空心光纤：高功率绿光激光远距离传输实现突破

近期，激光和光纤技术领域迎来重大突破。

据介绍，研究人员成功展示了利用中空芯光纤（HCFs）实现高功率绿色激光脉冲的远距离传输。

这一技术的问世，标志着光纤传输技术迈入了新的革命性阶段。

研究背景与最新线索

长期以来，固体芯硅玻璃光纤在高效、灵活的光传输领域占据主导地位，尤其是在电信和工业激光器中。

然而，对于需要高功率激光传输的工业应用而言，传统光纤面临着诸多挑战。

由于克尔效应、受激拉曼散射等非线性过程以及硅玻璃的损伤阈值限制，传统光纤在传输高功率激光时往往力不从心，这极大地限制了可交付的功率密度。

空心芯光纤（HCFs）的出现，为解决这一问题提供了新的思路。在HCFs中，超过99.99%的导光被集中在中央空气（或真空）填充的芯中，从而绕开了固体硅芯或传统光纤的诸多限制。

早在2022年，英国南安普顿团队就成功展示了一种新型HCF设计的优势，通过1公里的长度传输了1kW的连续波近红外光，充分展现了这种技术的巨大潜力。

在最新研究中，该团队进一步扩展了HCF的应用范围，成功通过300米的HCF传输了千瓦峰值功率的520纳米激光脉冲。

这一突破不仅将HCF的能力扩展到绿色波长，更是对许多工业应用具有重大意义。

然而，由于结构特征微小，开发可见光波长的氢氟碳化合物面临着制造上的挑战。为了克服这些挑战，研究团队对实际充气的长距中空芯光纤进行了全面的非线性研究。

他们发现，与红外区相比，HCFs在可见光区的非线性效应更为显著，这既归因于纤芯尺寸的减小，也与工作波长的缩短有关。

用于绿色激光功率传输的空心光纤

在这项工作中，使用的HCF采用了反共振引导光的原理。通过一系列薄玻璃膜围绕光纤核心，将引导光限制在其中。这种设计通过一个由七个包层毛细血管组成的单环实现，七个包层在损耗、弯曲损耗和形态之间达到了良好的平衡。

该光纤的制造采用了贺利氏F300熔融石英玻璃的堆叠-拉伸法，芯径约为20.7微米，模场直径为14.5微米，能够引导515纳米至618纳米的光，损耗低于30 dB/km。

尽管报道的光纤长度为300米，但南安普顿研究小组已经能够利用该工艺生产出数公里长的光纤。

此外，该光纤对弯曲损耗也相对不敏感，在520纳米工作波长下，对于直径大于13厘米的弯曲，其损耗低于0.1 dB/m。

这一突破性的进展为高精度、高效的材料加工提供了关键技术支持，尤其是在绿色激光的应用中。

未来，这种技术有望在电动汽车制造等行业发挥重要作用，特别是在电池生产等关键环节中发挥巨大的潜力。

功率传输结果：峰值功率18kW

经过精确的实验验证，他们成功将一种内部制造的15.5W/520 nm倍频掺镱光纤激光器应用于功率传输实验，该激光器以1.6 MHz的重复率产生约520 ps的脉冲，其峰值功率高达18kW。

为了与光纤相匹配，他们将激光聚焦到15μm的模场直径上，从而实现了高达86%的耦合效率。在实验中，我们分别测试了2,100 m和300 m长度的HCF，其平均输出功率分别为13.2 W、6.7W和3W，而对应的峰值功率则分别为15.9 kW、8 kW和3.6 kW。

目前，随着低损耗和可见光导向中空芯光纤的涌现，研究人员有理由相信其将显著提升输送效率，并有望实现千米级别的电力输送。

值得注意的是，尽管纤维芯内的能量密度高达5.5 J/cm2，但在实验过程中我们并未观察到任何纤维损伤的迹象。此外，在所有测试长度中（M2 <1.1），光束质量均保持在较高水平，这对于精密微加工以及长距离应用而言至关重要。

克服实心二氧化硅光纤的非线性限制

在克服实心二氧化硅光纤的非线性限制方面，该团队取得了显著进展。由于芯尺寸减小（这是实现单模操作所必需的），实心硅光纤在可见光下的非线性限制成为一个尤为突出的挑战，这通常会导致光谱显著增宽。

为了验证其HCF在非线性方面的优势，研究人员将其与一段15米长、10微米芯的光子晶体光纤（PCF）进行了对比。

在相同的测量设置下，他们发现HCF的损耗与PCF相当，但300米长的HCF所展现出的光谱展宽明显小于PCF，这清晰地表明了中空芯光纤在非线性方面的卓越性能。

审核编辑：黄飞