上海光机所在高功率光纤传能方面取得新进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术实验室在高功率空芯光纤传能研究方面取得新进展。研究团队利用5米长反谐振空芯光纤成功实现了1微米波段千瓦级以上功率的连续激光的长时间柔性传输，相关研究成果以“Laser-induced damage of an anti-resonant hollow-core fiber for high-power laser delivery at 1 μm ”为题在线发表于《光学快报》(Optics Letters)。

高功率光纤激光器在机械加工、医疗手术和军事国防领域都有着广泛的应用。受限于传统石英光纤的非线性激光损伤与能量损失，千瓦级以上激光传输一般采用大芯径石英光纤。光纤多模传输条件下，光纤远端激光聚焦尺寸大，光束质量差，根本上限制了其在精密加工等场景中的广泛应用。近些年出现的反谐振空芯光纤将光场束缚于中空的纤芯中，为激光传输提供了一个类似自由空间的环境。反谐振空芯光纤在长距离激光传输中，展现出良好的单模特性（M²<1.3），具有极高的损伤阈值，极低的非线性和色散，成为高功率激光传输新的突破口。

研究人员通过4-f透镜系统将1080 nm大功率工业连续光纤激光器的输出耦合进入5米长的自研反谐振空芯光纤（光纤损耗0.13dB/m@1080nm），实现了千瓦级激光的准单模传输。研究人员设计并制作的水冷耦合端子为空芯反谐振光纤提供高效热管理。在1500 W激光入射功率和80%耦合效率下，实现了1kW功率以上的激光长距离光纤传输，且光纤端面无激光损伤。其中1 KW入射功率下，反谐振空芯光纤在30分钟之内保持连续激光无损稳定传输。

研究发现了三类空芯光纤的激光损伤机制，初步建立了反谐振空芯光纤高功率连续激光损伤模型。理论估算表明，空气填充条件下的反谐振空芯光纤的连续激光传输功率高达97kW。本项目研究结果为进一步发展和优化微结构空芯光纤激光传能技术打下了坚实的基础。

图1.（a）反谐振空芯光纤传输损耗测量图（插图为反谐振空芯光纤电镜图）;(b) 基于反谐振空芯光纤的千瓦级高功率能量传输实验装置图

图2.基于反谐振空芯光纤的高功率能量传输（a）输出功率与耦合效率随输入功率变化图；（b）输出功率随时间变化曲线（输入功率为1000W）

图3.反谐振空芯光纤理论损伤阈值随耦合效率的变化曲线

本研究得到了国家自然科学基金、国际科技合作计划、中国科学院前沿科学重点研究项目、国家科技支撑计划的支持。

原文链接：https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-47-14-3548&id=478793