国际首次！我国实现2 kW激光2.45 km全光纤高效传输

近日，国防科技大学南湖之光实验室携手长飞光坊（武汉）科技有限公司及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方面取得重要进展。研究团队采用空芯光纤（Hollow-core fiber, HCF），成功实现了2 kW高功率激光在2.45 km距离上的全光纤、高效稳定传输。与常规实芯光纤相比，该方案将柔性传输距离提升了两个数量级，同时输出激光仍保持近衍射极限的高光束质量。这一成果不仅是高功率激光传输技术发展的重要里程碑，也标志着空芯光纤在高功率远程能量传输领域，已从原理探索正式迈入工程应用的新阶段。

研究成果以“All-fiber highly efficient delivery of 2 kW laser over 2.45 km hollow-core fiber”，于2025年10月9日发表于《Nature Communications》上。

1、研究背景

传统实芯光纤由于受到材料损伤阈值和非线性效应等因素的限制，在高功率激光传输中，难以同时满足远程柔性传输和保持良好光束质量的要求。当前，千瓦级激光在实芯光纤中维持近衍射极限光束质量，仅能传输数十米，严重限制了其在工业和科研中的广泛应用。空芯光纤通过特殊结构设计，可实现超低损耗、超低非线性特征，被认为是实现高功率、高光束质量激光远程柔性传输的理想介质。

然而，空芯光纤高功率激光传输在工程应用中仍面临两大关键技术挑战：一是空芯光纤与激光器的低损耗熔接技术仍待突破，二是空芯光纤输出端的隔离保护长期未能解决。受限于此，国内外研究多采用空间耦合及裸纤输出的方式在实验室进行高功率传输探索实验，不仅制约了传输功率的进一步提升，也难以保障系统长时间稳定运行，这严重限制了空芯光纤在高功率激光传输的工程化应用推广。因此，如何实现空芯光纤在全光纤结构下的高功率激光稳定传输，已成为该领域亟待突破的技术瓶颈。

2、研究创新点

创新点1—自主设计并制备出五管双嵌套空芯光纤，在1080 nm处实现0.168 dB/km的极低传输损耗，为目前该波段全球最低值。

研究团队采用有限元分析法系统优化光纤结构参数，确定了空芯光纤结构最佳参数区间，所制备的光纤兼具低传输损耗与高模场匹配度，为实现后续高效、高功率的全光纤化激光传输系统奠定了关键物理基础。（图1）

图1（a）空芯光纤结构图（b-e）空芯光纤仿真结果（f）光纤传输损耗仿真与测试结果

创新点2—发展了空芯光纤低损耗高可靠一体化传输技术，实现空芯光纤全光纤化集成传输系统。

研究团队采用镀膜熔接的方式，实现低熔接损耗（～0.17 dB）、高回波损耗(～-28.5 dB)全光纤化耦合传输。此外，研究团队在空芯光纤输出端熔接端帽，保护空芯光纤端面不被破坏和损伤，为实现长期稳定的全光纤高功率传输系统提供了关键技术保障。（图2）

图2 全光纤高功率激光传输系统实验装置示意图

创新点3—首次发现了空芯光纤中的石英受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）放大现象，基于拉曼抑制光栅实现了无SRS的2 kW激光在2.45 km空芯光纤中稳定传输。

研究团队在高功率激光传输实验中，首次观测到空芯光纤输出光谱中源自石英嵌套管的SRS谱线，这与空芯光纤的“低非线性”特性相悖。为解决这一问题，研究团队在激光器后引入啁啾倾斜布拉格光纤光栅，有效抑制了激光器的拉曼噪声，从而显著降低了空芯光纤中SRS的增益。最终，在2.45 km光纤中实现了2 kW激光稳定输出，传输效率达85.4%，光束质量保持优异（M²≈1.29），系统在2小时长时间运行中功率波动低于2.3%，展现出卓越的稳定性。（图3）

图3（a）功率传输结果（b）最高注入功率下激光器与空芯光纤输出光谱对比（c）最高注入功率下稳定性测试（120分钟），插图为光纤热像图（d）最高注入功率下光束质量测量（e）空芯光纤在不同输出功率下光斑图

3、总结与展望

该研究实现了全光纤结构2 kW激光2.45 km的远程柔性高效传输，全光纤化传输功率和距离均为国际最高水平。该成果是高功率激光传输技术的一项里程碑，研究团队未来计划进一步优化光纤结构，提升传输功率和长度，推广其在工业和科研等领域的应用。 国防科技大学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。

来源：中国光学▪十大进展