Die Laserübertragung in Festkernfasern hat Schwierigkeiten, gleichzeitig eine hohe Strahlqualität und eine hohe Leistung aufrechtzuerhalten, was ihre industriellen Anwendungen stark einschränkt. Kürzlich gelang einem Forschungsteam des Nanhu Light Laboratory an der National University of Defense Technology in Zusammenarbeit mit relevanten Institutionen die erste effiziente und stabile Vollfaserübertragung eines 2-kW-Hochleistungslasers über eine ultralange Distanz von 2,45 Kilometern mithilfe von Hohlkernfasern. Dieser Durchbruch markiert den Übergang der Hochleistungs-Energieübertragung über große Entfernungen über Hohlkernfasern von der theoretischen Erforschung zur praktischen technischen Anwendung.
In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach flexibler Übertragung von Hochleistungslasern über große Entfernungen deutlich gestiegen. Herkömmliche Festkernfasern können jedoch nur 5 kW Leistung über 20 Meter übertragen, und die Übertragungsentfernung sinkt auf nur 3 Meter bei 8 kW, was weit unter den industriellen Anforderungen liegt. Im Vergleich zu Vollkernfasern bieten Hohlkernfasern Vorteile wie geringe Latenz, geringe Verluste und niedrige nichtlineare Koeffizienten. Bestehende Hochleistungslaserübertragungssysteme mit Hohlkernfasern basieren jedoch hauptsächlich auf optischen Komponenten wie Linsen, was sie anfällig für Umwelteinflüsse macht und zu einer schlechten Stabilität führt. Daher ist die Entwicklung einer vollständig faser-gekoppelten Technologie der Schlüsselweg zum Aufbau stabiler, kompakter und praktischer Hohlkern-Faserlasersysteme.
Dr. Shi Jing, der Erstautor des Papiers, erklärte, dass das Team zur Erzielung eines wirklich stabilen und effizienten „Voll--Fasersystems eine fünf-Röhren-Doppel-verschachtelte, anti-resonante Hohlkern--Faser mit Modenfeldanpassung an eine Fest--Kernfaser entworfen habe. Durch Simulationsoptimierung ermittelten sie die optimalen Strukturparameter und zogen erfolgreich ultra-verlustarme-Hohlkernfasern-. Das Team meisterte Herausforderungen beim verlustarmen Fusionsspleißen zwischen Quarz- und Hohlkernfasern, bei der Modenfeldanpassung und bei der Endkappentechnologie für Hochleistungsfasern. Sie erreichten die weltweit erste -Hochleistungs-Laserübertragung über große Entfernungen durch eine vollständig aus Fasern bestehende Hohlkernstruktur, wobei die Strahlqualität nahezu -beugungsbegrenzt-gewahrt blieb. Sowohl die übertragene Leistung als auch die Entfernung stellen international die höchsten Werte dar.
„Obwohl die Übertragungsentfernung von 2,45 Kilometern durch die derzeit verfügbaren Faserlängen begrenzt ist, ebnet die entwickelte Technologie den Weg für eine zukünftige effiziente Laserübertragung über noch größere Entfernungen“, erklärte Shi Jing.
Der korrespondierende Autor Chen Zilun stellte fest, dass die ultra-verlustarme-Hohlkern--Faser im Vergleich zu herkömmlichen Festkernfasern die effektive flexible Übertragungsentfernung um zwei Größenordnungen verlängert. Dieser Durchbruch bietet technische Unterstützung für technische Anwendungen der flexiblen Laserübertragung über große Entfernungen in industriellen Umgebungen mit großem Potenzial in mehreren Bereichen. Beispielsweise kann in der industriellen Verarbeitung eine flexible Laserfernübertragung den Abstand zwischen Bedienern und gefährlichen Arbeitsbereichen vergrößern und so die Betriebssicherheit erheblich verbessern. In der wissenschaftlichen Forschung können Hohlkernfasern Partikel über Strahlungsdruck einfangen und beschleunigen und so die Entwicklung neuartiger „Sensoren für fliegende Teilchen“ ermöglichen, die im Kilometermaßstab arbeiten.
„Obwohl die Kosten für Hohlkernfasern derzeit die Kosten für konventionelle Fasern übersteigen, ist dies in erster Linie auf die beginnende Industrialisierungsphase zurückzuführen, die durch komplexe Herstellungsprozesse und Raum für Ertragssteigerungen gekennzeichnet ist. Mit der Weiterentwicklung der Technologie, der Ausweitung der Produktion und der synergetischen Entwicklung vor--nachgelagerter Industrieketten wird erwartet, dass die Kosten für Hohlkernfasern nachhaltig sinken werden, was den Weg für den Einsatz in großem Maßstab in bestimmten hochwertigen -Wertbereichen ebnet Anwendungen.“ Chen Zilun erklärte, dass das Forschungsteam die Faserstrukturen weiter optimieren, die Kopplungseffizienz verbessern, die Übertragungsleistung und -entfernung erhöhen und breitere Anwendungsszenarien untersuchen werde.
