超快激光在精密切割、焊接、表麵處理等領域具有不可替代的作用，然而其傳(chuan) 輸方式仍麵臨(lin) 挑戰：自由空間光路係統加工範圍受限並且對環境振動敏感、維護複雜；傳(chuan) 統實芯光纖則受限於(yu) 非線性效應和損傷(shang) 閾值，難以承載高峰值功率超快脈衝(chong) 。反諧振空芯光纖憑借低非線性、高損傷(shang) 閾值和弱波導色散等特點，為(wei) 高功率超快激光的柔性傳(chuan) 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）截麵圖

圖2 激光傳(chuan) 輸係統的功率穩定性和指向穩定性

(a-b) 自由空間激光傳(chuan) 輸係統；(c-d) 3米長AR-HCF1傳(chuan) 輸係統；(e-f) 3米長AR-HCF2傳(chuan) 輸係統

研究團隊設計並製備了兩(liang) 種不同結構參數的單環反諧振空芯光纖（AR-HCF1與(yu) AR-HCF2）。實驗表明，當毛細管與(yu) 纖芯直徑比（d/D）優(you) 化至約0.68時（AR-HCF2），光纖對高階模式的抑製能力顯著增強。在3米長的AR-HCF2中傳(chuan) 輸20 W、1064 nm波長、脈寬＜15 ps的皮秒激光時，係統表現出優(you) 異的性能：輸出光束模式純淨，指向穩定性（θₓ=9.8 μrad，θy=8.5 μrad）優(you) 於(yu) 自由空間係統（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(yu) 自由空間係統相當，且具備更低的維護需求。

圖3 三種激光傳(chuan) 輸係統輸出端口的光束輪廓：(a-c) 自由空間激光傳(chuan) 輸係統；(d-f) 3米長AR-HCF1激光傳(chuan) 輸係統；(g-i) 3米長AR-HCF2激光傳(chuan) 輸係統

在鋁片微加工實驗中，AR-HCF2展現出接近自由空間係統的加工質量。單脈衝(chong) 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(jin) 為(wei) 2.38%，與(yu) 自由空間係統的2.12%相當，明顯優(you) 於(yu) AR-HCF1的5.66%。這說明通過優(you) 化光纖結構提升模式純度，可有效抑製因光纖微彎引起的光束不穩定，從(cong) 而在保持加工精度的同時，獲得更高的係統靈活性與(yu) 穩定性。

圖4 三種激光傳(chuan) 輸係統對鋁板表麵進行單次加工的結果：(a-c) 自由空間激光傳(chuan) 輸係統；(d-f) 3米長AR-HCF1激光傳(chuan) 輸係統；(g-i) 3米長AR-HCF2激光傳(chuan) 輸係統

圖5 三種激光傳(chuan) 輸係統以4 mm/s的掃描速率對鋁板表麵進行在線加工的結果：(a) 自由空間激光傳(chuan) 輸係統；(b) 3米長AR-HCF1激光傳(chuan) 輸係統；(c) 3米長AR-HCF2激光傳(chuan) 輸係統

該研究首次明確了反諧振空芯光纖模式純度對微加工質量的關(guan) 鍵作用，為(wei) 發展高性能、柔性化的超快激光加工裝備提供了重要依據。未來，團隊將進一步探索該技術在更長傳(chuan) 輸距離與(yu) 更高功率水平下的應用潛力，推動其在工業(ye) 精密製造領域的產(chan) 業(ye) 化進程。

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

來源：杭州光學精密機械研究所