科学岛团队在高脉冲能量中红外光纤传输上取得突破

近日，中国科学院合肥物质院健康所江海河研究员课题组，在中红外波段高能量脉冲激光传输系统研究方面取得重要进展，设计了具有78 μm较大芯径的6孔微结构反谐振空芯光纤(AR-HCF)，首次实现了在室温条件下高效率传输2.79 μm波段高能量脉冲激光。相关成果已在国际知名光学TOP期刊Optics and Laser Technology上发表。

激光医疗仪器通常需要通过一个灵活的导管将其发出的激光传送到患者治疗处，但传统的中红外激光医疗仪器大多采用的是导光臂传输激光。然而，传统的导光臂传输激光方式存在诸多问题，如系统结构复杂、传输效率低、不够灵活等。采用光纤传输可解决上述问题，但实芯光纤的材料在中红外波段的激光损伤阈值较低，无法满足3 μm波段铒激光医疗器械高能量密度的导光需求。所以，研究团队设计研究一种结构简单、耦合传输效率高、损伤阈值大且可柔性传输的AR-HCF替代导光臂传输激光能量。

该团队采用设计的具有78 μm较大芯径的6孔微结构AR-HCF，首次在室温条件下高效率传输2.79 μm波段高能量脉冲激光。在没有损坏光纤的情况下，整个区域平均耦合传输效率为77.3%，在高光束质量小耦合能量下最高耦合传输效率达到了85%。如果扣除纤芯中空气吸收衰减，该结构光纤系统的自身传输效率实际上已超过了90%。该系统实现了11.78 mJ最大脉冲激光能量输出，相应的能量密度阈值350J/cm2，远超过生物体软组织消融所需值。同时，该AR-HCF的最小弯曲半径为20cm和对应的损耗可满足外科医生临床上的使用需求，并且AR-HCF输出端的激光光束质量较输入端的更好，得到了较好的改善。

与目前其它结构和材料制成的用于2.79 μm波长传输的光纤相比，此二氧化硅的6孔结构AR-HCF具有更强的机械稳定性、更高的损伤阈值以及更低的弯曲敏感性且优于传统的导光臂传输性能。该研究为2.79 μm Cr,Er:YSGG医用固体激光高效率传输开辟了一种全新的途径。

图1. AR-HCF横截面结构

图2. 2.79 μm AR-HCF空间传输实验装置

图3. 不同弯曲半径和弯曲方向下AR-HCF的损耗