中科院团队研发低损耗中红外空芯反谐振光纤！突破高功率激光传输与生物医学应用瓶颈

    自1960年光纤技术问世以来，凭借轻量化与柔性特质，光纤已在高能传输、光纤激光及生物医学等关键领域实现广泛应用。其中，中红外波段因涵盖大量化学物质与生物分子的振动指纹光谱，且属于重要大气传输窗口，在科研与产业领域的应用需求持续攀升。然而，传统石英光纤受材料固有特性制约，无法满足中红外波段传输要求；传统红外软玻璃光纤虽可覆盖更宽光谱范围，但光在玻璃芯传输过程中，受限于材料强度低、固有损伤阈值低及非线性系数大等问题，难以突破高功率传输瓶颈，中红外光纤技术发展面临关键挑战。

    近期，中国科学院西安光学精密机械研究所郭海涛研究员团队在中红外光纤技术领域取得突破性进展。该团队成功设计并制备出：六单元无节点硫化物空芯反谐振光纤，在4.79μm波长处实现0.56dB/m的超低传输损耗，性能可与传统阶跃型硫化物光纤相媲美。相关研究成果已发表于国际知名期刊《OpticsExpress》，标志着中红外空芯反谐振软玻璃光纤的研究与应用进入全新阶段。

    材料与结构创新：构建中红外光纤性能突破的核心基础
    中红外光纤技术的突破，需依托材料特性与结构设计的协同优化。郭海涛团队创新性地将硫化物玻璃的材料优势与空芯反谐振结构的性能优势相结合，为中红外光纤性能提升奠定核心基础。
    材料选择：硫化物玻璃的中红外适配优势
    在红外软玻璃材料体系中，硫化物玻璃具有显著技术优势：其一，拥有最低的声子能量，可实现更宽范围的红外光传输，完美适配中红外波段应用需求；其二，具备相对稳定的物理化学性质，在加工与使用过程中不易发生失效，保障光纤长期工作稳定性；其三，成纤能力优异，为后续光纤结构精准制备提供材料保障。相比其他红外软玻璃，硫化物玻璃在中红外传输领域的适配性更为突出，成为团队研发的核心材料选择。

    结构设计：空芯反谐振结构的性能突破
    传统光纤采用光在玻璃芯传输的模式，受材料特性制约明显。空芯反谐振光纤则通过创新结构设计，由包围气芯的一圈薄壁毛细管构成，将光的传播限制在气芯内部。该结构设计从根本上解决了传统光纤的材料限制问题：一是大幅降低光传输损耗，提升传输效率；二是拓展传输带宽，满足中红外波段宽光谱传输需求；三是具备更高的功率传输能力，避免材料对高功率激光的吸收与损伤；四是此前基于该结构的石英光纤已实现传输波长突破至6μm，验证了结构的可行性与优越性。
    尽管硫化物空芯反谐振光纤具备显著优势，但此前研究仍存在性能短板与制造难题。2014年，Shiryaev团队制备的八单元与十单元硫化物空芯反谐振光纤，在4.8μm波长处最低损耗达3dB/m；2023年，相关研究虽将4.79μm波长处损耗降至1.29dB/m，但仍未达到实际应用的理想水平。同时，硫化物玻璃自身具有低表面张力系数、陡峭的粘度温度曲线及较差的机械性能，导致光纤制造过程中易出现结构变形、参数偏差等问题，进一步提升性能面临巨大挑战。郭海涛团队针对这些关键问题，开展了系统性的设计优化与制造工艺创新。
    精密制造工艺：攻克硫化物玻璃加工难题，实现光纤结构精准控制
    硫化物玻璃的特殊物理化学性质，使其加工过程对温度、压力等参数极为敏感，精准制备稳定的空芯反谐振结构难度较大。郭海涛团队以高纯度As₄₀S₆₀硫化物玻璃为原料，创新性地融合“精细叠加拉制法”与“双气路压力控制技术”，通过多维度参数优化与工艺管控，实现了光纤结构与性能的精准调控。

    结构参数优化：奠定精准制造基础
    为确保光纤在中红外波段的传输性能，团队对核心结构参数进行了系统研究与优化：
    气芯直径（Dcore）：固定为114μm，经理论分析与模拟验证，该尺寸可满足35μm中红外波段低损耗传输需求，为后续参数优化提供基准。
    毛细管壁厚（t）：通过参数扫描实验发现，当壁厚处于6.57.2μm范围时，光纤可维持低于0.5dB/m的损耗水平，综合考虑制造可行性与性能稳定性，最终将壁厚确定为7μm，制造容差控制在±0.3μm以内。
    毛细管间隙（g）：间隙大小直接影响光纤限制损耗，实验表明，当间隙在1520μm区间时，光纤传输性能优异且损耗波动较小，其中间隙为19μm时，损耗达到最低值0.0271dB/m。
    毛细管内径与气芯直径比值（Din/Dcore）：以该比值为变量，分析光纤损耗与模式场面积变化规律，发现当比值为0.67时，光纤限制损耗最小，且基模可有效约束于气芯内，有效模式场面积超过5800μm²，为光纤结构设计提供关键参数依据。

    制造工艺创新：突破加工技术瓶颈
    针对硫化物玻璃粘度随温度快速变化、易导致结构变形的问题，团队开发了一系列创新制造工艺：
    双气路压力控制系统：设计两条独立气路，一条为气芯施加压力（pcore），另一条向毛细管内充入氮气（pcapillary），通过双向压力平衡，有效抵消硫化物玻璃表面张力引起的毛细管收缩，避免拉制过程中结构坍塌，保障空芯反谐振结构完整性。
    精准温控技术：通过调控拉制温度，优化光纤结构成型效果。实验数据显示，当拉制温度从317°C降至314°C，并施加10kPa压力差（Δp）时，毛细管收缩程度显著降低，形状更趋圆润；进一步将Δp提升至14kPa，毛细管尺寸进一步优化且形状保持稳定，有效解决了结构变形问题。
    最终制备的光纤，外径精准控制在350±5μm，有效芯径为120±2μm，毛细管平均壁厚6.5μm（误差小于0.3μm），结构参数高度符合设计要求。即便未进行聚合物涂层处理，光纤最小弯曲半径仍可达约3cm，兼顾结构稳定性与柔性，满足实际应用场景对光纤形态的需求。

    性能测试验证：低损耗、高光束质量与优异弯曲性能的协同实现
    为全面评估光纤性能，团队采用国际标准测试方法，从传输损耗、光束质量、弯曲性能等关键维度展开系统性测试，验证了该硫化物空芯反谐振光纤的技术优势。

    传输损耗测试：刷新中红外光纤损耗纪录
    团队采用“截断法”测试光纤传输损耗，以可调谐量子级联激光器（4.204.35μm）与半导体激光器（4.79μm）作为光源，通过多次截断光纤并测量不同长度光纤的输出功率，消除耦合效率等因素对测试结果的影响。在4.204.35μm波段测试中，将光纤从2米截短至1米（共3次截断），进行4次重复测量；在4.79μm波长测试中，将光纤从1米截短至0.4米（共2次截断），进行3次重复测量。测试结果显示，在4.79μm波长处，光纤传输损耗实测值为0.56dB/m，不仅刷新了中红外空芯反谐振光纤的损耗纪录，还达到了传统阶跃型硫化物光纤的性能水平，打破了空芯结构光纤传输损耗必然高于实心结构光纤的传统认知。同时，实测损耗曲线与基于实际结构参数重新模拟的理论损耗曲线高度吻合，验证了光纤设计与制造的精准性。

    光束质量评估：满足高功率激光传输要求
    光束质量是高功率激光传输的核心指标，团队采用“高阶模式消光比（HOMER）”作为评估标准，其计算公式为：
    HOMER=10lg(Loss_HOM/Loss_FM)
    其中，Loss_HOM为损耗最低的高阶模式损耗，Loss_FM为纤芯基模损耗。当HOMER>10时，光纤可实现稳定单模传输。实测结果显示，该光纤的HOMER值超过15，表明基模在气芯内的约束效果优异，高阶模式被有效抑制，满足高功率激光传输对光束质量的严格要求。此外，通过束形仪观察光纤输出光场分布，在4.30μm波长下，输出光呈现典型的类高斯分布；通过手动移动光纤位移平台，改变入射激光束与光纤芯中心的偏移量，可实现传输模式的可控转变——当偏移量为5μm时，光场分布开始分裂；当偏移量达到10μm时，可观察到完整的LP11高阶模式分布，进一步验证了光纤对传输模式的精准控制能力。

    弯曲性能测试：适配多样化应用场景
    在实际应用中，光纤的弯曲性能直接影响其在狭小空间或复杂环境中的适配性。团队针对两种基模偏振方向（与弯曲方向平行或垂直），研究不同弯曲半径下的光纤弯曲损耗。测试结果表明，当弯曲半径为6.4cm时，两种偏振方向均出现高损耗峰值，这是由于弯曲导致纤芯与包层毛细管之间发生模式耦合；当弯曲半径大于25cm时，平行偏振模式的弯曲损耗小于0.1dB/m，基模可稳定约束于气芯内，满足远距离、低损耗传输需求；同时，光纤最小弯曲半径可达约3cm，具备良好的柔性，可适配内窥镜手术等狭小空间应用场景，为多样化实际应用提供技术支撑。
    值得注意的是，该光纤还具备良好的结构容差性。在制造过程中，尽管预制件手动组装可能导致毛细管位置轻微偏移或尺寸略有偏差，但通过数值模拟与实验验证，这些微小偏差对光纤传输损耗的影响极小，大幅降低了规模化制造的技术难度，为后续产业化应用奠定基础。

    应用前景展望：赋能中红外领域多场景创新发展
    该低损耗硫化物空芯反谐振光纤的成功研发，不仅在中红外光纤技术领域实现重大突破，还为高功率激光传输、生物医学等领域的应用创新提供了关键技术支撑，具有广阔的产业化前景。
    中红外高功率激光传输领域
    在激光加工、激光雷达、国防安全等领域，高功率中红外激光的稳定传输是核心技术需求。传统光纤受材料吸收与损伤阈值限制，难以承受高功率激光的长期照射，导致传输效率低、使用寿命短。该硫化物空芯反谐振光纤通过将光限制在气芯传输，从根本上避免了材料对激光的吸收与损伤，结合0.56dB/m的低损耗特性，可作为高功率中红外激光传输的理想载体，推动高功率激光系统在工业加工、远程探测等领域的应用升级。
    生物医学领域
    在生物医学诊断与治疗领域，该光纤的技术优势尤为突出：一是柔性好、尺寸小，可轻松插入内窥镜的狭窄通道，传输中红外激光用于微创手术，相比传统刚性激光传输系统，能大幅减少手术创伤，提升操作精度，推动激光微创手术向更精细、更安全的方向发展；二是中红外波段的分子指纹特性，可通过光纤传输红外光实现对生物组织的精准检测，如识别特定疾病相关分子的振动信号，为红外生物医学诊断提供高灵敏度、高特异性的技术工具，助力精准医疗发展；三是光纤的低损耗与高稳定性，可保障诊断与治疗过程中光信号传输的准确性与可靠性，提升医疗服务质量。
    其他拓展领域
    除上述核心领域外，该光纤还可在环境监测、红外成像、光谱分析等领域发挥重要作用。例如，在环境监测中，利用中红外波段对污染物分子的高敏感性，通过光纤传输红外光实现对大气、水体中污染物的实时、高精度检测；在红外成像领域，光纤的柔性与低损耗特性可优化成像系统结构，提升成像质量与系统灵活性。

    郭海涛研究员团队研发的六单元无节点硫化物空芯反谐振光纤，以0.56dB/m的超低损耗、优异的光束质量与弯曲性能，突破了中红外空芯反谐振软玻璃光纤的技术瓶颈，为中红外光纤技术的发展树立了新标杆。该研究通过材料创新与结构创新的协同，解决了传统光纤在中红外波段传输中的关键问题，同时依托精密制造工艺的突破，为光纤的规模化应用提供了可行路径。
    未来，随着光纤损耗的进一步降低、传输波段的拓展以及制造成本的优化，该技术有望在更多领域实现产业化落地，推动中红外光电子技术的整体发展。此次成果不仅彰显了我国在中红外光纤领域的科研实力，也为全球光学领域的技术创新贡献了中国方案，具有重要的科学意义与产业价值。