近期，激光和光纖技術領域迎來重大突破。

據介紹，研究人員成功展示了利用中空芯光纖（HCFs）實現高功率綠色激光脈沖的遠距離傳輸。

這一技術的問世，標志著光纖傳輸技術邁入了新的革命性階段。

研究背景與最新線索

長期以來，固體芯硅玻璃光纖在高效、靈活的光傳輸領域占據主導地位，尤其是在電信和工業激光器中。

然而，對于需要高功率激光傳輸的工業應用而言，傳統光纖面臨著諸多挑戰。

由于克爾效應、受激拉曼散射等非線性過程以及硅玻璃的損傷閾值限制，傳統光纖在傳輸高功率激光時往往力不從心，這極大地限制了可交付的功率密度。

空心芯光纖（HCFs）的出現，為解決這一問題提供了新的思路。在HCFs中，超過99.99%的導光被集中在中央空氣（或真空）填充的芯中，從而繞開了固體硅芯或傳統光纖的諸多限制。

早在2022年，英國南安普頓團隊就成功展示了一種新型HCF設計的優勢，通過1公里的長度傳輸了1kW的連續波近紅外光，充分展現了這種技術的巨大潛力。

在最新研究中，該團隊進一步擴展了HCF的應用范圍，成功通過300米的HCF傳輸了千瓦峰值功率的520納米激光脈沖。

這一突破不僅將HCF的能力擴展到綠色波長，更是對許多工業應用具有重大意義。

然而，由于結構特征微小，開發可見光波長的氫氟碳化合物面臨著制造上的挑戰。為了克服這些挑戰，研究團隊對實際充氣的長距中空芯光纖進行了全面的非線性研究。

他們發現，與紅外區相比，HCFs在可見光區的非線性效應更為顯著，這既歸因于纖芯尺寸的減小，也與工作波長的縮短有關。

用于綠色激光功率傳輸的空心光纖

在這項工作中，使用的HCF采用了反共振引導光的原理。通過一系列薄玻璃膜圍繞光纖核心，將引導光限制在其中。這種設計通過一個由七個包層毛細血管組成的單環實現，七個包層在損耗、彎曲損耗和形態之間達到了良好的平衡。

該光纖的制造采用了賀利氏F300熔融石英玻璃的堆疊-拉伸法，芯徑約為20.7微米，模場直徑為14.5微米，能夠引導515納米至618納米的光，損耗低于30 dB/km。

盡管報道的光纖長度為300米，但南安普頓研究小組已經能夠利用該工藝生產出數公里長的光纖。

此外，該光纖對彎曲損耗也相對不敏感，在520納米工作波長下，對于直徑大于13厘米的彎曲，其損耗低于0.1 dB/m。

這一突破性的進展為高精度、高效的材料加工提供了關鍵技術支持，尤其是在綠色激光的應用中。

未來，這種技術有望在電動汽車制造等行業發揮重要作用，特別是在電池生產等關鍵環節中發揮巨大的潛力。

功率傳輸結果：峰值功率18kW

經過精確的實驗驗證，他們成功將一種內部制造的15.5W/520 nm倍頻摻鐿光纖激光器應用于功率傳輸實驗，該激光器以1.6 MHz的重復率產生約520 ps的脈沖，其峰值功率高達18kW。

為了與光纖相匹配，他們將激光聚焦到15μm的模場直徑上，從而實現了高達86%的耦合效率。在實驗中，我們分別測試了2,100 m和300 m長度的HCF，其平均輸出功率分別為13.2 W、6.7W和3W，而對應的峰值功率則分別為15.9 kW、8 kW和3.6 kW。

目前，隨著低損耗和可見光導向中空芯光纖的涌現，研究人員有理由相信其將顯著提升輸送效率，并有望實現千米級別的電力輸送。

值得注意的是，盡管纖維芯內的能量密度高達5.5 J/cm2，但在實驗過程中我們并未觀察到任何纖維損傷的跡象。此外，在所有測試長度中（M2 <1.1），光束質量均保持在較高水平，這對于精密微加工以及長距離應用而言至關重要。

克服實心二氧化硅光纖的非線性限制

在克服實心二氧化硅光纖的非線性限制方面，該團隊取得了顯著進展。由于芯尺寸減小（這是實現單模操作所必需的），實心硅光纖在可見光下的非線性限制成為一個尤為突出的挑戰，這通常會導致光譜顯著增寬。

為了驗證其HCF在非線性方面的優勢，研究人員將其與一段15米長、10微米芯的光子晶體光纖（PCF）進行了對比。

在相同的測量設置下，他們發現HCF的損耗與PCF相當，但300米長的HCF所展現出的光譜展寬明顯小于PCF，這清晰地表明了中空芯光纖在非線性方面的卓越性能。

審核編輯：黃飛