近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光單元技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在高功率空芯光纖傳能研究方面取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)利用5米長反諧振空芯光纖成功實(shí)現(xiàn)了1微米波段千瓦級(jí)以上功率的連續(xù)激光的長時(shí)間柔性傳輸，相關(guān)研究成果以“Laser-induced damage of an anti-resonant hollow-core fiber for high-power laser delivery at 1 μm ”為題在線發(fā)表于《光學(xué)快報(bào)》(Optics Letters)。

高功率光纖激光器在機(jī)械加工、醫(yī)療手術(shù)和軍事國防領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。受限于傳統(tǒng)石英光纖的非線性激光損傷與能量損失，千瓦級(jí)以上激光傳輸一般采用大芯徑石英光纖。光纖多模傳輸條件下，光纖遠(yuǎn)端激光聚焦尺寸大，光束質(zhì)量差，根本上限制了其在精密加工等場景中的廣泛應(yīng)用。近些年出現(xiàn)的反諧振空芯光纖將光場束縛于中空的纖芯中，為激光傳輸提供了一個(gè)類似自由空間的環(huán)境。反諧振空芯光纖在長距離激光傳輸中，展現(xiàn)出良好的單模特性（M2<1.3），具有極高的損傷閾值，極低的非線性和色散，成為高功率激光傳輸新的突破口。

圖1 （a）反諧振空芯光纖傳輸損耗測量圖（插圖為反諧振空芯光纖電鏡圖）;(b) 基于反諧振空芯光纖的千瓦級(jí)高功率能量傳輸實(shí)驗(yàn)裝置圖

研究人員通過4-f透鏡系統(tǒng)將1080 nm大功率工業(yè)連續(xù)光纖激光器的輸出耦合進(jìn)入5米長的自研反諧振空芯光纖（光纖損耗0.13dB/m@1080nm），實(shí)現(xiàn)了千瓦級(jí)激光的準(zhǔn)單模傳輸。研究人員設(shè)計(jì)并制作的水冷耦合端子為空芯反諧振光纖提供高效熱管理。在1500 W激光入射功率和80%耦合效率下，實(shí)現(xiàn)了1kW功率以上的激光長距離光纖傳輸，且光纖端面無激光損傷。其中1 KW入射功率下，反諧振空芯光纖在30分鐘之內(nèi)保持連續(xù)激光無損穩(wěn)定傳輸。

圖2 基于反諧振空芯光纖的高功率能量傳輸（a）輸出功率與耦合效率隨輸入功率變化圖；（b）輸出功率隨時(shí)間變化曲線（輸入功率為1000W）

研究發(fā)現(xiàn)了三類空芯光纖的激光損傷機(jī)制，初步建立了反諧振空芯光纖高功率連續(xù)激光損傷模型。理論估算表明，空氣填充條件下的反諧振空芯光纖的連續(xù)激光傳輸功率高達(dá)97kW。本項(xiàng)目研究結(jié)果為進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化微結(jié)構(gòu)空芯光纖激光傳能技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖3 反諧振空芯光纖理論損傷閾值隨耦合效率的變化曲線

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