据中国激光杂志社网，于2024年11月19日报道，封面以空芯反谐振光纤为背景，展示了基于此光纤进行高功率激光传输的应用。空芯反谐振光纤通过反谐振反射光波导效应将光限制在纤芯的空气介质中传输，极大降低了模场与石英材料的重叠度，与传统实芯传能光纤相比，具有高损伤阈值、低色散、低非线性等优良性能。在传输波段几乎不受材料本征吸收的影响，可实现从紫外到中红外波段激光低损耗传输。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。
一、背景介绍
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、****、生物医学、环境监测等各个研究领域，极大推动了人类社会发展。目前，光纤激光器在1 µm波段已经实现了20 kW连续激光单纤输出，通过光束合成技术已经突破200 kW激光输出。在输出激光脉宽方面，光纤激光器通过调Q、锁模技术可以实现从准连续到飞秒全覆盖，其中皮秒、飞秒光纤激光器峰值功率可以达到GW量级。在输出波长方面，通过选用不同的稀土离子掺杂光纤以及光与物质的非线性相互作用等方式，输出光谱范围可以从紫外覆盖至中红外波段，满足应用需求。
随着传输功率的不断提高，传统实芯石英传能光纤由于其纤芯材料损伤阈值以及非线性效应的限制，极大影响了传输功率以及传输长度的进一步提升。并且石英材料在中红外波段严重的物质吸收以及在短波处较大的瑞利散射损耗，影响了其传输激光范围。如何将多波段高功率激光进行高效、稳定的柔性传输仍是重要的发展方向。
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（HC-ARF）。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。与传统实芯光纤相比，空芯反谐振光纤以空气作为传输介质，降低了模场与石英材料重叠度，具有高损伤阈值、低非线性等一系列优良性能，有望在高功率激光柔性传输领域中发挥其独特的优势。利用空芯反谐振光纤实现特殊波段高功率激光传输也是重要的发展方向。通过调节空芯反谐振光纤的石英壁厚对传输通带进行选择，拓宽了可传输的激光波段，并且该光纤利用纤芯空气导光，模场与石英壁重叠度较低，极大减小了材料吸收损耗以及散射损耗，可实现从紫外到中红外波段激光的低损耗传输。
二、空芯反谐振光纤导光机理
空芯反谐振光纤基于反谐振反射光波导理论（ARROW）实现导光，其导光模型如图1所示，纤芯中传输的光由包层石英壁厚度决定，其谐振波长可以表示为，其中t为石英壁厚度，nglass为石英折射率，nair为空气折射率，m为一个正整数。当传输波长满足谐振条件时,光被显著地泄漏掉;不满足谐振条件时，光被限制在纤芯中传输。因此，空芯反谐振光纤具有比光子带隙光纤更宽的导光通带。同时，可以通过调控石英壁厚度实现传输窗口的选择。目前空芯反谐振光纤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，吸引了越来越多科研单位及高校开展基于空芯反谐振光纤的高功率激光传输相关研究。
三、基于空芯反谐振光纤的高功率激光传输技术研究进展
1. 近红外波段激光空芯反谐振光纤柔性传输
近红外波段激光器技术完备、工业成熟，有着更高功率、更大能量激光输出，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，在该波段，空芯反谐振光纤相较于其他波段而言制备难度相对较小，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。
在高功率连续激光传输方面，北京工业大学先进激光及光纤技术研究团队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2（a）所示。通过仿真计算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10 m的传输长度上实现2951 W激光输出，传输效率为95.2%，并且输出光束质量以及光谱都有着较好保持。随后换用更长光纤进行了传输测试，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2（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传输。
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。
2. 中红外波段激光空芯反谐振光纤柔性传输
中红外激光以其重要的应用背景和极大的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。传统石英光纤在2.4 µm以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低，极大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。
本团队进一步突破了基于空芯反谐振光纤的中红外波段高功率连续激光传输功率。基于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的方式实现了3.1 µm激光输出，最大输出功率为21.8 W，输出激光具有较好的光束质量。随后利用空芯反谐振光纤中进行激光传输，最大输出功率为20.05 W，传输效率为88.09%，输出光束质量为1.25/1.26（X/Y）。
3. 可见及紫外波段激光空芯反谐振光纤柔性传输
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。
2017年，本团队对532 nm绿光高功率皮秒激光传输实验进行了研究。所用光纤是纤芯直径为26 µm单圈结构的空芯反谐振光纤，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平均功率输出，单脉冲能量为144 µJ，对应峰值功率为7.2 MW。2024年，英国南安普顿大学的Fu等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。
在紫外激光传输方面，我们组制备了纤芯直径为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的光纤长度下实现单脉冲能量106 µJ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。验证了空芯反谐振光纤在紫外波段高功率激光柔性的传输潜力，有望在紫外精密加工领域发挥重要作用。
四、总结与展望
空芯反谐振光纤通过将光场限制在纤芯空气中传输，具有低非线性、低色散、高损伤阈值以及传输模式数量可控等特点，使得基于空芯反谐振光纤的高功率激光传输技术成为研究热点。随着空芯反谐振光纤结构设计以及制备工艺的不断完善，多个重要激光波段传输损耗均得到大幅降低，基于空芯反谐振光纤的高功率激光传输相关研究报道不断涌现，已经实现了从紫外到中红外波段高功率连续激光及脉冲激光传能相关工作，但是该领域仍有着较大的提升空间，例如进一步提升传输功率以及传输效率、探索高功率下全纤化集成化传输方式等。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。
通信作者简介
王璞，北京工业大学教授、博士生导师、跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室（B类）主任，《中国激光》编委，享受国务院政府特殊津贴。主要从事高功率超快激光技术，中红外光纤激光技术以及特种光纤技术等方面的研究。在Nature Communications、High Power Laser Science and Engineering、Optics Letters 等国际知名光学期刊上发表论文170余篇，受邀国际、国内学术会议报告40余次。承担国家重点研发计划、国家重大科研仪器设备研制项目、国家自然科学基金重点项目等科研任务多项。培养博士研究生近20人，硕士研究生40余人，其中三人获中国光学学会优秀博士学位论文（含提名），研究成果获“中国光学重要成果”、“中国光学十大进展”等奖项。
张鑫，北京工业大学激光工程研究院助理研究员，入选北京工业大学高层次人才建设计划“青年优秀人才”，主要从事特种微结构光纤的设计、制备与应用方面的研究，聚焦于新型空芯光纤传输损耗极限与中红外传输波长极限的探索课题，并围绕研制的高性能空芯光纤在高功率激光柔性传输与中外红气体激光产生等领域开展了一系列工作。在知名国际期刊上发表SCI、EI论文20余篇，参与国际、国内顶级光学会议并作报告10余次，荣获2022年全国光学与光学工程博士生学术联赛-特等奖（年度总冠军），2023年、2021年、2019年国际先进光纤激光会议-最佳口头报告奖，第三届全国光子技术论坛-优秀报告奖，以及北京工业大学优秀博士学位论文奖在内的一系列奖项。
