近期，杭州光學(xué)精密機(jī)械研究所羅素先進(jìn)光波科學(xué)中心聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)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(duì)環(huán)境振動(dòng)敏感、維護(hù)復(fù)雜；傳統(tǒng)實(shí)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(dǎo)色散等特點(diǎn)，為高功率超快激光的柔性傳輸提供了新途徑。

圖1 實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)AR-HCF1傳輸系統(tǒng)；(e-f) 3米長(zhǎng)AR-HCF2傳輸系統(tǒng)

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)毛細(xì)管與纖芯直徑比（d/D）優(yōu)化至約0.68時(shí)（AR-HCF2），光纖對(duì)高階模式的抑制能力顯著增強(qiáng)。在3米長(zhǎng)的AR-HCF2中傳輸20 W、1064 nm波長(zhǎng)、脈寬＜15 ps的皮秒激光時(shí)，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(dòng)RMS值約0.2%，與自由空間系統(tǒng)相當(dāng)，且具備更低的維護(hù)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(zhǎng)AR-HCF1激光傳輸系統(tǒng)；(g-i) 3米長(zhǎng)AR-HCF2激光傳輸系統(tǒng)

在鋁片微加工實(shí)驗(yàn)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(diǎn)圓度達(dá)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(dāng)，明顯優(yōu)于AR-HCF1的5.66%。這說(shuō)明通過(guò)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(shí)，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(duì)鋁板表面進(jìn)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(zhǎng)AR-HCF1激光傳輸系統(tǒng)；(g-i) 3米長(zhǎng)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(duì)鋁板表面進(jìn)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(zhǎng)AR-HCF1激光傳輸系統(tǒng)；(c) 3米長(zhǎng)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(duì)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(lái)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步探索該技術(shù)在更長(zhǎng)傳輸距離與更高功率水平下的應(yīng)用潛力，推動(dòng)其在工業(yè)精密制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)B、上海市科技計(jì)劃項(xiàng)目等資助。

轉(zhuǎn)自：光纖激光

來(lái)源：杭州光學(xué)精密機(jī)械研究所

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