近期，杭州光學精密機械研究所羅素先進光波科學中心聯(lián)合中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術(shù)全國重點實驗室以及激光智能制造研發(fā)中心，在利用反諧振空芯光纖（AR-HCF）實現(xiàn)高功率皮秒激光高質(zhì)量柔性傳輸與精密加工方面取得重要進展。相關(guān)研究成果以“High-quality delivery of high-power picosecond lasers in single-ring anti-resonant hollow-core fiber for micromachining”為題，發(fā)表于High Power Laser Science and Engineering。

超快激光在精密切割、焊接、表面處理等領(lǐng)域具有不可替代的作用，然而其傳輸方式仍面臨挑戰(zhàn)：自由空間光路系統(tǒng)加工范圍受限并且對環(huán)境振動敏感、維護復雜；傳統(tǒng)實芯光纖則受限于非線性效應(yīng)和損傷閾值，難以承載高峰值功率超快脈沖。反諧振空芯光纖憑借低非線性、高損傷閾值和弱波導色散等特點，為高功率超快激光的柔性傳輸提供了新途徑。

圖1 實驗裝置圖及反諧振空芯光纖（AR-HCF1和AR-HCF2）截面圖

圖2 激光傳輸系統(tǒng)的功率穩(wěn)定性和指向穩(wěn)定性。

(a-b) 自由空間激光傳輸系統(tǒng)；(c-d) 3米長AR-HCF1傳輸系統(tǒng)；(e-f) 3米長AR-HCF2傳輸系統(tǒng)

研究團隊設(shè)計并制備了兩種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的單環(huán)反諧振空芯光纖（AR-HCF1與AR-HCF2）。實驗表明，當毛細管與纖芯直徑比（d/D）優(yōu)化至約0.68時（AR-HCF2），光纖對高階模式的抑制能力顯著增強。在3米長的AR-HCF2中傳輸20 W、1064 nm波長、脈寬＜15 ps的皮秒激光時，系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能：輸出光束模式純凈，指向穩(wěn)定性（θₓ=9.8 μrad，θy=8.5 μrad）優(yōu)于自由空間系統(tǒng)（θₓ=26.3 μrad，θy =17.2 μrad）及d/D≈0.5的AR-HCF1（θₓ=14.0 μrad，θy =9.9 μrad）；功率波動RMS值約0.2%，與自由空間系統(tǒng)相當，且具備更低的維護需求。

圖3 三種激光傳輸系統(tǒng)輸出端口的光束輪廓：

(a-c) 自由空間激光傳輸系統(tǒng)；(d-f) 3米長AR-HCF1激光傳輸系統(tǒng)；(g-i) 3米長AR-HCF2激光傳輸系統(tǒng)

在鋁片微加工實驗中，AR-HCF2展現(xiàn)出接近自由空間系統(tǒng)的加工質(zhì)量。單脈沖加工斑點圓度達0.97，尺寸均勻性良好；在線加工線條的偏移度僅為2.38%，與自由空間系統(tǒng)的2.12%相當，明顯優(yōu)于AR-HCF1的5.66%。這說明通過優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)提升模式純度，可有效抑制因光纖微彎引起的光束不穩(wěn)定，從而在保持加工精度的同時，獲得更高的系統(tǒng)靈活性與穩(wěn)定性。

圖4 三種激光傳輸系統(tǒng)對鋁板表面進行單次加工的結(jié)果：(a-c) 自由空間激光傳輸系統(tǒng)；(d-f) 3米長AR-HCF1激光傳輸系統(tǒng)；(g-i) 3米長AR-HCF2激光傳輸系統(tǒng)

圖5 三種激光傳輸系統(tǒng)以4 mm/s的掃描速率對鋁板表面進行在線加工的結(jié)果：(a) 自由空間激光傳輸系統(tǒng)；(b) 3米長AR-HCF1激光傳輸系統(tǒng)；(c) 3米長AR-HCF2激光傳輸系統(tǒng)

該研究首次明確了反諧振空芯光纖模式純度對微加工質(zhì)量的關(guān)鍵作用，為發(fā)展高性能、柔性化的超快激光加工裝備提供了重要依據(jù)。未來，團隊將進一步探索該技術(shù)在更長傳輸距離與更高功率水平下的應(yīng)用潛力，推動其在工業(yè)精密制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進程。

相關(guān)工作得到了國家自然科學基金、中國科學院先導專項B、上海市科技計劃項目等資助。

轉(zhuǎn)自：光纖激光

來源：杭州光學精密機械研究所

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