研究成果概述
近日，浙江大学光电科学与工程学院郭欣副教授、童利民教授团队，与清华大学精密仪器系李宇航副研究员合作，首次实现了氧化硅微纳光纤的高功率连续光单模传输。研究结果表明，微纳光纤可以长时间低损耗传输功率高达13W的连续光，并预测最高传输功率可高于70W。在此基础上，研究团队实现了微液滴光力高速驱动以及高效非线性谐波产生。该研究为微纳光纤技术拓展至高功率应用领域提供了新途径。研究成果以“High-power continuous-wave optical waveguiding in a silica micro/nanofibre”为题于2023年4月7日发表在《Light：Science & Applications》期刊。
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背景介绍
作为光纤光学与微纳技术的完美结合，微纳光纤具有强光场约束、大比例倏逝场、力学性能优良、与标准光纤兼容等特点。自首次实现亚波长直径微纳光纤的低损耗传输以来[Nature 426, 816 (2003)]，微纳光纤在近场光学、光传感、非线性光学、量子光学、有源发光器件和光力学等领域受到广泛研究并取得系列进展。然而，受光源功率、耦合效率和光学损耗等因素限制，微纳光纤光学器件大多是在较低的功率范围内(平均功率<0.1W)工作，如果能进一步提升微纳光纤中传导模的光功率，超越现有的微纳光纤导模与物质相互作用强度，将有助于发现新的物理效应以及提高光学器件的性能。
文章亮点
研究团队深入研究了氧化硅微纳光纤的导波损耗机制，提出对微纳光纤及其绝热过渡区进行高精度设计、制备以及表面钝化、超净保护等方案，大大减小了传输光场耦合损耗及表面散射损耗等因素，成功实现了氧化硅微纳光纤的高功率连续光单模传输。实验系统如图1a所示，1.55μm波长连续光经过光纤放大器放大后实现高功率连续光输出，通过全光纤连接方式实现微纳光纤两端的光输入和输出。研究发现，在超净环境中，直径1.1μm的微纳光纤可以长时间稳定传输功率高达13W的连续光(图1b)，单模工作时标准光纤-微纳光纤-标准光纤的总体透过率保持95%以上，表面未见异常散射点及损伤(图1c)。与此前报道的微纳光纤单模传输最高功率值0.4W相比[AIP Adv. 4, 067124 (2014)]，本研究中微纳光纤的传输光功率提高了30倍。在此基础上，研究团队通过测量高功率连续光传输时微纳光纤的温度，结合散热仿真模型推测出微纳光纤的光学损伤阈值高于70W。
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图1 氧化硅微纳光纤高功率连续光传输的(a)实验系统示意图、(b)测试结果和(c)表面散射照片
利用微纳光纤的高功率传输光场，研究团队对空气中附着于微纳光纤上的微液滴实现了高速光力驱动，液滴的运动速度高达2.1mm/s，与此前报道的微纳光纤光力驱动微粒的运动速度相比提高了10倍(图2a,b)。此外，通过精确控制微纳光纤腰区直径以及调谐输入光波长，研究团队实现了连续光激发下的高效非线性谐波产生。得益于微纳光纤的高功率传输、高精度准相位匹配以及较长的非线性相互作用长度，二次谐波转换效率为8.2×10-8，三次谐波转换效率为4.9×10-6(图2c)，与此前报道的脉冲光激发下二次谐波产生相比，本研究中连续光激发下的二次谐波转换效率更高。
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图2 基于微纳光纤高功率连续光传输的(a, b)微液滴光力驱动和(c)高效非线性谐波产生
总结展望
该研究首次实现了氧化硅微纳光纤的高功率连续光单模传输，传输光功率高达13W，并预测光学损伤阈值高于70W。利用高功率传输光场，研究团队成功实现了微液滴高速光力驱动以及高效非线性谐波产生。上述研究结果为微纳光纤技术拓展至高功率应用领域提供了新途径，有望在基于微纳光纤的非线性光学、光力学、光纤激光器、生物光子学等领域发展新的前沿技术。
