一、背景介紹

高功率光纖激光器憑借其轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、光束質(zhì)量好以及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、****、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等各個(gè)研究領(lǐng)域，極大推動(dòng)了人類(lèi)社會(huì)發(fā)展。目前，光纖激光器在1 µm波段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了20 kW連續(xù)激光單纖輸出，通過(guò)光束合成技術(shù)已經(jīng)突破200 kW激光輸出。在輸出激光脈寬方面，光纖激光器通過(guò)調(diào)Q、鎖模技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)從準(zhǔn)連續(xù)到飛秒全覆蓋，其中皮秒、飛秒光纖激光器峰值功率可以達(dá)到GW量級(jí)。在輸出波長(zhǎng)方面，通過(guò)選用不同的稀土離子摻雜光纖以及光與物質(zhì)的非線(xiàn)性相互作用等方式，輸出光譜范圍可以從紫外覆蓋至中紅外波段，滿(mǎn)足應(yīng)用需求。

隨著傳輸功率的不斷提高，傳統(tǒng)實(shí)芯石英傳能光纖由于其纖芯材料損傷閾值以及非線(xiàn)性效應(yīng)的限制，極大影響了傳輸功率以及傳輸長(zhǎng)度的進(jìn)一步提升。并且石英材料在中紅外波段嚴(yán)重的物質(zhì)吸收以及在短波處較大的瑞利散射損耗，影響了其傳輸激光范圍。如何將多波段高功率激光進(jìn)行高效、穩(wěn)定的柔性傳輸仍是重要的發(fā)展方向。

為打破傳統(tǒng)實(shí)芯石英光纖的限制，空芯光纖應(yīng)運(yùn)而生，尤其是空芯反諧振光纖（HC-ARF）?？招痉粗C振光纖是一種依靠反諧振反射光波導(dǎo)進(jìn)行導(dǎo)光的微結(jié)構(gòu)光纖，其將光場(chǎng)限制在低折射率的空氣纖芯中。與傳統(tǒng)實(shí)芯光纖相比，空芯反諧振光纖以空氣作為傳輸介質(zhì)，降低了模場(chǎng)與石英材料重疊度，具有高損傷閾值、低非線(xiàn)性等一系列優(yōu)良性能，有望在高功率激光柔性傳輸領(lǐng)域中發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。利用空芯反諧振光纖實(shí)現(xiàn)特殊波段高功率激光傳輸也是重要的發(fā)展方向。通過(guò)調(diào)節(jié)空芯反諧振光纖的石英壁厚對(duì)傳輸通帶進(jìn)行選擇，拓寬了可傳輸?shù)募す獠ǘ危⑶以摴饫w利用纖芯空氣導(dǎo)光，模場(chǎng)與石英壁重疊度較低，極大減小了材料吸收損耗以及散射損耗，可實(shí)現(xiàn)從紫外到中紅外波段激光的低損耗傳輸。

二、空芯反諧振光纖導(dǎo)光機(jī)理

空芯反諧振光纖基于反諧振反射光波導(dǎo)理論（ARROW）實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光，其導(dǎo)光模型如圖1所示，纖芯中傳輸?shù)墓庥砂鼘邮⒈诤穸葲Q定，其諧振波長(zhǎng)可以表示為，其中t為石英壁厚度，nglass為石英折射率，nair為空氣折射率，m為一個(gè)正整數(shù)。當(dāng)傳輸波長(zhǎng)滿(mǎn)足諧振條件時(shí),光被顯著地泄漏掉;不滿(mǎn)足諧振條件時(shí)，光被限制在纖芯中傳輸。因此，空芯反諧振光纖具有比光子帶隙光纖更寬的導(dǎo)光通帶。同時(shí)，可以通過(guò)調(diào)控石英壁厚度實(shí)現(xiàn)傳輸窗口的選擇。目前空芯反諧振光纖已經(jīng)在多個(gè)重要波段實(shí)現(xiàn)低損耗傳輸，并且大多低于傳統(tǒng)實(shí)芯石英光纖在相應(yīng)波段的損耗極限，吸引了越來(lái)越多科研單位及高校開(kāi)展基于空芯反諧振光纖的高功率激光傳輸相關(guān)研究。

圖1 ARROW結(jié)構(gòu)及其傳輸譜

三、基于空芯反諧振光纖的高功率激光傳輸技術(shù)研究進(jìn)展

1. 近紅外波段激光空芯反諧振光纖柔性傳輸

近紅外波段激光器技術(shù)完備、工業(yè)成熟，有著更高功率、更大能量激光輸出，且應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，因此對(duì)于高功率激光傳能一直有著巨大的應(yīng)用需求。同時(shí)，在該波段，空芯反諧振光纖相較于其他波段而言制備難度相對(duì)較小，更容易實(shí)現(xiàn)低損耗傳輸。因此很多創(chuàng)紀(jì)錄的空芯反諧振光纖激光傳輸工作都是針對(duì)近紅外波段激光開(kāi)展的。

在高功率連續(xù)激光傳輸方面，北京工業(yè)大學(xué)激光及光纖技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了纖芯直徑為65 µm的多模嵌套式空芯反諧振光纖，如圖2（a）所示。通過(guò)仿真計(jì)算該光纖可以實(shí)現(xiàn)至少5個(gè)模組的低損耗傳輸。并針對(duì)光束質(zhì)量為1.38的少模激光進(jìn)行了傳輸實(shí)驗(yàn)，在10 m的傳輸長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn)2951 W激光輸出，傳輸效率為95.2%，并且輸出光束質(zhì)量以及光譜都有著較好保持。隨后換用更長(zhǎng)光纖進(jìn)行了傳輸測(cè)試，在110 m的傳輸長(zhǎng)度上，實(shí)現(xiàn)2850 W激光輸出，傳輸效率為92%，如圖2（b）所示。該工作為少模及多模激光的高效率傳輸?shù)於嘶A(chǔ)，有望基于多?？招痉粗C振光纖實(shí)現(xiàn)更高功率傳輸。

圖2 3 kW連續(xù)激光百米傳輸實(shí)驗(yàn)。（a）所用的多模嵌套式空芯反諧振光纖SEM圖；（b）輸出功率及傳輸效率隨輸入功率的變化曲線(xiàn)

表1展示了國(guó)內(nèi)外具有代表性的基于空芯反諧振光纖的近紅外波段高功率連續(xù)激光傳輸?shù)难芯窟M(jìn)展?？梢钥吹剑B續(xù)激光傳輸在兩方面實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的提升，一方面是傳輸距離的增加，另一方面是傳輸功率的提升。

表1 基于空芯反諧振光纖的近紅外波段高功率連續(xù)激光傳輸?shù)难芯窟M(jìn)展

2. 中紅外波段激光空芯反諧振光纖柔性傳輸

中紅外激光以其重要的應(yīng)用背景和極大的需求成為光學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。但中紅外激光柔性傳輸仍是亟待解決的難題。傳統(tǒng)石英光纖在2.4 µm以后存在強(qiáng)烈的材料吸收效應(yīng)，而以氟化物、硫系材料為基底的軟玻璃光纖雖然具有較低的傳輸損耗，但其存在制備難度大、物化性能差、損傷閾值低等缺點(diǎn)。石英基空芯反諧振光纖既可以保持石英基底良好的物化性能，又因?yàn)槠淅w芯空氣導(dǎo)光，模場(chǎng)與石英壁重疊度較低，極大減小了材料吸收對(duì)其傳輸性能的影響，可以實(shí)現(xiàn)在中紅外波段低損耗傳輸。

本團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步突破了基于空芯反諧振光纖的中紅外波段高功率連續(xù)激光傳輸功率?；诳招痉粗C振光纖充當(dāng)氣體腔制備了中紅外氣體激光器，纖芯內(nèi)填充乙炔氣體通過(guò)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)了3.1 µm激光輸出，大輸出功率為21.8 W，輸出激光具有較好的光束質(zhì)量。隨后利用空芯反諧振光纖中進(jìn)行激光傳輸，大輸出功率為20.05 W，傳輸效率為88.09%，輸出光束質(zhì)量為1.25/1.26（X/Y）。

圖3 中紅外連續(xù)激光傳輸實(shí)驗(yàn)。（a）空芯反諧振光纖輸出功率隨輸入功率變化曲線(xiàn)；（b）空芯反諧振光纖輸出光束質(zhì)量

3. 可見(jiàn)及紫外波段激光空芯反諧振光纖柔性傳輸

可見(jiàn)光及紫外波段激光在許多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，如激光加工、量子信息處理、精密光譜學(xué)等。傳統(tǒng)的實(shí)芯光纖因石英材料的本征缺陷，在短波處存在較大的瑞利散射，增大了傳輸損耗。另外，在紫外波段，輻照會(huì)導(dǎo)致傳輸介質(zhì)產(chǎn)生色心，即日曬效應(yīng)，對(duì)光纖產(chǎn)生不可逆損傷。空芯反諧振光纖為可見(jiàn)及紫外激光傳輸提供了一種新思路。

2017年，本團(tuán)隊(duì)對(duì)532 nm綠光高功率皮秒激光傳輸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。所用光纖是纖芯直徑為26 µm單圈結(jié)構(gòu)的空芯反諧振光纖，損耗為80 dB/km@532 nm，最終在0.3 m的光纖長(zhǎng)度下實(shí)現(xiàn)了32 W平均功率輸出，單脈沖能量為144 µJ，對(duì)應(yīng)峰值功率為7.2 MW。2024年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的Fu等利用單圈結(jié)構(gòu)空芯反諧振光纖實(shí)現(xiàn)了百米量級(jí)的綠光高功率納秒激光傳輸。

在紫外激光傳輸方面，我們組制備了纖芯直徑為15 µm的單圈結(jié)構(gòu)空芯反諧振光纖，其損耗為0.3 dB/m@355 nm。隨后利用輸出波長(zhǎng)為355 nm、脈沖寬度為20 ps、重復(fù)頻率為1 kHz的紫外激光進(jìn)行了傳輸實(shí)驗(yàn)，在1 m的光纖長(zhǎng)度下實(shí)現(xiàn)單脈沖能量106 µJ激光輸出，對(duì)應(yīng)的峰值功率為5.3 MW，實(shí)現(xiàn)了紫外波段高功率超短脈沖激光傳輸實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證了空芯反諧振光纖在紫外波段高功率激光柔性的傳輸潛力，有望在紫外精密加工領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

圖4 高功率綠光傳輸實(shí)驗(yàn)。（a）實(shí)驗(yàn)裝置；（b）空芯反諧振光纖輸出功率隨輸入功率變化曲線(xiàn)

四、總結(jié)與展望

空芯反諧振光纖通過(guò)將光場(chǎng)限制在纖芯空氣中傳輸，具有低非線(xiàn)性、低色散、高損傷閾值以及傳輸模式數(shù)量可控等特點(diǎn)，使得基于空芯反諧振光纖的高功率激光傳輸技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。隨著空芯反諧振光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制備工藝的不斷完善，多個(gè)重要激光波段傳輸損耗均得到大幅降低，基于空芯反諧振光纖的高功率激光傳輸相關(guān)研究報(bào)道不斷涌現(xiàn)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從紫外到中紅外波段高功率連續(xù)激光及脈沖激光傳能相關(guān)工作，但是該領(lǐng)域仍有著較大的提升空間，例如進(jìn)一步提升傳輸功率以及傳輸效率、探索高功率下全纖化集成化傳輸方式等。隨著相關(guān)技術(shù)難題的深入研究及解決，基于空芯反諧振光纖的高功率激光傳輸技術(shù)將成為新一代傳輸方案，推動(dòng)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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