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研究背景与作者信息
该研究由Xinyue Zhu、Dakun Wu、Yazhou Wang、Fei Yu、Qiurui Li、Yunfeng Qi、Jonathan Knight、Shufen Chen和Lili Hu共同完成，分别来自北京理工大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、杭州高等研究院、英国巴斯大学等机构。研究于2021年1月18日发表在期刊《Optics Express》上，题为《Delivery of CW Laser Power up to 300 Watts at 1080 nm by an Uncooled Low-Loss Anti-Resonant Hollow-Core Fiber》。
学术背景
随着高功率激光器在微加工、激光手术、国防技术等领域的广泛应用，对灵活激光功率传输的需求日益增长。传统光纤的功率传输能力受到激光功率损伤阈值、非线性光学效应和热诱导模式退化的限制。空心光纤（Hollow-Core Fiber, HCF）通过将光限制在空心中，提供了接近自由空间的传播环境，具有更高的损伤阈值、更低的非线性效应和更低的波导色散。特别是反谐振空心光纤（Anti-Resonant Hollow-Core Fiber, AR-HCF）因其低损耗和大空心核心而备受关注。
研究目标
本研究旨在验证AR-HCF在高功率连续波（CW）激光传输中的性能，探索其在1080 nm波长下传输300 W激光功率的可行性，并分析其耦合效率、热效应和光束质量。
研究流程
1. 光纤设计与制备
AR-HCF采用堆叠拉制技术制备，核心直径约35 µm，负曲率核心壁厚度约355 nm。通过切割法测量光纤在1080 nm波长下的衰减为0.05 dB/m。
实验设置
实验使用3米长的AR-HCF，将其松散地绕在钢板上以减小弯曲损耗。光源为工业级连续波光纤激光器（Feibo YDFL-500-QCW），最大输出功率400 W。实验通过4-f透镜系统将激光束耦合到AR-HCF中，并在输出端测量传输功率和光束质量。
激光传输实验
实验记录了不同入射功率下的输出功率和耦合效率。耦合效率定义为输出功率与输入功率的比值，并考虑了光纤衰减。实验还测量了输出光束的M²因子和数值孔径，以评估光束质量。
热效应分析
实验观察到高功率下激光诱导的热效应导致透镜焦距变化和XYZ平台的热漂移。通过手动调整XYZ平台补偿热漂移，以维持最佳耦合效率。
数据模拟与分析
使用COMSOL软件模拟AR-HCF的模态场分布，并建立自由空间光束与AR-HCF的耦合模型。通过有限元分析计算不同入射光束尺寸和模式比例下的耦合效率。
主要结果
1. 激光传输性能
实验成功实现了300 W的连续波激光传输，持续1小时未观察到光纤损伤。在50 W至280 W的入射功率范围内，进行了超过10小时的传输测试，未发现光纤或涂层损坏。
耦合效率与光束质量
在低入射功率下，优化耦合效率为81%，随着功率增加，效率逐渐下降至78.6%。输出光束的M²因子低于1.5，接近衍射极限，表明AR-HCF具有良好的光束质量。
热效应影响
高功率下透镜温度上升至42°C，导致焦距缩短1.1 mm。手动调整XYZ平台可恢复耦合效率，但热效应仍是限制长期稳定性的主要因素。
模拟结果
模拟显示，当入射光束为LP01和LP11模式的叠加时，理论最大耦合效率可达98.46%。实验中的耦合效率降低主要归因于透镜制造误差、光纤不均匀性和其他高阶模式的激发。
结论与意义
本研究首次验证了AR-HCF在1080 nm波长下传输300 W连续波激光的可行性，展示了其在高效激光传输中的潜力。AR-HCF的低损耗、高损伤阈值和良好的光束质量使其成为高功率激光传输的理想选择。然而，激光诱导的热效应和耦合效率的优化仍需进一步研究。未来，探索冷却方法和新型耦合设计将有助于提高AR-HCF在长期高功率激光传输中的稳定性。
研究亮点
1. 创新性：首次在1080 nm波长下实现300 W连续波激光传输，验证了AR-HCF在高功率激光传输中的应用潜力。
2. 方法新颖：结合实验与模拟，详细分析了耦合效率和热效应的影响，为优化设计提供了理论依据。
3. 应用价值：为微加工、激光手术和国防技术等领域的高功率激光传输提供了新的解决方案。
其他有价值内容
研究还探讨了AR-HCF的弯曲敏感性和模态滤波效应，为未来设计和应用提供了重要参考。此外，研究团队计划进一步探索冷却方法和无XYZ平台的耦合设计，以提高系统的长期稳定性。