文/Qiang Fu

圖 1：（a）空芯光纖（HCF）的掃描電子顯微鏡（SEM）橫截面圖；（b）HCF 測得的回切損耗與模擬損耗的對比圖。

高效、靈活的光傳輸一直由實(shí)芯石英玻璃光纖主導(dǎo)，尤其是在電信和工業(yè)激光器應(yīng)用領(lǐng)域。但是，對于工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要的高功率激光傳輸，由于纖芯中的克爾效應(yīng)、受激拉曼散射等非線性過程以及石英玻璃的損傷閾值，使得傳統(tǒng)光纖面臨著巨大挑戰(zhàn)。這些因素極大地限制了傳統(tǒng)光纖可傳輸?shù)墓β拭芏取?/p>

在空芯光纖（HCF）中，超過 99.99% 的傳輸光被包含在充滿空氣（或真空）的空芯中，這突破了固體石英纖芯或傳統(tǒng)光纖的限制。2022 年，南安普頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用長度1km的HCF傳輸了功率1kW的連續(xù)波近紅外光（~1μm），成功展示了新型 HCF的優(yōu)勢及傳輸潛力。

在該團(tuán)隊(duì)的最新工作中，他們通過300m長的 HCF 傳輸峰值功率為千瓦級的 520nm激光脈沖，將高性能傳輸擴(kuò)展到了對眾多工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要的綠光領(lǐng)域。

由于結(jié)構(gòu)特征較小，開發(fā)傳輸可見光波段的HCF 面臨著制造挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊(duì)還對空氣填充的 HCF 進(jìn)行了非線性研究。與紅外波段相比，HCF在可見光波段的非線性度明顯更高，這歸因于光纖纖芯尺寸減小及工作波長的縮短。因此，HCF對綠光激光的高性能傳輸，是將綠光激光用于高精度、高效材料加工的關(guān)鍵一步，這將使電動(dòng)汽車制造等行業(yè)受益，特別是電池生產(chǎn)領(lǐng)域。

用于綠光激光傳輸?shù)目招竟饫w

在這項(xiàng)工作中使用的HCF通過反共振傳輸光，在反共振中，一組薄玻璃膜圍繞著光纖的纖芯，并將傳輸光限制在其中。這是由七個(gè)包層毛細(xì)管組成的單環(huán)來實(shí)現(xiàn)的（選擇七個(gè)毛細(xì)管意味著損耗、彎曲損耗和傳輸模式之間達(dá)到了最佳平衡）。

該光纖采用Heraeus F300熔融石英玻璃，通過堆拉法制造而成，纖芯直徑約為 20.7μm，模場直徑約為14.5μm，可傳輸 515~618nm波段的光，損耗小于30dB/km（見圖 1）。所報(bào)道的光纖長度為300m，但該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過這種工藝生產(chǎn)出數(shù)公里長的光纖。這種光纖對彎曲損耗也相對不敏感，在工作波長為 520nm時(shí)，直徑大于13cm的彎曲損耗小于0.1dB/m。

功率傳輸結(jié)果

功率傳輸實(shí)驗(yàn)報(bào)告使用了自制的15.5W、520nm倍頻摻鐿光纖激光器，其重復(fù)頻率為1.6MHz，脈寬約為520ps，峰值功率約為18kW。激光束聚焦后其模場直徑約為15µm與光纖匹配，從而使耦合效率達(dá)到約86%。長度分別為2m、100m和300m的HCF平均輸出功率分別為13.2W、6.7W和3W，峰值功率分別為15.9kW、8kW和3.6kW（見圖 2）。

圖2：通過不同長度的HCF （2m、100m和300m）傳輸綠光激光的輸出功率與輸入功率對比圖。插圖為最大輸出功率下近衍射極限的輸出光束輪廓。

目前，低損耗及可見光傳輸?shù)腍CF的出現(xiàn)有望提高輸送效率，并實(shí)現(xiàn)千米級距離的功率傳輸。盡管光纖纖芯內(nèi)部的能量密度達(dá)到了5.5J/cm2，但對光纖沒有損傷。在所有測試長度中，傳輸?shù)墓馐�質(zhì)量都很高（M2<1.1），這對精密微加工和長距離應(yīng)用至關(guān)重要。

克服實(shí)芯石英光纖的非線性限制

由于纖芯尺寸減小（單模傳輸所必需），實(shí)芯石英光纖的非線性在可見光范圍內(nèi)尤其顯著，并導(dǎo)致明顯的光譜展寬。對于長15m、纖芯直徑為10mm的光子晶體光纖 （PCF），其損耗與使用的HCF相似（使用相同的裝置進(jìn)行測量），但觀察到的光譜展寬明顯大于300m長的HCF（見圖 3）；這展示了HCF在克服非線性方面的優(yōu)勢。

圖3：520nm的激光經(jīng)15m長的PCF和300m長的HCF傳輸后的光譜對比圖。

這項(xiàng)工作再次表明，HCF是解決柔性光纖傳輸激光的理想選擇，并為工業(yè)中大規(guī)模傳輸激光（尤其是綠光/紫外-可見光）提供了可能。這種靈活性對于各種未來制造至關(guān)重要。

專家評論

英國Heriot-Watt大學(xué)光子與量子科學(xué)研究所副教授、National Robotarium精密激光應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)帶頭人、及工業(yè)激光用戶協(xié)會(huì)副主席Richard Carter指出：“超短激光脈沖（USP）的靈活傳輸，將打破在工業(yè)中采用USP制造工藝的重大障礙。近年來，這些形式的抗諧振空芯光纖一直被視為最有前途的選擇之一，但由于在拉制可靠長度的光纖方面存在問題，因此在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)展緩慢。南安普頓大學(xué)的研究成果是一次重大飛躍。這些光纖不僅能傳輸綠光激光，而且其長度和性能顯然已為商業(yè)化和工業(yè)化應(yīng)用做好了準(zhǔn)備。”