吸收型光纤气体传感器的研究在国内外得到了迅猛发展。空芯光子晶体光纤(Hollow Core Photonic Crystal Fiber,HC-PCF)作为一种特殊的光纤,其包层是由一系列周期性排列的空气孔所形成的光子晶体结构组成的,由于光子晶体的禁带特性,使特定频率的光被限制在纤芯中传播,此外其纤芯为空气孔结构,可方便待测气体的填充,利用HC-PCF作为光纤气体传感器气室时,不需要借助光学准直器或高反射镜等光学器件,打破了传统光纤气室有效吸收长度有限的缺点,同时具有体积小、重量轻、易缠绕等显著优点,为设计小型化、高灵敏度、远距离检测的气体传感器提供了新的思路,但是考虑到实际应用,基于HC-PCF的气体传感器还存在很多需要解决的问题。在查阅大量的国内外文献的基础上,本课题主要完成了以下研究内容:(1)高纤芯功率、低限制损耗、宽带宽的HC-PCF结构的设计。提出一种利用圆化六边形增加占空比,同时引入纤芯石英环结构的HC-PCF,利用COMSOL软件分别仿真分析了该结构下的包层层数、纤芯半径及纤芯石英环厚度对其纤芯光功率、限制损耗及有效模场面积的影响,并得出了纤芯光功率、限制损耗及有效模场面积与光波长的关系。最后得出结论:包层层数为7层时,纤芯半径和石英环相对厚度的最佳值应分别控制在1.4Λ～1.8Λ和3.5～5.5范围内。(2)密封气室、固定装置及机械耦合装置的设计。在设计密封气室的基础上添加了V型槽、固定槽及螺纹孔等固定装置,增加了系统的稳定性,之后以裸纤适配器和开口套管为核心,构建了机械耦合装置。利用所设计的机械耦合装置,通过实验确定了 HC-PCF与单模光纤、多模光纤的最佳间距分别为10μm和40μm;利用所设计的密封气室、固定装置及机械耦合装置,通过实验研究了气体压强差对气体填充时间的影响,填充0.05MPa和0.1OMPa的2%乙炔气体进入长60cm、NKT公司生产的、型号为HC-1550-02的HC-PCF分别需要23.0min和10.5min,说明增大进出气口的压强差,可以明显的缩短填充时间。(3)设计并搭建了 HC-PCF气体传感系统。以乙炔气体为例,得出了不同光源下输出光功率(比值)与乙炔气体浓度之间的关系,以可调谐激光器为光源时,通过直接光谱吸收法测量的最大分辨力和最大灵敏度分别为0.121ppm和8.259nW/ppm,最大绝对误差和相对误差分别为0.0432%和8.450%,稳定性和重复性对应的最大差值百分比分别为2.470%和9.419%;改用宽谱光源为光源,进行差分测量时,系统的稳定性和重复性同时得到改善,对应的最大差值百分比分别为0.284%和1.424%,表现出更为良好的性能。本文在设计HC-PCF气体传感器的过程中,分析并解决了其搭建过程中存在的难题,达到了预期的设计要求,实现了结构紧凑、灵敏度高、体积小的光纤气体传感器设计。下一步研究中应考虑密封气室、固定装置及机械耦合装置的进一步优化,检测方法的进一步改善,以促进其进一步向实用性方向发展。