超宽波段微结构光纤的设计

20251130

科学研究和技术服务业

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本成果来源于北京市自然科学基金及本科生“启研”计划资助的《超宽波段微结构光纤的设计技术研究》项目，面向精密制造、航空航天、光电对抗及中红外探测等领域高功率激光柔性传输对低损耗、高稳定性与工程可布放性的迫切需求。传统实芯石英光纤受限于材料吸收、热致折射率变化与非线性效应，其高功率承载能力和高带宽传输能力在工程场景中均面临根本瓶颈。空芯反谐振光纤（Hollow-core Antiresonant Fiber, HC-ARF）凭借空气导光、非材料吸收传输以及负曲率结构在抑制泄漏方面的优势，被认为是突破高功率柔性传输与宽带传输极限的核心候选方案。本项目围绕 HC-ARF 的导光机理、结构优化与可制造性构建了系统技术路径，形成了从理论分析、数值建模、结构优化到制备验证的完整成果体系。 本项目从反谐振导光机制（ARROW）出发，建立了基于玻璃薄壁相位延迟的高反射模型，并阐明谐振/反谐振条件对泄漏损耗的决定作用。通过构建“壁厚—反谐振窗口—有效带宽”映射模型，明确了壁厚 t 对中心波长及带宽的控制作用；通过分析“毛细管直径 d—芯模/包层模相位失配”关系，揭示了 d 对限制损耗谷值与泄漏通道形态的调控；通过构建“弯曲扰动—等效壁厚变化—泄漏路径开启”模型，系统刻画了宏观弯曲导致的相位破缺机制。对于损耗来源，项目从限制损耗、表面散射损耗、材料吸收损耗与弯曲损耗四个维度进行了分解，特别是将弯曲模式耦合峰的形成条件引入模型，使弯曲敏感性的预测更为精确。 在建模与仿真方面，本成果构建了基于 COMSOL Multiphysics 的二维全矢量有限元仿真体系。通过引入各向异性 PML（Perfectly Matched Layer）吸收边界，实现对大尺度泄漏模的稳定求解；基于薄壁区域的局部网格加密策略与接触点优化技术，有效避免了高曲率区域的数值不稳定性。仿真流程包括模式分析、参数化扫描、全波段限制损耗谱求取，并结合功率泄露图、电场等高线图与模式场分布实现多维度的定性与定量分析。利用自动化结构扫描算法，项目实现了壁厚 t、管径 d、间隙 g 与管数 N 的联合扫描，形成了高效准确的结构优化工具链，为后续制备窗口的确定奠定基础。 成果取得了多项关键突破。首先，通过对壁厚 t 的系统扫描确定 t≈0.371 μm 时 1064 nm 落于反谐振通带中心，获得最低限制损耗 <0.01 dB/m，并在 100 nm 以上范围内保持低损耗传输；其次，通过对毛细管直径 d 的系统优化，确定 d≈55.5 μm 时限制损耗达到全局谷底，且在 ±(2–5)% 制造偏差内保持平缓的性能变化；第三，通过 g≈2–3 μm 与 N=7 或 N=8 的联合设定，有效抑制了包层泄漏通道并提升了高阶模抑制能力。对于弯曲损耗，项目阐明了弯曲引起的等效壁厚增加、反谐振条件破坏及外侧泄漏通道开启的物理本质，并通过减小包层管半径与优化结构布局，使弯曲半径 5 cm 时的弯曲损耗由初始方案的 >4 dB/m 降至约 0.3 dB/m，达到工程应用可接受水平。 在制备工艺方面，项目依托实验中心的特种光纤拉丝平台，构建了包含材料制备、毛细管与外套管加工、预制棒堆叠与点固、分区加热与控压拉丝的全流程制备技术体系。通过对腔压、送棒速度、拉丝速度、张力、热区宽度等关键参数的定量调控，实现了壁厚与间隙的可控复制。针对拉丝过程不可避免的壁厚起伏、间隙波动、轻微椭圆度与纵向非均匀性，本项目构建了工艺扰动对限制损耗、带宽与模式纯度影响的敏感性模型，并提出了“目标几何—工艺设定—允许偏差—性能下限”的约束链，使结构优化与工艺可达性实现融合。实际制备的中间体与成品光纤经显微表征验证，几何结构与仿真目标高度一致，进一步证明了设计与工艺体系的可实现性。 本成果的综合指标达到国际先进的 HC-ARF 设计水准：1064 nm 限制损耗 <0.01 dB/m；传输带宽 >100 nm；弯曲半径 5 cm 时弯曲损耗约 0.3 dB/m；纤芯直径 >50 μm；理论耦合效率 >85%；关键参数在实际制造容差内表现出良好的稳定性。这些成果不仅实现了高功率激光柔性传输的核心技术突破，也建立了一个可推广至更高功率、更大带宽与更复杂结构的设计—制备协同优化框架。 本成果具有显著的工程与产业化价值。其低损耗、宽带、抗弯曲特性适用于高功率激光加工装备的全封闭光路系统，可提升系统集成度与环境鲁棒性；在航空航天与光电对抗场景中，可支持高功率远程传输与轻量化光路布局；在 2–5 μm 中红外气体传感、环境监测与遥测系统中，可突破实芯光纤材料吸收限制；在未来，与多层嵌套反谐振结构、中红外非硅基材料光纤及高功率光子器件集成结合，可进一步提升全链路系统性能。