空心光纖：高功率綠光激光遠(yuǎn)距離傳輸實(shí)現(xiàn)突破

近期，激光和光纖技術(shù)領(lǐng)域迎來重大突破。

據(jù)介紹，研究人員成功展示了利用中空芯光纖（HCFs）實(shí)現(xiàn)高功率綠色激光脈沖的遠(yuǎn)距離傳輸。

這一技術(shù)的問世，標(biāo)志著光纖傳輸技術(shù)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(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，尤其是在電信和工業(yè)激光器中。

然而，對于需要高功率激光傳輸?shù)墓I(yè)應(yīng)用而言，傳統(tǒng)光纖面臨著諸多挑戰(zhàn)。

由于克爾效應(yīng)、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(tǒng)光纖在傳輸高功率激光時(shí)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(xiàn)，為解決這一問題提供了新的思路。在HCFs中，超過99.99%的導(dǎo)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(tǒng)光纖的諸多限制。

早在2022年，英國南安普頓團(tuán)隊(duì)就成功展示了一種新型HCF設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，通過1公里的長度傳輸了1kW的連續(xù)波近紅外光，充分展現(xiàn)了這種技術(shù)的巨大潛力。

在最新研究中，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步擴(kuò)展了HCF的應(yīng)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(kuò)展到綠色波長，更是對許多工業(yè)應(yīng)用具有重大意義。

然而，由于結(jié)構(gòu)特征微小，開發(fā)可見光波長的氫氟碳化合物面臨著制造上的挑戰(zhàn)。為了克服這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)對實(shí)際充氣的長距中空芯光纖進(jìn)行了全面的非線性研究。

他們發(fā)現(xiàn)，與紅外區(qū)相比，HCFs在可見光區(qū)的非線性效應(yīng)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(guān)。

用于綠色激光功率傳輸?shù)目招墓饫w

在這項(xiàng)工作中，使用的HCF采用了反共振引導(dǎo)光的原理。通過一系列薄玻璃膜圍繞光纖核心，將引導(dǎo)光限制在其中。這種設(shè)計(jì)通過一個(gè)由七個(gè)包層毛細(xì)血管組成的單環(huán)實(shí)現(xiàn)，七個(gè)包層在損耗、彎曲損耗和形態(tài)之間達(dá)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(dǎo)515納米至618納米的光，損耗低于30 dB/km。

盡管報(bào)道的光纖長度為300米，但南安普頓研究小組已經(jīng)能夠利用該工藝生產(chǎn)出數(shù)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(jìn)展為高精度、高效的材料加工提供了關(guān)鍵技術(shù)支持，尤其是在綠色激光的應(yīng)用中。

未來，這種技術(shù)有望在電動汽車制造等行業(yè)發(fā)揮重要作用，特別是在電池生產(chǎn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)中發(fā)揮巨大的潛力。

功率傳輸結(jié)果：峰值功率18kW

經(jīng)過精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，他們成功將一種內(nèi)部制造的15.5W/520 nm倍頻摻鐿光纖激光器應(yīng)用于功率傳輸實(shí)驗(yàn)，該激光器以1.6 MHz的重復(fù)率產(chǎn)生約520 ps的脈沖，其峰值功率高達(dá)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(shí)現(xiàn)了高達(dá)86%的耦合效率。在實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(dǎo)向中空芯光纖的涌現(xiàn)，研究人員有理由相信其將顯著提升輸送效率，并有望實(shí)現(xiàn)千米級別的電力輸送。

值得注意的是，盡管纖維芯內(nèi)的能量密度高達(dá)5.5 J/cm2，但在實(shí)驗(yàn)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(zhì)量均保持在較高水平，這對于精密微加工以及長距離應(yīng)用而言至關(guān)重要。

克服實(shí)心二氧化硅光纖的非線性限制

在克服實(shí)心二氧化硅光纖的非線性限制方面，該團(tuán)隊(duì)取得了顯著進(jìn)展。由于芯尺寸減?。ㄟ@是實(shí)現(xiàn)單模操作所必需的），實(shí)心硅光纖在可見光下的非線性限制成為一個(gè)尤為突出的挑戰(zhàn)，這通常會導(dǎo)致光譜顯著增寬。

為了驗(yàn)證其HCF在非線性方面的優(yōu)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(jìn)行了對比。

在相同的測量設(shè)置下，他們發(fā)現(xiàn)HCF的損耗與PCF相當(dāng)，但300米長的HCF所展現(xiàn)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