時(shí)至今日，光導(dǎo)纖維光束傳輸技術(shù)已經(jīng)成為高功率固體連續(xù)激光能夠被廣泛工業(yè)應(yīng)用的核心驅(qū)動(dòng)，但該技術(shù)卻不能被應(yīng)用于超快脈沖激光。而微納結(jié)構(gòu)的空芯光纖的出現(xiàn)使之成為可能，高能量的皮秒和飛秒脈沖激光能夠被限制在其極小的中空芯部結(jié)構(gòu)，以光束質(zhì)量進(jìn)行傳輸。當(dāng)將其包入一根堅(jiān)固的光纜外殼，或許意味著一個(gè)新的激光傳輸時(shí)代的開啟。
由于可以對幾乎任何材料進(jìn)行超高精度的加工，超快激光展現(xiàn)出不斷增長的應(yīng)用需求。當(dāng)其被應(yīng)用于真正的工業(yè)生產(chǎn)時(shí)， 要求精確的控制脈沖的時(shí)間、空間和形狀，以便實(shí)現(xiàn)超快激光輸出。光束傳輸系統(tǒng)作為連接激光源
和具體應(yīng)用之間的光學(xué)界面，是激光加工系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵的一環(huán)。它的主要目標(biāo)是在盡可能簡單高效且不干擾激光束的前提下，將激光源的激光引導(dǎo)至被加工件的特定位置。但同時(shí)，對激光束在時(shí)間和空間上的整形、加強(qiáng)需求， 作為一個(gè)附加功能越來越多的被提出。
在上世紀(jì)90年代，基于光纖技術(shù)的光束傳輸系統(tǒng)作為主要突破，使連續(xù)半導(dǎo)體和固體激光器真正進(jìn)入工業(yè)激光應(yīng)用，而其也成為數(shù)千瓦功率連續(xù)激光應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。可以預(yù)見的是，如果有類似的光纖傳輸系統(tǒng)可用于超快激光應(yīng)用，那是十分值得期待的。
超快脈沖的光束傳輸
目前對于脈寬在幾皮秒且脈沖能量滿足材料加工需求的這類新興超快激光應(yīng)用，普遍采用空間光路傳輸。這些基于鏡片組成的系統(tǒng)需要繁瑣的細(xì)微調(diào)整(尤其是長距離傳輸)，并且受到灰塵和顆粒污染的困擾。在整個(gè)光路中，數(shù)量龐大的光學(xué)組件成為光束質(zhì)量損失的潛在的根源。此外，此類加工設(shè)備普遍需要一個(gè)精工細(xì)作的穩(wěn)定基臺(tái)結(jié)構(gòu)，激光器必須盡可能的接近加工位置，在整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面這意味著需要花費(fèi)大量的成本和經(jīng)歷。
缺少標(biāo)準(zhǔn)的光束傳輸解決方案導(dǎo)致了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的千差萬別，這極大阻礙了超快激光得到更廣泛的工業(yè)應(yīng)用。更換激光光源或其他部件都需要重新對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)，這最終無疑提高了成本。基于光纖的光束傳輸系統(tǒng)當(dāng)下還無法實(shí)現(xiàn)，這主要由于傳統(tǒng)的光纖并不適合傳輸超快激光。受限于本身的色散特性，會(huì)使脈寬變寬，損傷閾值也無法滿足需求，而自聚焦(self-focusing)、受激布里淵散射(stimulated Brillouin scattering)以及拉曼散射(Raman scattering)等非線性效應(yīng)，會(huì)輕易的破壞光纖材料或脈沖波形。所以作為結(jié)論，用于工業(yè)應(yīng)用的超快脈沖無法通過傳統(tǒng)的玻璃光纖進(jìn)行傳輸。
微納結(jié)構(gòu)的空芯光纖支持光束在中空芯部(例如充氣或真空狀態(tài))中傳輸，這使得其能夠傳輸極高的功率并且徹底消除了非線性效應(yīng)。這種光纖從光子晶體光纖(photonic crystal fibers)演變而來，最早由來自英國巴斯大學(xué)(Bath University)的Russell，Knight和Birks共同開發(fā)研制。從那之后，各種不同樣式的微納結(jié)構(gòu)光纖被開發(fā)出來，并證明了其可以傳輸高功率超快激光的潛在價(jià)值。此類光纖擁有類似于單模階躍折射率光纖(step-index fibers)的芯部尺寸，而約束光線的芯部構(gòu)造像是不規(guī)則的水晶。但不同的是，其芯部長度可以大大延長，并且承受更高的損傷閾值。99%的激光光線在其中空芯部中傳導(dǎo)，可允許的脈沖能量等級(jí)提高到了毫焦耳(mJ)級(jí)別，大大超過了許多材料加工所需的能量等級(jí)。
將此類光纖適當(dāng)?shù)募扇牍I(yè)光束傳輸系統(tǒng)，在保證完美的光束質(zhì)量的前提下，幾百瓦(multi-100W)和幾百微焦(multi-100μJ)的超快激光脈沖可以被可靠的傳輸。這樣的光束傳輸系統(tǒng)使得激光源和具體應(yīng)用得以分離，可以將激光能量分送到不同的工作站，甚至柔性化的機(jī)器人系統(tǒng)也成為現(xiàn)實(shí)，這些無疑都大大增強(qiáng)了工業(yè)應(yīng)用的可能性。
空芯光纖由于具有極低的色散特性，非常適合用于飛秒級(jí)別的脈寬。在900-1100納米光譜范圍區(qū)間，30至70dB/km或1%每米的衰減值是可以實(shí)現(xiàn)的。
