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)測等各個(gè)研究領(lǐng)域，極大推動(dòng)了人類社會(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)。在輸出波長方面，通過選用不同的稀土離子摻雜光纖以及光與物質(zhì)的非線性相互作用等方式，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性效應(yīng)的限制，極大影響了傳輸功率以及傳輸長度的進(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)，降低了模場與石英材料重疊度，具有高損傷閾值、低非線性等一系列優(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?，并且該光纖利用纖芯空氣導(dǎo)光，模場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)傳輸波長滿足諧振條件時(shí),光被顯著地泄漏掉;不滿足諧振條件時(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，吸引了越來越多科研單位及高校開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。隨后換用更長光纖進(jìn)行了傳輸測試，在110 m的傳輸長度上，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)，有望基于多模空芯反諧振光纖實(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

表1展示了國內(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。可以看到，連續(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。基于空芯反諧振光纖充當(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；（b）空芯反諧振光纖輸出光束質(zhì)量

3. 可見及紫外波段激光空芯反諧振光纖柔性傳輸

可見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

四、總結(jié)與展望

空芯反諧振光纖通過將光場限制在纖芯空氣中傳輸，具有低非線性、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)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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