全光纤2.45公里空芯光纤实现2千瓦激光高效传输：突破千米级千瓦功率传输瓶颈

本刊推荐一项在高功率激光传输领域的重要突破。为解决传统空间耦合系统稳定性差及固态光纤非线性效应限制的问题，研究团队开发了基于反谐振空芯光纤(AR-HCF)的全光纤激光传输系统。通过自主研发的低损耗光纤(0.168 dB/km@1080 nm)、低损耗熔接技术和受激拉曼散射(SRS)抑制策略，实现了2.45公里传输距离下2千瓦激光的85.4%传输效率。这项技术为工业制造、核退役等领域的远程高功率激光应用提供了可靠解决方案。

　　

在工业加工、医疗生物技术和科学研究领域，高功率光纤激光器因其优异的光束质量、高转换效率和紧凑结构而得到广泛应用。近年来，随着光纤激光技术的不断发展，对高功率激光柔性远程传输的需求日益增长。在核退役应用中，远程切割放射性结构能够显著降低辐射暴露风险；在石油和天然气勘探中，该技术能够实现更安全、更精确的地下激光钻井作业。然而，传统的固态光纤(SCF)在激光传输方面受到材料损伤阈值和非线性效应的限制，在5千瓦输出功率时传输长度仅20米，到8千瓦时进一步减少。

反谐振空芯光纤(AR-HCF)为解决长距离高功率激光传输的限制提供了新途径。AR-HCF将光限制在充满空气的纤芯中传播，通过微结构包层将光场与周围石英玻璃的重叠降低至约10^-5，显著降低了光学非线性和提高了损伤阈值。随着AR-HCF技术的发展，其传输损耗已经与SCF相当，在C波段实现了低于0.1 dB/km的极低损耗记录。在1μm光谱波段，现有文献记载的AR-HCF传输损耗为0.3 dB/km。

然而，现有的基于AR-HCF的高功率激光传输系统主要依赖于自由空间光学元件，这限制了在动态环境中的长期稳定性。此外，高功率激光传输会引入热透镜效应，影响空间耦合中的耦合效率。在全光纤激光传输系统方面，2024年报道了通过100米AR-HCF传输100瓦单频激光功率的成果，但耦合方法依赖于五轴调整台的光纤对准，需要精确操作，且在100.3瓦输出功率时耦合位置温度达到84.6°C，无法应用于千瓦级激光传输。

针对这些挑战，研究人员在《Nature Communications》上报道了一项突破性研究，实现了通过2.45公里自制备AR-HCF全光纤传输2千瓦激光，传输效率达到85.4%，创造了基于AR-HCF的高功率激光传输距离新纪录。

研究团队采用了几个关键技术方法：首先开发了在1080 nm处具有0.168 dB/km创纪录低传输损耗的自制备AR-HCF；其次开发了AR-HCF与抗反射涂层SCF之间的低损耗熔接技术；第三首次观察到AR-HCF石英嵌套管内受激拉曼散射(SRS)放大现象，并通过使用啁啾倾斜布拉格光栅(CTFBG)有效抑制来自激光源的拉曼噪声；最后在AR-HCF输出端熔接端帽保护原本裸露的光纤端面。实验使用商用激光源，中心波长1080 nm，通过20/250μm SCF输出，支持LP₀₁/LP₁₁两种模式。通过有限元分析(FEA)优化光纤设计，采用切贝法测量光纤损耗，使用CCD测量光束轮廓，并通过耦合波方程计算拉曼增益系数。

光纤设计与制备

研究人员设计了与20/250μm SCF模场匹配的AR-HCF，确保两种模式都能高效传输。选择五管双嵌套结构，该结构相比六管或更多嵌套管设计具有更宽的反谐振带宽、更低传输损耗和更高模式消光比。通过系统有限元分析进行单变量优化，发现当参数D/D_c大于0.9时，两种模式的损耗趋于稳定，且模态损耗对相邻管直径比例d/D和d_n/d呈现非单调依赖性。

01模式(橙色线)和LP₁₁模式(蓝色线)损耗随D/D_c、d/D和d_n/d的变化关系。红框代表制备的AR-HCF的实际参数。'>

模拟显示在22-28μm纤芯直径范围内，LP₀₁模式耦合损耗低于0.2 dB，LP₁₁模式耦合损耗低于0.4 dB。理论分析表明增加AR-HCF的纤芯直径可有效抑制拉曼增益系数，因此本研究采用28μm纤芯直径。嵌套管厚度约1.3μm，使目标波长1080 nm处于第三窗口的反谐振区域。

低损耗熔接

由于SCF和AR-HCF界面材料不同(石英/空气)，菲涅尔反射引起的背向反射光约占输入功率的4%。研究采用抗反射涂层方法，在SCF上涂覆四层Ta₂O₅/SiO₂薄膜，然后使用商用光纤熔接机将抗反射涂层SCF与AR-HCF熔接。

实验结果表明放电电流和持续时间显著影响熔接性能。通过优化放电电流和持续时间参数，确定了最佳熔接条件：20 mA放电电流和600 ms持续时间。在此优化参数下，五次重复熔接试验的平均插入损耗为-0.17 dB(σ=0.013 dB)，相应回波损耗约为-28.5 dB(σ=0.16 dB)。

AR-HCF中SRS的观察

初步研究使用200米AR-HCF进行高功率激光传输，未使用CTFBG。在2400 W输入功率下，光谱监测显示在1142 nm附近存在特征峰，被认为是石英玻璃中SRS产生的斯托克斯光。但激光源输出光谱在相同功率下没有明显的拉曼谱线。

为确定AR-HCF中的SRS是否源于激光源的内部拉曼噪声，在激光源后熔接CTFBG。对比实验表明，当插入CTFBG时，SRS分量消失，证实激光源的内部噪声是诱导AR-HCF中拉曼散射的关键因素。通过比较2m和200m AR-HCF在2259 W、2315 W和2400 W输入功率下的传输光谱，发现200m传输后的SRS强度是2m传输后的2.98倍，证实了非线性效应的累积。

AR-HCF中的高功率传输

基于对SRS的分析，研究人员使用CTFBG抑制激光源的固有拉曼噪声进行激光传输。

对于2.45公里AR-HCF，最大输出功率为2050 W，传输效率为85.4%，而端帽后的最大输出功率为1960 W，传输效率为81.7%。在2400 W最大输入功率下，1公里AR-HCF传输2160 W，传输效率为90.0%，当熔接端帽时降至2022 W，传输效率为84.2%。AR-HCF的输出光谱与激光源光谱表现出极好的一致性，没有观察到SRS非线性效应。轻微的光谱红移可归因于纤芯内空气的拉曼响应。

在最大输入功率下，激光源的光束质量因子(M²)为1.26。相应的AR-HCF输出测量显示在相同功率条件下保持了优异的光束质量，1公里AR-HCF的M²值为1.30，2.45公里AR-HCF的M²值为1.29。在不同功率水平下系统地表征了1公里和2.45公里AR-HCF的近场衍射图样，结果表明随着光纤长度和功率增加，光束轮廓始终保持明确的高斯分布而没有显著退化。

讨论与结论

本研究报道了基于AR-HCF的集成全光纤激光传输系统，为高功率应用中的空间耦合不稳定性提供了强大解决方案。自制备的AR-HCF采用优化的五元双嵌套结构，在1080 nm处实现了0.168 dB/km的超低传输损耗，这是该光谱波段至今报道的最低值。开发了AR-HCF与抗反射涂层SCF的优化熔接技术，在10 mW输入功率下实现了低平均熔接损耗(-0.17 dB)和平均回波损耗(-28.5 dB)。

值得注意的是，实验中首次观察到AR-HCF石英嵌套管内放大的SRS，这是由激光源的拉曼噪声放大引起的。这种非线性效应被认为是实现更高功率和更长传输距离的限制因素。研究提出了两种抑制策略：首先通过CTFBG有效抑制激光源的拉曼噪声；其次设计AR-HCF以降低拉曼增益。模拟显示结构参数(光纤偏移、嵌套管厚度和纤芯直径)与有效拉曼增益系数之间存在显著相关性。

展望未来，基于AR-HCF的全光纤集成激光传输系统不仅在有高功率长距离激光传输需求的领域(如工业制造、核退役和石油激光钻井)展现出显著应用潜力，在其他领域也具有重要价值。首先，AR-HCF的低非线性和传输损耗可以解决受激布里渊散射(SBS)对单频激光长距离传输的限制；其次长距离AR-HCF能够通过辐射压力实现新型粒子加速；第三本研究构建了低损耗全光纤气室，能够实现高灵敏度气体检测；此外研究成果可能启发AR-HCF的其他应用，如光纤通信、分布式传感和量子光学。

这项工作标志着在多公里和多千瓦功率传输方面的重大突破，为AR-HCF技术从实验室研究走向实际应用奠定了坚实基础。通过解决长期稳定性、非线性效应和系统集成等关键问题，研究人员为高功率激光远程传输提供了可靠的技术路径，有望在多个工业和应用领域产生深远影响。