之前，benoit我們介紹了高能激光對(duì)傳能光纖benoit的需求，以及常規(guī)大芯徑光纖、大芯徑特種幾何端面光纖、大芯徑空芯光纖等幾種典型大芯徑光纖的結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)勢(shì)以及制備技術(shù)。今天，我們來了解一下傳能光纖的商業(yè)化應(yīng)用以及未來發(fā)展方向。

傳能光纖的連接與應(yīng)用

傳能光纖在激光器中的應(yīng)用，衡量其性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)，就是激光與光纖的耦合效率，或者說光纖的激光傳輸效率（也可以用插入損耗/連接損耗來表示）。這里即包含激光器與傳能光纖的連接，也包含傳能光纖與傳能光纖，或傳能光纖與普通單模光纖的連接。

傳能光纖與光纖的耦合連接，經(jīng)過數(shù)十年的商業(yè)化發(fā)展，常規(guī)大芯徑光纖的連接，已經(jīng)可以和普通單模光纖一樣，通過商用大芯徑熔接機(jī)輕松實(shí)現(xiàn)。而大芯徑特種幾何光纖，由于其芯徑和芯結(jié)構(gòu)均異于普通單模光纖，且不同的應(yīng)用場(chǎng)景也可能會(huì)有不同的要求，其連接方法往往會(huì)更加復(fù)雜。

例如方形芯光纖，在激光光纖合束組件應(yīng)用場(chǎng)景下，要將N個(gè)半導(dǎo)體激光模塊輸出激光合束到單根方形光纖，以獲得更高的激光能量輸出。此時(shí)，首先需要將N根光纖密排，熔融拉錐成型后，切割出表面如鏡的高質(zhì)量組合椎體端面，隨后將該組合椎體端面與方形纖芯光纖端面對(duì)齊，并在熔接機(jī)中設(shè)置好對(duì)應(yīng)的預(yù)熱延時(shí)、熔接時(shí)間、熔接功率等參數(shù)，在保證熔接強(qiáng)度與傳輸效率的條件下完成方形芯光纖的合束熔接。

圖1 N = 4時(shí)的組合椎體端面，同方形芯光纖端面對(duì)齊后，熔接成4×1型激光光纖合束組件示意圖

而大芯徑空芯光纖，由于其特殊的包層毛細(xì)管結(jié)構(gòu)在熔接過程中容易塌陷變形，且其模場(chǎng)直徑往往異于普通單模光纖，直接熔接會(huì)導(dǎo)致熔接損耗過大甚至無法使用，故如何實(shí)現(xiàn)熔接后的空芯光纖結(jié)構(gòu)完整、損耗小、傳輸特性不變，是其走向?qū)嵱没仨毥鉀Q的一個(gè)關(guān)鍵問題。針對(duì)該問題，從2001年開始，國(guó)內(nèi)外一些公司、高校和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)就其熔接技術(shù)及相關(guān)工藝進(jìn)行研究，并取得了重大進(jìn)展。

2016年，南漢普頓光子學(xué)研究中心的J.R.Hayes等人，通過在單模光纖和空芯反諧振光子晶體光纖之間引入模場(chǎng)匹配的過渡光纖，得到從單模光纖到空芯反諧振光子晶體光纖再到單模光纖總的熔接損耗為2.1 dB[1]。2018年，北京工業(yè)大學(xué)汪瀅瑩（現(xiàn)就職于暨南大學(xué)）團(tuán)隊(duì)基于過渡光纖模場(chǎng)匹配方法，將空芯帶隙光子晶體光纖同單模光纖的熔接損耗降低到0.844 dB[2]。2021年，復(fù)旦大學(xué)肖力敏團(tuán)隊(duì)通過單模光纖反向擴(kuò)錐方式，將單組單模光纖到空芯反諧振光纖再到單模光纖的總?cè)劢訐p耗降低為0.88 dB[3]。

圖2 2021年復(fù)旦大學(xué)空芯反諧振光纖同單模光纖的熔接結(jié)果（a）初始的包層直徑125 μm的單模光纖；（b）將其反向擴(kuò)錐后腰部包層直徑達(dá)250 μm的單模光纖；（c）一組熔接好的單模光纖到反諧振空芯光纖再到單模光纖的光纖鏈路

至于直接將激光光源同傳能光纖進(jìn)行耦合連接，主要有兩種方式，如圖3所示benoit：

（1）直接耦合，即光纖端頭安裝在靠近激光光源的位置，使產(chǎn)生的激光直接耦合進(jìn)光纖中，為提高耦合效率，通常還會(huì)將光纖端頭加工成球面、圓錐形或拋物面等微結(jié)構(gòu)形狀；此時(shí)，激光光源的發(fā)光面尺寸、發(fā)散角，光纖的端面尺寸、數(shù)值孔徑、形狀，以及兩者間的距離等都會(huì)影響耦合效率。

（2）間接耦合，即通過透鏡來實(shí)現(xiàn)激光同光纖的耦合；透鏡可以是單個(gè)透鏡，也可以是多個(gè)透鏡構(gòu)成的組合透鏡系統(tǒng)；透鏡類型也多種多樣，柱狀透鏡、球透鏡、半球透鏡等均有不同的組合和使用形式[4]。如圖4就是一種典型的激光同光纖直接耦合輸出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，輸出的激光經(jīng)過快軸和慢軸光束校準(zhǔn)后，再通過準(zhǔn)直透鏡聚焦于光纖纖芯中[5]。

圖3 傳能光纖與激光器耦合的兩種形式，以及部分對(duì)應(yīng)的耦合方法示例

圖4 光纖耦合模塊示意圖，通過一定的光路設(shè)計(jì)，將20支單管半導(dǎo)體激光器的輸出光形成10×2的光斑分布后，經(jīng)聚焦透鏡組耦合進(jìn)芯徑400 μm的光纖中，耦合效率84.2%

在實(shí)際的應(yīng)用中，傳能光纖更多的是以傳能光纜的形式出現(xiàn)，而且需要同高功率輸出頭、集束連接器等傳能組件配合起來使用。當(dāng)前市場(chǎng)主流的輸出頭接口為QBH（Quartz Block Head）類型，由瑞典Optoskand AB公司提出，內(nèi)置水冷模塊，能夠傳輸較高功率激光（>5 kw平均功率）。憑借在切割、焊接、鉆孔、熔覆等材料加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以及制造業(yè)水平的提升，當(dāng)前采用QD或Q+接口的商用高功率傳能光纜已可傳輸功率達(dá)數(shù)萬瓦的激光。

圖5 一種常規(guī)大芯徑傳能光纖光纜結(jié)構(gòu)圖（左）[6]；光越科技出品的可傳輸功率達(dá)8 kw的高功率激光輸出頭，采用QBH接口類型（右）

傳能光纖的發(fā)展方向

光纖作為光的產(chǎn)生、傳輸和探測(cè)媒介在激光、通信和傳感領(lǐng)域一直有著重要應(yīng)用。從1966年玻璃纖維理論首次出現(xiàn)，到如今光纖已滲透于人們生活的方方面面，其中最成熟也最成功的產(chǎn)品無疑是通信光纖。但在特種光纖領(lǐng)域，保偏光纖、傳能光纖、雙包層光纖等特種光纖，同樣在通信、電力、工業(yè)、醫(yī)療、傳感等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

作為特種光纖產(chǎn)品系列中重要成員的傳能光纖，最主要的功能即用作激光的傳輸媒介，伴隨著激光器產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，特別是作為第三代激光技術(shù)代表的光纖激光器發(fā)展——當(dāng)前國(guó)內(nèi)工業(yè)級(jí)光纖激光器產(chǎn)品的穩(wěn)定輸出功率已達(dá)100 kW[7]，開啟了激光應(yīng)用新時(shí)代的大門，同時(shí)由于全光通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展路線的要求，均給作為其中重要組成原件的傳能光纖發(fā)展注入了新的活力，但相應(yīng)的也提出了更為迫切和嚴(yán)苛的要求。

可以預(yù)見，今后傳能光纖的主要發(fā)展方向，依然聚焦于更高的傳輸效率以及更大的傳輸功率這兩方面。更高的傳輸效率，主要還是在傳能光纖的連接耦合技術(shù)上進(jìn)行突破；更大的傳輸功率，一方面可以針對(duì)已有的傳能光纖進(jìn)行優(yōu)化，或設(shè)計(jì)全新的光纖結(jié)構(gòu)，另一方面也可以從材料方面著手，特別是當(dāng)前的石英玻璃材料雖然在可見光和近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)有良好的的傳輸性能，但是對(duì)紅外波長(zhǎng)的激光能量傳輸無能為力，亟需研究可用的新型材料。

當(dāng)然，除激光切割、焊接、打標(biāo)、醫(yī)療等傳統(tǒng)應(yīng)用外，還可以探索推進(jìn)傳能光纖在高功率激光傳感、檢測(cè)等方面的應(yīng)用，例如采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的激光探針，已應(yīng)用于鋼鐵、土壤等對(duì)象的元素分析中[8]。伴隨著科技的發(fā)展，以及相關(guān)科研工作的不斷細(xì)化深入，再微小的課題，其背后都可能隱藏著巨大的寶藏，需要我們?nèi)ヌ剿靼l(fā)掘，就如同黑夜中遠(yuǎn)方閃爍的光點(diǎn)，只有走近了才能知曉它的宏大與光亮。

參考文獻(xiàn)

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2.李曉倩, 汪瀅瑩, 高壽飛, 王璞. 空芯反諧振光纖與單模光纖的低損耗熔接研究[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào). 2018, Vol.38, No.10, 1006002-1-5

3.Caoyuan Wang, Ruowei Yu, Benoit Debord, Frederic Gerome, Fetah Benabid, Kin Seng Chiang, Limin Xiao. Ultralow-loss fusion splicing between negative curvature hollow-core fibers and conventional SMFs with a reverse-tapering method[J]. Optics Express, 2021, vol.29, No.14, 22470–22478

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7. 王昊昊. 這把“最快的刀” 該怎么用？[N]. 中國(guó)科學(xué)報(bào), 2021.12.13

8. 李文鑫, 陳光輝, 曾慶棟, 袁夢(mèng)甜, 何武光, 江澤方, 劉洋, 聶長(zhǎng)江, 余華清, 郭連波. 光纖傳能的移動(dòng)式激光誘導(dǎo)擊穿光譜鋼鐵快速檢測(cè)與分類[J]. 光譜學(xué)與光譜分析. 2021, 8, 2638-2643

特約撰稿人簡(jiǎn)介：

廉正剛，武漢長(zhǎng)盈通光電技術(shù)股份有限公司技術(shù)總監(jiān)，華中科技大學(xué)兼職教授，南方科技大學(xué)產(chǎn)業(yè)教授，擁有近20年的光纖材料合成與加工以及特種結(jié)構(gòu)光纖的制備與測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)。

共同作者簡(jiǎn)介：

張博，武漢長(zhǎng)盈通光電技術(shù)股份有限公司研發(fā)工程師，主要從事光纖仿真、光纖傳感系統(tǒng)研究以及信號(hào)處理等方面工作。

皮亞斌，武漢長(zhǎng)盈通光電技術(shù)股份有限公司董事長(zhǎng)兼總裁，擔(dān)任湖北省企業(yè)聯(lián)合會(huì)會(huì)長(zhǎng)，武漢市政協(xié)委員、武漢市“五一”勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)?、湖北省?yōu)秀企業(yè)家、全國(guó)電子信息行業(yè)優(yōu)秀企業(yè)家、“光谷新經(jīng)濟(jì)年度人物”等榮譽(yù)稱號(hào)。