文/Qiang Fu

图 1：（a）空芯光纤（HCF）的扫描电子显微镜（SEM）横截面图；（b）HCF 测得的回切损耗与模拟损耗的对比图。

高效、灵活的光传输一直由实芯石英玻璃光纤主导，尤其是在电信和工业激光器应用领域。但是，对于工业应用至关重要的高功率激光传输，由于纤芯中的克尔效应、受激拉曼散射等非线性过程以及石英玻璃的损伤阈值，使得传统光纤面临着巨大挑战。这些因素极大地限制了传统光纤可传输的功率密度。

在空芯光纤（HCF）中，超过 99.99% 的传输光被包含在充满空气（或真空）的空芯中，这突破了固体石英纤芯或传统光纤的限制。2022 年，南安普顿大学的研究团队利用长度1km的HCF传输了功率1kW的连续波近红外光（~1μm），成功展示了新型 HCF的优势及传输潜力。

在该团队的最新工作中，他们通过300m长的 HCF 传输峰值功率为千瓦级的 520nm激光脉冲，将高性能传输扩展到了对众多工业应用至关重要的绿光领域。

由于结构特征较小，开发传输可见光波段的HCF 面临着制造挑战。

研究团队还对空气填充的 HCF 进行了非线性研究。与红外波段相比，HCF在可见光波段的非线性度明显更高，这归因于光纤纤芯尺寸减小及工作波长的缩短。因此，HCF对绿光激光的高性能传输，是将绿光激光用于高精度、高效材料加工的关键一步，这将使电动汽车制造等行业受益，特别是电池生产领域。

用于绿光激光传输的空芯光纤

在这项工作中使用的HCF通过反共振传输光，在反共振中，一组薄玻璃膜围绕着光纤的纤芯，并将传输光限制在其中。这是由七个包层毛细管组成的单环来实现的（选择七个毛细管意味着损耗、弯曲损耗和传输模式之间达到了最佳平衡）。

该光纤采用Heraeus F300熔融石英玻璃，通过堆拉法制造而成，纤芯直径约为 20.7μm，模场直径约为14.5μm，可传输 515~618nm波段的光，损耗小于30dB/km（见图 1）。所报道的光纤长度为300m，但该研究团队已经通过这种工艺生产出数公里长的光纤。这种光纤对弯曲损耗也相对不敏感，在工作波长为 520nm时，直径大于13cm的弯曲损耗小于0.1dB/m。

功率传输结果

功率传输实验报告使用了自制的15.5W、520nm倍频掺镱光纤激光器，其重复频率为1.6MHz，脉宽约为520ps，峰值功率约为18kW。激光束聚焦后其模场直径约为15µm与光纤匹配，从而使耦合效率达到约86%。长度分别为2m、100m和300m的HCF平均输出功率分别为13.2W、6.7W和3W，峰值功率分别为15.9kW、8kW和3.6kW（见图 2）。

图2：通过不同长度的HCF （2m、100m和300m）传输绿光激光的输出功率与输入功率对比图。插图为最大输出功率下近衍射极限的输出光束轮廓。

目前，低损耗及可见光传输的HCF的出现有望提高输送效率，并实现千米级距离的功率传输。尽管光纤纤芯内部的能量密度达到了5.5J/cm2，但对光纤没有损伤。在所有测试长度中，传输的光束质量都很高（M2<1.1），这对精密微加工和长距离应用至关重要。

克服实芯石英光纤的非线性限制

由于纤芯尺寸减小（单模传输所必需），实芯石英光纤的非线性在可见光范围内尤其显著，并导致明显的光谱展宽。对于长15m、纤芯直径为10mm的光子晶体光纤 （PCF），其损耗与使用的HCF相似（使用相同的装置进行测量），但观察到的光谱展宽明显大于300m长的HCF（见图 3）；这展示了HCF在克服非线性方面的优势。

图3：520nm的激光经15m长的PCF和300m长的HCF传输后的光谱对比图。

这项工作再次表明，HCF是解决柔性光纤传输激光的理想选择，并为工业中大规模传输激光（尤其是绿光/紫外-可见光）提供了可能。这种灵活性对于各种未来制造至关重要。

专家评论

英国Heriot-Watt大学光子与量子科学研究所副教授、National Robotarium精密激光应用实验室学术带头人、及工业激光用户协会副主席Richard Carter指出：“超短激光脉冲（USP）的灵活传输，将打破在工业中采用USP制造工艺的重大障碍。近年来，这些形式的抗谐振空芯光纤一直被视为最有前途的选择之一，但由于在拉制可靠长度的光纤方面存在问题，因此在实际应用中进展缓慢。南安普顿大学的研究成果是一次重大飞跃。这些光纤不仅能传输绿光激光，而且其长度和性能显然已为商业化和工业化应用做好了准备。”