自1960年光纖技術問世以來，憑借輕量化與柔性特質，光纖已在高能傳輸、光纖激光及生物醫(yī)學等關鍵領域實現(xiàn)廣泛應用。其中，中紅外波段因涵蓋大量化學物質與生物分子的振動指紋光譜，且屬于重要大氣傳輸窗口，在科研與產業(yè)領域的應用需求持續(xù)攀升。然而，傳統(tǒng)石英光纖受材料固有特性制約，無法滿足中紅外波段傳輸要求；傳統(tǒng)紅外軟玻璃光纖雖可覆蓋更寬光譜范圍，但光在玻璃芯傳輸過程中，受限于材料強度低、固有損傷閾值低及非線性系數(shù)大等問題，難以突破高功率傳輸瓶頸，中紅外光纖技術發(fā)展面臨關鍵挑戰(zhàn)。

    近期，中國科學院西安光學精密機械研究所郭海濤研究員團隊在中紅外光纖技術領域取得突破性進展。該團隊成功設計并制備出：六單元無節(jié)點硫化物空芯反諧振光纖，在4.79μm波長處實現(xiàn)0.56dB/m的超低傳輸損耗，性能可與傳統(tǒng)階躍型硫化物光纖相媲美。相關研究成果已發(fā)表于國際知名期刊《OpticsExpress》，標志著中紅外空芯反諧振軟玻璃光纖的研究與應用進入全新階段。

    材料與結構創(chuàng)新：構建中紅外光纖性能突破的核心基礎
    中紅外光纖技術的突破，需依托材料特性與結構設計的協(xié)同優(yōu)化。郭海濤團隊創(chuàng)新性地將硫化物玻璃的材料優(yōu)勢與空芯反諧振結構的性能優(yōu)勢相結合，為中紅外光纖性能提升奠定核心基礎。
    材料選擇：硫化物玻璃的中紅外適配優(yōu)勢
    在紅外軟玻璃材料體系中，硫化物玻璃具有顯著技術優(yōu)勢：其一，擁有最低的聲子能量，可實現(xiàn)更寬范圍的紅外光傳輸，完美適配中紅外波段應用需求；其二，具備相對穩(wěn)定的物理化學性質，在加工與使用過程中不易發(fā)生失效，保障光纖長期工作穩(wěn)定性；其三，成纖能力優(yōu)異，為后續(xù)光纖結構精準制備提供材料保障。相比其他紅外軟玻璃，硫化物玻璃在中紅外傳輸領域的適配性更為突出，成為團隊研發(fā)的核心材料選擇。

    結構設計：空芯反諧振結構的性能突破
    傳統(tǒng)光纖采用光在玻璃芯傳輸?shù)哪Ｊ剑懿牧咸匦灾萍s明顯?？招痉粗C振光纖則通過創(chuàng)新結構設計，由包圍氣芯的一圈薄壁毛細管構成，將光的傳播限制在氣芯內部。該結構設計從根本上解決了傳統(tǒng)光纖的材料限制問題：一是大幅降低光傳輸損耗，提升傳輸效率；二是拓展傳輸帶寬，滿足中紅外波段寬光譜傳輸需求；三是具備更高的功率傳輸能力，避免材料對高功率激光的吸收與損傷；四是此前基于該結構的石英光纖已實現(xiàn)傳輸波長突破至6μm，驗證了結構的可行性與優(yōu)越性。
    盡管硫化物空芯反諧振光纖具備顯著優(yōu)勢，但此前研究仍存在性能短板與制造難題。2014年，Shiryaev團隊制備的八單元與十單元硫化物空芯反諧振光纖，在4.8μm波長處最低損耗達3dB/m；2023年，相關研究雖將4.79μm波長處損耗降至1.29dB/m，但仍未達到實際應用的理想水平。同時，硫化物玻璃自身具有低表面張力系數(shù)、陡峭的粘度溫度曲線及較差的機械性能，導致光纖制造過程中易出現(xiàn)結構變形、參數(shù)偏差等問題，進一步提升性能面臨巨大挑戰(zhàn)。郭海濤團隊針對這些關鍵問題，開展了系統(tǒng)性的設計優(yōu)化與制造工藝創(chuàng)新。
    精密制造工藝：攻克硫化物玻璃加工難題，實現(xiàn)光纖結構精準控制
    硫化物玻璃的特殊物理化學性質，使其加工過程對溫度、壓力等參數(shù)極為敏感，精準制備穩(wěn)定的空芯反諧振結構難度較大。郭海濤團隊以高純度As??S??硫化物玻璃為原料，創(chuàng)新性地融合“精細疊加拉制法”與“雙氣路壓力控制技術”，通過多維度參數(shù)優(yōu)化與工藝管控，實現(xiàn)了光纖結構與性能的精準調控。

    結構參數(shù)優(yōu)化：奠定精準制造基礎
    為確保光纖在中紅外波段的傳輸性能，團隊對核心結構參數(shù)進行了系統(tǒng)研究與優(yōu)化：
    氣芯直徑（Dcore）：固定為114μm，經理論分析與模擬驗證，該尺寸可滿足35μm中紅外波段低損耗傳輸需求，為后續(xù)參數(shù)優(yōu)化提供基準。
    毛細管壁厚（t）：通過參數(shù)掃描實驗發(fā)現(xiàn)，當壁厚處于6.57.2μm范圍時，光纖可維持低于0.5dB/m的損耗水平，綜合考慮制造可行性與性能穩(wěn)定性，最終將壁厚確定為7μm，制造容差控制在±0.3μm以內。
    毛細管間隙（g）：間隙大小直接影響光纖限制損耗，實驗表明，當間隙在1520μm區(qū)間時，光纖傳輸性能優(yōu)異且損耗波動較小，其中間隙為19μm時，損耗達到最低值0.0271dB/m。
    毛細管內徑與氣芯直徑比值（Din/Dcore）：以該比值為變量，分析光纖損耗與模式場面積變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當比值為0.67時，光纖限制損耗最小，且基?？捎行Ъs束于氣芯內，有效模式場面積超過5800μm²，為光纖結構設計提供關鍵參數(shù)依據(jù)。

    制造工藝創(chuàng)新：突破加工技術瓶頸
    針對硫化物玻璃粘度隨溫度快速變化、易導致結構變形的問題，團隊開發(fā)了一系列創(chuàng)新制造工藝：
    雙氣路壓力控制系統(tǒng)：設計兩條獨立氣路，一條為氣芯施加壓力（pcore），另一條向毛細管內充入氮氣（pcapillary），通過雙向壓力平衡，有效抵消硫化物玻璃表面張力引起的毛細管收縮，避免拉制過程中結構坍塌，保障空芯反諧振結構完整性。
    精準溫控技術：通過調控拉制溫度，優(yōu)化光纖結構成型效果。實驗數(shù)據(jù)顯示，當拉制溫度從317°C降至314°C，并施加10kPa壓力差（Δp）時，毛細管收縮程度顯著降低，形狀更趨圓潤；進一步將Δp提升至14kPa，毛細管尺寸進一步優(yōu)化且形狀保持穩(wěn)定，有效解決了結構變形問題。
    最終制備的光纖，外徑精準控制在350±5μm，有效芯徑為120±2μm，毛細管平均壁厚6.5μm（誤差小于0.3μm），結構參數(shù)高度符合設計要求。即便未進行聚合物涂層處理，光纖最小彎曲半徑仍可達約3cm，兼顧結構穩(wěn)定性與柔性，滿足實際應用場景對光纖形態(tài)的需求。

    性能測試驗證：低損耗、高光束質量與優(yōu)異彎曲性能的協(xié)同實現(xiàn)
    為全面評估光纖性能，團隊采用國際標準測試方法，從傳輸損耗、光束質量、彎曲性能等關鍵維度展開系統(tǒng)性測試，驗證了該硫化物空芯反諧振光纖的技術優(yōu)勢。

    傳輸損耗測試：刷新中紅外光纖損耗紀錄
    團隊采用“截斷法”測試光纖傳輸損耗，以可調諧量子級聯(lián)激光器（4.204.35μm）與半導體激光器（4.79μm）作為光源，通過多次截斷光纖并測量不同長度光纖的輸出功率，消除耦合效率等因素對測試結果的影響。在4.204.35μm波段測試中，將光纖從2米截短至1米（共3次截斷），進行4次重復測量；在4.79μm波長測試中，將光纖從1米截短至0.4米（共2次截斷），進行3次重復測量。測試結果顯示，在4.79μm波長處，光纖傳輸損耗實測值為0.56dB/m，不僅刷新了中紅外空芯反諧振光纖的損耗紀錄，還達到了傳統(tǒng)階躍型硫化物光纖的性能水平，打破了空芯結構光纖傳輸損耗必然高于實心結構光纖的傳統(tǒng)認知。同時，實測損耗曲線與基于實際結構參數(shù)重新模擬的理論損耗曲線高度吻合，驗證了光纖設計與制造的精準性。

    光束質量評估：滿足高功率激光傳輸要求
    光束質量是高功率激光傳輸?shù)暮诵闹笜?，團隊采用“高階模式消光比（HOMER）”作為評估標準，其計算公式為：
    HOMER=10lg(Loss_HOM/Loss_FM)
    其中，Loss_HOM為損耗最低的高階模式損耗，Loss_FM為纖芯基模損耗。當HOMER>10時，光纖可實現(xiàn)穩(wěn)定單模傳輸。實測結果顯示，該光纖的HOMER值超過15，表明基模在氣芯內的約束效果優(yōu)異，高階模式被有效抑制，滿足高功率激光傳輸對光束質量的嚴格要求。此外，通過束形儀觀察光纖輸出光場分布，在4.30μm波長下，輸出光呈現(xiàn)典型的類高斯分布；通過手動移動光纖位移平臺，改變入射激光束與光纖芯中心的偏移量，可實現(xiàn)傳輸模式的可控轉變——當偏移量為5μm時，光場分布開始分裂；當偏移量達到10μm時，可觀察到完整的LP11高階模式分布，進一步驗證了光纖對傳輸模式的精準控制能力。

    彎曲性能測試：適配多樣化應用場景
    在實際應用中，光纖的彎曲性能直接影響其在狹小空間或復雜環(huán)境中的適配性。團隊針對兩種基模偏振方向（與彎曲方向平行或垂直），研究不同彎曲半徑下的光纖彎曲損耗。測試結果表明，當彎曲半徑為6.4cm時，兩種偏振方向均出現(xiàn)高損耗峰值，這是由于彎曲導致纖芯與包層毛細管之間發(fā)生模式耦合；當彎曲半徑大于25cm時，平行偏振模式的彎曲損耗小于0.1dB/m，基?？煞€(wěn)定約束于氣芯內，滿足遠距離、低損耗傳輸需求；同時，光纖最小彎曲半徑可達約3cm，具備良好的柔性，可適配內窺鏡手術等狹小空間應用場景，為多樣化實際應用提供技術支撐。
    值得注意的是，該光纖還具備良好的結構容差性。在制造過程中，盡管預制件手動組裝可能導致毛細管位置輕微偏移或尺寸略有偏差，但通過數(shù)值模擬與實驗驗證，這些微小偏差對光纖傳輸損耗的影響極小，大幅降低了規(guī)?；圃斓募夹g難度，為后續(xù)產業(yè)化應用奠定基礎。

    應用前景展望：賦能中紅外領域多場景創(chuàng)新發(fā)展
    該低損耗硫化物空芯反諧振光纖的成功研發(fā)，不僅在中紅外光纖技術領域實現(xiàn)重大突破，還為高功率激光傳輸、生物醫(yī)學等領域的應用創(chuàng)新提供了關鍵技術支撐，具有廣闊的產業(yè)化前景。
    中紅外高功率激光傳輸領域
    在激光加工、激光雷達、國防安全等領域，高功率中紅外激光的穩(wěn)定傳輸是核心技術需求。傳統(tǒng)光纖受材料吸收與損傷閾值限制，難以承受高功率激光的長期照射，導致傳輸效率低、使用壽命短。該硫化物空芯反諧振光纖通過將光限制在氣芯傳輸，從根本上避免了材料對激光的吸收與損傷，結合0.56dB/m的低損耗特性，可作為高功率中紅外激光傳輸?shù)睦硐胼d體，推動高功率激光系統(tǒng)在工業(yè)加工、遠程探測等領域的應用升級。
    生物醫(yī)學領域
    在生物醫(yī)學診斷與治療領域，該光纖的技術優(yōu)勢尤為突出：一是柔性好、尺寸小，可輕松插入內窺鏡的狹窄通道，傳輸中紅外激光用于微創(chuàng)手術，相比傳統(tǒng)剛性激光傳輸系統(tǒng)，能大幅減少手術創(chuàng)傷，提升操作精度，推動激光微創(chuàng)手術向更精細、更安全的方向發(fā)展；二是中紅外波段的分子指紋特性，可通過光纖傳輸紅外光實現(xiàn)對生物組織的精準檢測，如識別特定疾病相關分子的振動信號，為紅外生物醫(yī)學診斷提供高靈敏度、高特異性的技術工具，助力精準醫(yī)療發(fā)展；三是光纖的低損耗與高穩(wěn)定性，可保障診斷與治療過程中光信號傳輸?shù)臏蚀_性與可靠性，提升醫(yī)療服務質量。
    其他拓展領域
    除上述核心領域外，該光纖還可在環(huán)境監(jiān)測、紅外成像、光譜分析等領域發(fā)揮重要作用。例如，在環(huán)境監(jiān)測中，利用中紅外波段對污染物分子的高敏感性，通過光纖傳輸紅外光實現(xiàn)對大氣、水體中污染物的實時、高精度檢測；在紅外成像領域，光纖的柔性與低損耗特性可優(yōu)化成像系統(tǒng)結構，提升成像質量與系統(tǒng)靈活性。

    郭海濤研究員團隊研發(fā)的六單元無節(jié)點硫化物空芯反諧振光纖，以0.56dB/m的超低損耗、優(yōu)異的光束質量與彎曲性能，突破了中紅外空芯反諧振軟玻璃光纖的技術瓶頸，為中紅外光纖技術的發(fā)展樹立了新標桿。該研究通過材料創(chuàng)新與結構創(chuàng)新的協(xié)同，解決了傳統(tǒng)光纖在中紅外波段傳輸中的關鍵問題，同時依托精密制造工藝的突破，為光纖的規(guī)?；瘧锰峁┝丝尚新窂?。
    未來，隨著光纖損耗的進一步降低、傳輸波段的拓展以及制造成本的優(yōu)化，該技術有望在更多領域實現(xiàn)產業(yè)化落地，推動中紅外光電子技術的整體發(fā)展。此次成果不僅彰顯了我國在中紅外光纖領域的科研實力，也為全球光學領域的技術創(chuàng)新貢獻了中國方案，具有重要的科學意義與產業(yè)價值。