反谐振空芯光纤实现高功率皮秒激光微加工研究取得重要进展

近期，杭州光学精密机械研究所罗素先进光波科学中心联合中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室以及激光智能制造研发中心，在利用反谐振空芯光纤（AR-HCF）实现高功率皮秒激光高质量柔性传输与精密加工方面取得重要进展。相关研究成果以“High-quality delivery of high-power picosecond lasers in single-ring anti-resonant hollow-core fiber for micromachining”为题，发表于High Power Laser Science and Engineering。

超快激光在精密切割、焊接、表面处理等领域具有不可替代的作用，然而其传输方式仍面临挑战：自由空间光路系统加工范围受限并且对环境振动敏感、维护复杂；传统实芯光纤则受限于非线性效应和损伤阈值，难以承载高峰值功率超快脉冲。反谐振空芯光纤凭借低非线性、高损伤阈值和弱波导色散等特点，为高功率超快激光的柔性传输提供了新途径。

图1 实验装置图及反谐振空芯光纤（AR-HCF1和AR-HCF2）截面图

图2 激光传输系统的功率稳定性和指向稳定性

(a-b) 自由空间激光传输系统；(c-d) 3米长AR-HCF1传输系统；(e-f) 3米长AR-HCF2传输系统

研究团队设计并制备了两种不同结构参数的单环反谐振空芯光纤（AR-HCF1与AR-HCF2）。实验表明，当毛细管与纤芯直径比（d/D）优化至约0.68时（AR-HCF2），光纤对高阶模式的抑制能力显著增强。在3米长的AR-HCF2中传输20 W、1064 nm波长、脉宽＜15 ps的皮秒激光时，系统表现出优异的性能：输出光束模式纯净，指向稳定性（θₓ=9.8 μrad，θy=8.5 μrad）优于自由空间系统（θₓ=26.3 μrad，θy =17.2 μrad）及d/D≈0.5的AR-HCF1（θₓ=14.0 μrad，θy =9.9 μrad）；功率波动RMS值约0.2%，与自由空间系统相当，且具备更低的维护需求。

图3 三种激光传输系统输出端口的光束轮廓：(a-c) 自由空间激光传输系统；(d-f) 3米长AR-HCF1激光传输系统；(g-i) 3米长AR-HCF2激光传输系统

在铝片微加工实验中，AR-HCF2展现出接近自由空间系统的加工质量。单脉冲加工斑点圆度达0.97，尺寸均匀性良好；在线加工线条的偏移度仅为2.38%，与自由空间系统的2.12%相当，明显优于AR-HCF1的5.66%。这说明通过优化光纤结构提升模式纯度，可有效抑制因光纤微弯引起的光束不稳定，从而在保持加工精度的同时，获得更高的系统灵活性与稳定性。

图4 三种激光传输系统对铝板表面进行单次加工的结果：(a-c) 自由空间激光传输系统；(d-f) 3米长AR-HCF1激光传输系统；(g-i) 3米长AR-HCF2激光传输系统

图5 三种激光传输系统以4 mm/s的扫描速率对铝板表面进行在线加工的结果：(a) 自由空间激光传输系统；(b) 3米长AR-HCF1激光传输系统；(c) 3米长AR-HCF2激光传输系统

该研究首次明确了反谐振空芯光纤模式纯度对微加工质量的关键作用，为发展高性能、柔性化的超快激光加工装备提供了重要依据。未来，团队将进一步探索该技术在更长传输距离与更高功率水平下的应用潜力，推动其在工业精密制造领域的产业化进程。

相关工作得到了国家自然科学基金、中国科学院先导专项B、上海市科技计划项目等资助。

来源：杭州光学精密机械研究所

长三角G60激光联盟陈长军转载

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