激光在實芯光纖中傳輸時，難以同時保持高光束質量與高功率，嚴重限制了其在工業(yè)中的廣泛應用。近日，國防科技大學南湖之光實驗室聯(lián)合相關單位科研團隊，利用空芯光纖首次實現(xiàn)了2kW高功率激光在2.45公里超長距離下的全光纖化高效、穩(wěn)定傳輸，標志著高功率、遠程傳能空芯光纖從原理探索正式邁進工程應用階段。相關成果刊發(fā)于國際權威期刊《自然·通訊》。

近年來，高功率激光柔性遠距離傳輸?shù)膽眯枨笕找嬖鲩L。然而，傳統(tǒng)實芯光纖在輸出功率為5kW時，傳輸距離僅為20米；而當功率提升至8kW時，傳輸距離急劇下降至僅3米，難以滿足工業(yè)應用的需求。相比實芯光纖，空芯光纖具有低時延、低損耗、低非線性系數(shù)的優(yōu)勢。但現(xiàn)有空芯光纖高功率激光傳輸系統(tǒng)主要依賴透鏡等光學元件，易受環(huán)境影響，穩(wěn)定性差。因此，發(fā)展全光纖化耦合技術是構建穩(wěn)定、緊湊且實用化空芯光纖激光系統(tǒng)的關鍵路徑。

論文第一作者石婧博士介紹，為實現(xiàn)真正穩(wěn)定、高效的“全光纖”系統(tǒng)，該團隊設計了與實芯光纖模場匹配的五管雙嵌套反諧振空芯光纖，通過仿真優(yōu)化，確定了最佳結構參數(shù)，成功拉制出超低損耗空芯光纖。該團隊突破了石英光纖與空芯光纖低損耗熔接、模場匹配和高功率光纖端帽技術，首次實現(xiàn)了全光纖結構的空芯光纖高功率激光遠距離傳輸，輸出激光維持近衍射極限光束質量，全光纖化傳輸功率和距離均為國際最高水平。

“盡管2.45公里的傳輸距離受限于當前可獲得的光纖長度，但依托所發(fā)展的技術，未來能夠實現(xiàn)更遠距離的高效激光傳輸。”石婧表示。

論文通訊作者陳子倫表示，相較于傳統(tǒng)實芯光纖，超低損耗空芯光纖有效柔性傳輸距離提升了兩個數(shù)量級，為工業(yè)領域遠距離激光柔性傳輸跨入工程應用提供技術支撐，有望在多個領域廣泛應用。例如，在工業(yè)加工中，面對某些高危作業(yè)環(huán)境，遠程激光柔性傳輸能夠擴大工作人員與加工區(qū)域的距離，顯著提升操作安全性；在科學技術領域，空芯光纖可以通過輻射壓力實現(xiàn)粒子的捕獲和加速，為在公里級尺度上構建新型“飛行粒子傳感器”提供可能。

“盡管現(xiàn)階段空芯光纖的造價顯著高于傳統(tǒng)光纖，但這主要緣于其仍處于產業(yè)化初期，工藝復雜、良品率有待提升。隨著技術路線逐步成熟、生產規(guī)模擴大以及上下游產業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展，空芯光纖的成本有望進入持續(xù)下降通道，為其在特定高價值場景中的規(guī)?；瘧脛?chuàng)造條件。”陳子倫說，未來，研究團隊將進一步優(yōu)化光纖結構，提高空芯光纖耦合效率，提升傳輸功率和長度，探索其在更廣泛場景中的應用。