Мощные волоконные лазеры сегодня повсюду — от резки и сварки на заводах до медицинских кабинетов и научных лабораторий. Они компактны, эффективны и обеспечивают превосходное качество луча. Но есть один нюанс: если вам нужно передать этот мощный лазерный луч на большое расстояние (например, чтобы отделить источник лазерного излучения от заготовки для гибкой компоновки производственных площадей), обычные волоконные лазеры с цельным сердечником столкнутся с препятствием.

Рассмотрим реальный пример: волоконный лазер Фудзикуры, легированный иттербием, может передавать 5 кВт на расстояние всего 20 метров. Увеличьте мощность до 8 кВт, и расстояние сократится до 3 метров. В чем проблема? Пороги повреждения материала и неприятные нелинейные эффекты, такие как самофазовая модуляция или стимулированное рассеяние.

Вот тут-то и пригодятся волокна с полой сердцевиной (ВЧК).

Вместо прохождения через стекло, свет проходит через заполненный воздухом или вакуумом сердечник. Ранние эксперименты уже показали, что направление света в воздухе значительно снижает нелинейность и повышает пороги повреждения. За последнее десятилетие характеристики волоконно-оптических кабелей резко возросли: потери снизились с >100 дБ/км до <1 дБ/км в лучших антирезонансных конструкциях — приблизившись к показателям обычных кварцевых волокон.

Так как же им удаётся улавливать свет внутри воздушного отверстия? Волокна с твердым сердечником используют полное внутреннее отражение, но показатель преломления воздуха ниже, чем у стекла, поэтому нужен какой-то трюк. На самом деле, два основных трюка:

1. Фотонная запрещенная зона (ФЗЗ) – Периодическая микроструктура в оболочке создает «запрещенную зону», которая препятствует выходу света. Первое практичное волокно с полым сердечником (HC-PBG-PCF) появилось в Саутгемптоне в конце 1990-х годов. Однако волокна с ФЗЗ по-прежнему имеют довольно высокие потери (в масштабе дБ/км) и сложны в изготовлении.
2. Антирезонансное направление – это нынешняя звезда. Тонкостенные стеклянные трубки (часто вложенные друг в друга) действуют как эталон Фабри-Перо, отражая свет обратно в сердцевину. Антирезонансные высокоуглеродистые волокна (АР-ВУВ) обеспечивают более широкое окно пропускания, меньшие потери и более простое изготовление. Варианты включают волокна Кагоме, Револьвера, без узловые и вложенные антирезонансные безузловые волокна (НАНВ) – последние до сих пор удерживают рекорд по потерям.

Почему эти волокна так важны для мощных и сверхбыстрых лазеров? Выделяются четыре ключевых преимущества:

• Чрезвычайно низкая нелинейность – эффект Керра в воздухе примерно в 1000 раз слабее, чем в стекле. Это означает практически полное отсутствие самофазовой модуляции, стимулированного бриллюэновского рассеяния (SBS) или стимулированного компрессионного рассеяния (SRS), которые могли бы исказить луч. Даже одночастотные лазеры могут передавать излучение без паразитного SBS.
• Высокий порог повреждения – свет практически не касается стеклянных стенок, поэтому интенсивность излучения на поверхности остается низкой. Можно использовать мощность более 2 кВт без повреждения микроструктуры покрытия. Некоторые эксперименты проводились в течение нескольких недель при мощности >100 мВт без какого-либо ухудшения характеристик.
• Широкий спектральный диапазон – длины волн, недоступные для кварцевых волокон (например, средний ИК-диапазон 2–10 мкм или глубокий УФ-диапазон), прекрасно работают в волокнах с полой сердцевиной. Лазеры Skylark передавали УФ-излучение мощностью более 100 мВт в течение нескольких недель.
• Низкая задержка – свет в воздухе распространяется примерно на 31% быстрее, чем в стекле (показатель преломления ~1 против ~1,45). Это имеет решающее значение для телекоммуникаций, а также для точной синхронизации в сверхбыстрых лазерных системах.

Результаты, полученные в реальных условиях, уже впечатляют.

В 2025 году Ши и др. (Nature Communications) продемонстрировали передачу непрерывного лазерного излучения мощностью 2 кВт на расстояние 2,45 км с использованием AR-HCF с рекордными потерями 0,168 дБ/км на длине волны 1080 нм. Произведение мощности на расстояние оказалось в 500 раз лучше, чем у предыдущих полностью волоконно-оптических систем. Они даже наблюдали рамановское рассеяние внутри кремниевых трубок и сумели его подавить, открыв двери для промышленного применения, такого как вывод из эксплуатации атомных электростанций и лазерное бурение.

Другое исследование продемонстрировало гибкую передачу сверхбыстрых импульсов среднего инфракрасного диапазона (2,8 мкм, 100 фс, энергия на уровне ватт) через вакуумированное полое фотонно-кристаллическое волокно длиной 5 м. Импульсы сохраняли свою пространственную, спектральную и временную точность — идеально подходящие для спектроскопии, хирургии или дистанционного зондирования.

Конечно, проблемы остаются.

• Остаточные потери – Хотя моделирование показывает 0,025 дБ/км на длине волны 1550 нм, а эксперименты достигают 0,168 дБ/км на длине волны 1080 нм, эталонный показатель 0,14 дБ/км для кремнезема пока не превзойден стабильно на всех длинах волн.
• Повреждение торцевой поверхности – При высокой непрерывной мощности полимерное покрытие и стекловолокно оболочки (но не микроструктура) могут деградировать. Ионизация воздуха внутри активной зоны также может ограничивать масштабирование мощности.
• Чистота моды – Полые волокна по своей природе многомодовые. Современные конструкции с четырехкратно усеченными двухслойными структурами обеспечивают потери основной моды 0,1 дБ/км и потери моды высокого порядка 430 дБ/км (коэффициент ослабления 5×10⁻⁴), но поддержание одномодового режима работы на больших расстояниях по-прежнему остается сложной задачей.
• Повторяемость процесса изготовления – технология «укладка и вытяжка» требует субмикронной точности. Любые изменения условий вытяжки, давления или чистоты стекла влияют на производительность.
• Связь с волокнами с твердым сердечником – Большинство мощных лазерных источников имеют твердый сердечник, поэтому эффективная связь требует точного согласования модового поля. В современных системах часто используется оптика свободного пространства, что ограничивает долговременную стабильность.

В перспективе все выглядит многообещающе.

Тройные вложенные антирезонансные волокна (TNANF) уже достигли потерь 0,25 дБ/км при меньших диаметрах. Полностью волоконная передача (без связи в свободном пространстве) уже не за горами – с целевыми показателями 10 кВт и выше. Газонаполненные гибкие волоконные кабели будут продолжать генерировать суперконтинуумы, охватывающие октавы, фемтосекундные импульсы в вакуумном ультрафиолетовом диапазоне и даже настольные аттосекундные рентгеновские лучи. Промышленная интеграция с гибкими волокнами, устанавливаемыми роботами, уже не за горами. И рынок растет: с 92 миллионов долларов в 2025 году до 158 миллионов долларов к 2032 году (среднегодовой темп роста 8,1%).