文 | 姚静远、张鑫、顾帅、武鑫、文煜、王璞，北京工业大学物理与光电工程学院
高功率光纤激光器凭借其转换效率高、性能稳定、光束质量好以及结构紧凑等优点，被广泛应用于工业加工、国防军事、生物医学、环境监测等领域，极大地推动了人类社会的发展。随着输出功率的不断提升，输出光谱范围不断拓宽，传统石英光纤由于材料损伤、非线性以及材料本征吸收等因素无法满足高功率激光柔性传输的需求。为打破传统实芯石英光纤的限制，空芯光纤应运而生，尤其是空芯反谐振光纤（HCARF）。
空芯反谐振光纤的发展历程
空芯反谐振光纤是一种依靠反谐振反射光波导进行导光的微结构光纤，其将光场限制在低折射率的空气纤芯中，因此具备高损伤阈值、低非线性等一系列优良性能。空芯反谐振光纤以其独特的导光特性有望成为新一代传输光纤，真正满足工业、国防等领域的应用需求。
空芯光纤主要有空芯光子带隙光纤与空芯反谐振光纤两种。与空芯光子带隙光纤相比，空芯反谐振光纤具有更低的传输损耗以及更高的激光损伤阈值，从而被科研人员广泛关注。
2002年，首款空芯反谐振光纤被制备出来，即Kagome空芯反谐振光纤。之后，负曲率空芯反谐振光纤（HCNCF）[图1（a）]、冰淇淋状空芯反谐振光纤[图1（b）]相继被制备出来。但是，这两种结构的空芯反谐振光纤会导致损耗增加。随后，研究人员制备了无节点单圈结构的空芯反谐振光纤，如图1（c）所示，其具有更低的传输损耗以及更为平滑的传输曲线。
随着空芯反谐振光纤结构设计以及制备技术的不断完善，人们成功制备了具有更加优良传输性能的空芯反谐振光纤，其传输损耗不断降低。2018年，北京工业大学先进激光及光纤技术研究团队制备出了连体管状空芯反谐振光纤，其在1512 nm处的最低损耗为2 dB/km，如图1（d）所示。2021年，嵌套式空芯反谐振光纤被研制出，如图1（e）所示，在1550 nm处的最低损耗降至0.22 dB/km。2024年OFC会议中，双层嵌套型空芯反谐振光纤的损耗已经降低至0.08±0.03 dB/km@1550 nm，低于实芯石英光纤在该波段的损耗，而且这是目前已制备的损耗最低的空芯反谐振光纤。
图1 空芯反谐振光纤的扫描电镜（SEM）图。（a）Kagome 空芯反谐振光纤；（b）冰淇淋状空芯反谐振光纤；（c）无节点空芯反谐振光纤；（d）连体管状空芯反谐振光纤；（e）嵌套式空芯反谐振光纤；（f）双嵌套空芯反谐振光纤
空芯反谐振光纤目前已经在多个重要波段实现低损耗传输，并且大多低于传统实芯石英光纤在相应波段的损耗极限，如图2所示。比如北京工业大学在2022年制备的空芯反谐振光纤，在2 µm波段的最低损耗为0.85 dB/km。
图2 空芯反谐振光纤损耗与纯石英实芯单模光纤损耗极限的对比
除此之外，在一些特殊波段，空芯反谐振光纤同样可以实现低损耗传输，拓宽了石英基光纤的导光范围。2022年，研究人员制备的中红外导光的空芯反谐振光纤，在3.4~3.6 µm波段的最低损耗为0.05 dB/m，在4.5~4.6 µm波段的最低损耗为0.24 dB/m。在可见及紫外波段，英国Southampton大学制备的单圈结构的空芯反谐振光纤将损耗降低至30 dB/km@515~618 nm；法国利摩日大学将紫外波段导光的空芯反谐振光纤损耗降低至27 dB/km@343 nm。
空芯反谐振光纤高功率激光传输
与传统的实芯传能光纤相比，空芯反谐振光纤具有低非线性、高损伤阈值以及传输模式数量可控等特点，这些特点为高功率激光传能应用提供了便利。目前，相关科研团队已经开展了从紫外到中红外波段的高功率连续激光及脉冲激光传能等研究。图3为基于空芯反谐振光纤的高功率激光传输系统的典型装置，其中包括高功率激光器、透镜组以及空芯反谐振光纤。
图3 基于空芯反谐振光纤的高功率激光传输系统的典型装置图
近红外波段激光器技术完备、成熟，可以实现更高功率、更大能量的激光输出，而且应用领域十分广泛，因此，对于高功率激光传能一直有着巨大的应用需求。同时，相较于其他波段而言，该波段空芯反谐振光纤制备难度相对较小，更容易实现低损耗传输。因此，很多创纪录的空芯反谐振光纤激光传输工作，都是针对近红外波段激光开展的。近红外激光传输涵盖了从连续激光到超快激光等脉冲持续时间不同的激光的传输。
1）高功率连续激光传输
在高功率连续激光传输方面，人们很早就开展了相关研究，但由于光纤制备以及传输技术等因素的限制，进展相对缓慢。
2018年，德国耶拿大学利用空芯反谐振光纤首次实现了千瓦级高功率连续激光柔性传输。
2022年，英国Southampton大学首次利用嵌套式结构的空芯反谐振光纤实现了高功率连续激光的长距离传输。随着空芯反谐振光纤结构设计及制备技术的不断优化，英国Southampton大学成功制备了低损耗嵌套式空芯反谐振光纤，纤芯直径为31 µm，在激光器工作波长1075 nm处的传输损耗为0.74 dB/km；并验证了空芯反谐振光纤低非线性的特点，证明了其在高功率激光长距离传输方面具有巨大的应用潜力。
2023年，美国佛罗里达大学验证了空芯反谐振光纤在高功率窄线宽激光传输中的优势，有望在精密加工、非线性科学等领域发挥作用。同期，北京工业大学设计并制备了纤芯直径为65 µm的多模嵌套式空芯反谐振光纤，如图4（a）所示，该光纤可以实现至少5个模组的低损耗传输。并针对光束质量为1.38的少模激光进行了传输实验，在110 m的传输长度上，实现2850 W激光输出，传输效率为92%，如图4（b）所示。该工作为少模及多模激光的高效率传输奠定了基础，有望基于多模空芯反谐振光纤实现更高功率的激光传输。
图4 3 kW连续激光百米传输实验。（a）实验用多模嵌套式空芯反谐振光纤的SEM图；（b）输出功率及传输效率随输入功率的变化
表1展示了国内外具有代表性的基于空芯反谐振光纤的近红外波段高功率连续激光传输的研究进展。可以看到，连续激光传输在两方面实现了相应的提升，一方面是传输距离的增加，另一方面是传输功率的提升。
表1 基于空芯反谐振光纤的近红外波段高功率连续激光传输的研究进展
2 ）大能量纳秒激光传输
空芯反谐振光纤凭借高损伤阈值的特点，展现了其在大能量纳秒激光传输方面的应用潜力。早在2012年，英国巴斯大学就利用Kagome结构的空芯反谐振光纤对高能纳秒脉冲激光进行了传输实验研究，并验证了空芯反谐振光纤传输高能脉冲激光的能力。
2014年，美国科罗拉多州立大学通过纤芯直径为50 µm的Kagome结构的空芯反谐振光纤成功实现了纳秒脉冲激光的高功率传输，最终实现了脉冲能量为30 mJ的超高能量激光传输，传输效率高达90%，是目前利用空芯反谐振光纤实现的最高脉冲能量传输，并且已将其成功应用在激光点火上。
2024年，中国科学院上海光学精密机械研究所进一步在实验中证明了空芯反谐振光纤在纳秒大能量激光传输应用方面的巨大优势。
表2总结了国内外具有代表性的基于空芯反谐振光纤的近红外波段纳秒脉冲激光传输的研究进展，目前最高实现了30 mJ的单脉冲能量输出。
表2 基于空芯反谐振光纤的近红外波段纳秒脉冲激光传输研究进展
3）高峰值功率超短脉冲激光传输
高功率超短脉冲激光具有极窄的脉冲宽度和极高的峰值功率，传统实芯石英光纤受限于本征材料的高色散、高非线性及低损伤阈值等，无法传输如此高峰值功率的超短脉冲激光。空芯反谐振光纤通过包层微结构将光限制在纤芯空气中传输，模场与石英壁重叠度较低，因而具有高损伤阈值及低非线性等特点。基于空芯反谐振光纤的高峰值功率超短脉冲激光柔性传输具有重要的科学意义和应用价值。
2022年，北京工业大学制备了纤芯直径为42 µm的无节点单圈结构空芯反谐振光纤，实现了高功率1064 nm皮秒脉冲激光传输，脉冲宽度为15 ps。2023年，英国赫瑞-瓦特大学利用纤芯直径为79 µm的单圈空芯反谐振光纤实现了2.1 mJ单脉冲能量输出，峰值功率为20 GW。该研究为空芯反谐振光纤中毫焦耳级超快激光传输铺平了道路。
国内外研究机构利用空芯反谐振光纤对近红外波段超短脉冲激光传输进行研究的情况总结见表3，目前最高实现了20 GW峰值功率输出。
表3 基于空芯反谐振光纤的近红外波段超短脉冲激光传输的研究进展
中红外激光以其重要的应用背景和极大的应用需求成为光学领域的研究重点。但中红外激光柔性传输仍是亟待解决的难题之一。传统的石英光纤在波段超过2.4 µm后存在强烈的材料吸收效应，而以氟化物、硫系材料为基底的软玻璃光纤虽然具有较低的传输损耗，但其存在制备难度大、物化性能差、损伤阈值低等缺点。
石英基空芯反谐振光纤既可以保持石英基底良好的物化性能，又因为其纤芯空气导光，模场与石英壁重叠度较小，极大地减小了材料吸收对其传输性能的影响，可以实现在中红外波段低损耗传输。随着制备工艺的不断完善，空芯反谐振光纤最高可以实现6 µm波段导光。
2022年，北京工业大学针对2 µm波段激光柔性传输制备了高性能嵌套式空芯反谐振光纤，其结构如图5所示，展示了空芯反谐振光纤在高功率激光传输方面的优越性能。
图5 2 µm波段嵌套式空芯反谐振光纤的SEM图
2022年，英国Southampton大学利用中红外波段低损耗单圈结构空芯反谐振光纤实现了中红外激光百米量级千瓦峰值功率的近衍射极限传输。这种高亮度的中红外脉冲激光长距离输送系统使得中红外脉冲激光在工业、科学和医疗领域具有巨大的应用潜力。
2023年，北京工业大学突破了基于空芯反谐振光纤的中红外波段高功率激光传输功率。用空芯反谐振光纤充当气体腔制备了中红外气体激光器，纤芯内填充乙炔气体，通过粒子数反转方式实现了3.1 µm激光输出，最大输出功率为21.8 W，输出的激光具有较好的光束质量。随后，利用0.15 m长的空芯反谐振光纤进行激光传输，最大输出功率为20.05 W，传输效率为88.09%，输出光束质量因子为1.25/1.26（x/y）。
表4总结了国内外具有代表性的中红外波段激光空芯反谐振光纤激光传输研究进展。与中红外实芯光纤相比，中红外石英基空芯反谐振光纤既有着石英材料稳定的物化特性，又克服了石英材料在中红外波段的材料吸收，实现低损耗传输。
表4 基于空芯反谐振光纤的中红外波段激光传输的研究进展
可见光及紫外波段激光在许多领域被广泛应用，如激光加工、量子信息处理、精密光谱学等。传统的实芯光纤因石英材料的本征缺陷，在短波处存在较大的瑞利散射，增大了传输损耗。另外，在紫外波段，辐照会导致传输介质产生色心，即日晒效应，对光纤产生了不可逆损伤。空芯反谐振光纤为可见及紫外激光传输提供了一种新思路。
在绿光高功率皮秒激光传输方面，2017年，北京工业大学利用纤芯直径为26 µm的单圈结构空芯反谐振光纤对532 nm绿光高功率皮秒激光进行传输，损耗为80 dB/km@532 nm，最终在0.3 m的光纤长度下实现了32 W的平均功率输出，单脉冲能量为144 µJ，对应的峰值功率为7.2 MW。2024年，英国Southampton大学利用单圈结构空芯反谐振光纤实现了百米量级的绿光高功率纳秒激光传输，光纤损耗小于30 dB/km@515~618 nm，在300 m的光纤长度下实现了平均功率为3 W、峰值功率为3.6 kW、单脉冲能量为1.9 µJ 的输出。
在紫外激光传输方面，北京工业大学在2018年制备了纤芯直径为15 µm的单圈结构空芯反谐振光纤，其损耗为0.3 dB/m@355 nm。随后，利用输出波长为 355 nm、脉冲宽度为20 ps、重复频率为1 kHz的紫外激光进行了传输实验，在1 m 的光纤长度下实现了单脉冲能量为106 µJ的激光输出，对应的峰值功率为5.3 MW，首次实现了紫外波段高功率超短脉冲激光传输实验。2023年，法国利摩日大学利用空芯反谐振光纤实现了23.3 W的平均功率输出，创造了紫外波段纳秒脉冲激光在空芯反谐振光纤中传输的纪录，将空芯反谐振光纤在紫外波段的传输功率提高了2个数量级。表5总结了国内外具有代表性的可见及紫外波段空芯反谐振光纤在激光传输方面的研究进展。
表5 基于空芯反谐振光纤的可见及紫外波段激光传输研究进展
高功率激光传输技术的发展趋势
高功率大能量光纤激光器的快速发展使得激光传能面临着严峻考验。随着空芯反谐振光纤结构设计及制备工艺的不断完善，多个重要激光波段的传输损耗均得到了大幅降低，基于空芯反谐振光纤的高功率激光传输的相关研究工作，已经涉及到从紫外到中红外波段高功率连续激光及脉冲激光传能。但是，该领域仍有着较大的提升空间，例如需要进一步提升传输功率和传输效率、探索高功率下全纤化集成化传输方式等。
传输功率及传输效率的提升
基于空芯反谐振光纤实现更高功率更大能量激光柔性传输是重要的发展方向。目前，研究人员基于空芯反谐振光纤已经实现了3 kW、30 mJ、20 GW的高功率激光传输，但面向实际应用需求，仍需要进一步提高传输功率和传输效率。
偏振激光传输
目前，基于空芯反谐振光纤的高功率激光传输大多针对的是随机偏振高功率激光，虽然有一些工作针对的是线偏振激光传输，但并未对传输过程中偏振态的变化进行详细研究，而且远距离激光通信、相干探测、高功率光束合成等领域对激光偏振态有着较高的要求。因此，基于空芯反谐振光纤实现高功率偏振激光传输是未来的主流发展方向之一。
随着空芯反谐振光纤保偏特性的不断优化，需要进一步探索基于空芯反谐振光纤的线偏振激光和圆偏振激光的传输性能。对于空芯反谐振光纤来说，其纤芯空气导光的特点以及极低的模场重叠度，极大地削弱了热噪声、瑞利散射和非线性效应对偏振特性的影响，有望解决高功率激光传输过程中存在的退偏问题。随着高功率涡旋光的快速发展，空芯反谐振光纤的偏振特性有望成为其传输的媒介，推动相关应用领域的快速发展。
全纤化集成化传输
目前，空芯反谐振光纤的高功率激光传输方式多为空间耦合，整体装置较为复杂，稳定性相对较差，容易受到环境的干扰，在传输高功率激光过程中耦合透镜产生的热效应易导致焦点偏移从而影响传输效率。因此，全纤化集成化传输仍是未来重要的发展方向，只有将传输系统全纤化、集成化才能真正实现空芯反谐振光纤在高功率激光传输领域的规模化应用。如Photonic Tools公司设计了基于空芯反谐振光纤的超快激光传输耦合连接器，法国ALPhANOV公司设计了一种适用于多种类型空芯反谐振光纤的传输耦合连接器。这些传输系统集成化研究工作为空芯反谐振光纤高功率传输工程化应用奠定了基础。
随着相关技术难题的深入研究及解决，基于空芯反谐振光纤的高功率激光传输技术将成为新一代传输方案，推动相关应用领域的快速发展。
本文改写自《中国激光》上“基于空芯反谐振光纤的高功率激光传输技术研究进展”一文，已获作者授权。点击“阅读原文”查看原论文。
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