突破瓶颈！国防科大实验室实现全光纤2 kW、2.45 km激光高效传输

近日，国防科技大学南湖之光实验室联合长飞光坊（武汉）科技有限公司、长飞光纤光缆股份有限公司光纤光缆先进制造与应用技术全国重点实验室，在高功率激光柔性远程传输技术领域取得重大突破。

研究团队成功利用空芯光纤，实现了2 kW高功率激光在2.45 km超长距离下的全光纤化高效、稳定传输，且输出激光保持了接近衍射极限的优异光束质量，标志着高功率、远程传能空芯光纤从原理探索正式迈进工程应用阶段。

该研究成果发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。前沿交叉学科学院石婧博士和饶斌裕博士为该论文的共同第一作者，陈金宝研究员、王泽锋教授、陈子伦副研究员为本论文共同通讯作者。（
DOI:10.1038/s41467-025-64073-y）

研究背景

高功率光纤激光器因其光束质量优异、转换效率高、结构紧凑、热管理高效等显著优势，在工业加工、医疗生物技术和科学研究等领域具有广泛应用。近年来，高功率激光柔性远距离传输的应用需求日益增长。然而，激光在实芯光纤中传输时，受限于非线性和热效应，难以同时保持高光束质量与高功率。传统实芯光纤在输出功率为5 kW时，传输距离为20 m；而当功率提升至8 kW时，传输距离急剧下降至仅3 m，严重限制了其在工业中的广泛应用。

空芯光纤为解决这一难题提供了新路径。反谐振空芯光纤通过微结构包层将光场限制在空气纤芯中传导，与周围石英玻璃的重叠度降至约10-5量级，显著降低光学非线性效应并提高了损伤阈值。但现有空芯光纤高功率激光传输系统主要依赖透镜等光学元件，易受环境影响，稳定性差。

创新设计

针对上述挑战，该研究团队采用中心波长1080 nm的商用高功率激光器，输出光纤为20/250 μm实芯光纤。为实现全光纤结构的高效耦合，该团队设计了与实芯光纤模场匹配的五管双嵌套反谐振空芯光纤，光纤结构图如图1（a）所示。

图1 空芯光纤特性。（a）结构示意图（b-e）仿真结果图，最佳光纤参数范围为0.9≤D/Dc，0.66≤d/D≤0.78，0.39≤dn/d≤0.69，22 μm≤Dc≤28 μm；拉制的光纤Dc约为28 μm，D约为31 μm，dn约为23 μm，d约为10 μm。（f）传输损耗仿真与测试图（插图为光纤截面图），截断法测得的光纤损耗谱线，在1080 nm处的传输损耗为0.168 dB/km

通过有限元分析法进行参数优化，使得空芯光纤低损耗传输和低损耗耦合。通过仿真优化，确定了最佳结构参数，成功拉制出在1080 nm处传输损耗低至0.168 dB/km的超低损耗空芯光纤。

攻克多项关键技术

为实现真正稳定、高效的“全光纤”系统，团队攻克了多项关键技术。图2展示了全光纤结构空芯光纤激光长距离传输系统，该系统以1080 nm连续波激光器作为光源。

在高功率激光传输实验中，首次发现了空芯光纤石英包层的受激拉曼散射现象。为抑制此效应，在激光器后接入啁啾倾斜布拉格光栅（CTFBG），有效遏制了受激拉曼散射在空芯光纤中的生成。该CTFBG器件基于20/250 μm光纤制备，其拉曼衰减波段覆盖1125~1150 nm，衰减深度优于20 dB。

光纤激光输出实芯光纤表面镀增透膜，并通过优化熔接工艺与空芯光纤实现低损耗接续。低功率测试条件下，熔接损耗约为0.17 dB，回波损耗约为–28.5 dB。

在空芯光纤输入端与实芯光纤熔接点后方采用化学蚀刻方法制备了一段2 cm长的包层光剥离器（CLS）。整个熔接区域及CLS部分通过玻璃管进行封装固定，以提升结构稳定性。空芯光纤缠绕于直径320 mm、高400 mm的定制光纤盘上以增强散热。针对空芯光纤输出端易受污染物侵袭的问题，他们在光纤输出端熔接端帽进行保护。玻璃管与端帽的实际结构如图2所示。

图2 全光纤结构空芯光纤激光长距离传输系统。OSA、光谱仪; PM、功率计；BQD,、光束质量分析仪; HR mirror、高反镜；CTFBG、啁啾倾斜布拉格光纤光栅；CLS、包层光滤除器。

实验结果表明（如图3所示），空芯光纤在千米级距离、千瓦级功率下保持光束质量的卓越能力，为其在工业与科研领域的高功率长距离激光传输应用提供了有力支撑。该传输系统具体性能优势如下：

• 高功率、高效率：在2400 W输入功率下，2.45 km裸纤输出功率达2050 W，传输效率85.4%，如图3(a)所示。
• 运行稳定可靠：2小时持续功率测试中，输出波动仅为2.3%，热成像显示关键部位温度控制良好，展现出卓越的工程应用潜力，如图3(b-c)所示。

• 光束质量极佳：在2400 W激光功率输入时激光器M²为1.26，而1 km与2.45 km空芯光纤输出M²分别为1.30与1.29，光束质量稳定，且近场光斑呈现高质量高斯分布，无明显劣化，如图3(d~e)所示。

图3 实验结果图。（a）功率结果图（b）空芯光纤输入与输出光谱图（c）功率稳定性测试与热像图（d）空芯光纤输出光束质量图（e）空芯光纤输出近场光斑图

未来展望

本研究自主设计拉制超低损耗空芯光纤，突破了石英光纤与空芯光纤低损耗熔接、模场匹配和高功率光纤端帽技术；实现了全光纤结构下，2 kW激光2.45 km的长距离柔性高效传输，输出激光维持近衍射极限光束质量（M²因子约1.3），全光纤化传输功率和距离均为国际最高水平。相较于传统实芯光纤，其有效柔性传输距离提升了两个数量级，为工业和国防领域远距离激光柔性传输跨入工程应用提供技术支撑。

研究团队未来计划进一步优化光纤结构，提高空芯光纤耦合效率，进一步提升传输功率和长度，探索其在更广泛场景中的应用。

来自：光电汇
长三角G60激光联盟陈长军转载

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