CO₂激光器具有较高的光电转换效率,连续输出激光功率可以达到上千瓦。金属、陶瓷、高分子材料和人体组织对CO₂激光有较强的吸收,使得CO₂激光在材料加工、激光诱导核聚变、激光手术等领域有较大的应用潜力。在传输CO₂激光的中红外波导研究中,空芯光纤凭借无端面反射、耦合损耗小、散热性好、能量损伤阈值高等特性而备受关注。当前,开发制作成本低、能够稳定传输大功率CO₂激光的中红外空芯光纤仍然具有挑战性。此外,先前的研究主要集中在室温环境下光纤的传输行为,限制了其在低温环境条件下的应用。本文探讨了使用具有较低制作成本的氧化铝多晶毛细管空芯光纤传输较高功率CO₂激光的潜力,并研究了氧化铝和氧化锗中红外空芯光纤在低温下的传输性能。通过实验测量和理论分析表明氧化铝多晶毛细管空芯光纤在CO₂激光波长附近有一个较宽的低损耗窗口。实验分析了1² mm内直径光纤样品传输CO₂激光的损耗,其中内直径1.5 mm的光纤样品的直线损耗可以低至0.12 dB/m。对输出光束的能量分布和发散角进行了分析,内直径1.5 mm的光纤样品具有较好的光斑输出质量,发散角低至13.6 mrad。研究中也通过轴向偏移法分析了内直径1 mm光纤样品的弯曲传输损耗和对应的能量分布与发散角,光纤样品在0¹0cm偏移距离时具有?1.79 dB/m的损耗,发散角?33 mrad。通过修正泄漏型空芯光纤温度分布的理论模型,我们计算并测量了氧化铝全反射型多晶毛细管空芯光纤传输激光时的纤体温度分布曲线。纤体温度呈周期性振荡下降分布,在耦合端的温度极大值随空芯直径减小而升高,它是影响光纤最大传输功率的关键因素。结合光纤材质的热性能参数进行仿真模拟发现,内直径2 mm的氧化铝多晶空芯光纤具有稳定传输高达1265 W连续CO₂激光的潜力。探究了氧化锗金属毛细管和氧化铝多晶毛细管中红外空芯光纤在液氮温度下传输CO₂激光的性能。光纤样品在低温下输出激光功率急剧下降,其中,氧化锗金属毛细管空芯光纤的输出激光功率从2.90 W下降至1.3 W,氧化铝空芯光纤从3.06 W下降至0.93 W,都偏离室温环境中的正常传输行为。为探究这种反常现象,我们分析了氧化锗和氧化铝材料在低温下的光学常数,并比较了不同空芯气体介质和芯径光纤在低温下传输激光的性能。结果表明,低温下纤芯内水蒸气冷凝和空气液化是导致光纤输出功率水平降低的主要原因。提出了一种在低温条件下可使空芯光纤长时间稳定工作的新方法,对于内直径2 mm的氧化锗金属毛细管光纤和氧化铝多晶毛细管空芯光纤,分别以最佳氮气流量值7.5 mL/min和3 mL/min从光纤样品中间位置向纤芯内泵入氮气时,可以使光纤样品在低温下始终稳定地传输激光,即恢复到室温环境下的正常传输水平。