中紅外激光傳輸技術(shù)突破：我國成功研發(fā)低損耗碲酸鹽反諧振空芯光纖

    中紅外波段（210μm）因可精準(zhǔn)捕獲分子振動(dòng)指紋特征，被學(xué)界譽(yù)為“分子光譜黃金波段”，在分子結(jié)構(gòu)分析、無創(chuàng)生物醫(yī)學(xué)診斷、大氣污染物實(shí)時(shí)傳感及國防紅外激光技術(shù)等領(lǐng)域具有不可替代的戰(zhàn)略價(jià)值。近年來，量子級(jí)聯(lián)激光器、光學(xué)參量振蕩器及超連續(xù)譜光源等中紅外激光源已實(shí)現(xiàn)功率與波長范圍的突破，但“激光高效傳輸”始終是制約該領(lǐng)域技術(shù)落地的關(guān)鍵瓶頸——傳統(tǒng)中紅外實(shí)芯光纖受限于材料固有吸收、顯著非線性效應(yīng)及較低熱損傷閾值，難以在210μm全波段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效傳輸。

    反諧振空芯光纖（AntiResonantHollowCoreFiber,ARHCF）的出現(xiàn)為這一困境提供了有效解決方案。該類光纖依托特殊微結(jié)構(gòu)包層的反諧振反射機(jī)制，將激光能量限制于空氣芯內(nèi)傳輸，可顯著降低激光與光纖材料的相互作用，不僅能減少非線性損耗、突破熱穩(wěn)定性限制，還可實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)單模傳輸。然而，此前不同材料體系的ARHCF均存在明顯技術(shù)短板：石英ARHCF雖在近紅外波段表現(xiàn)優(yōu)異，但石英玻璃在波長超過4.5μm后吸收損耗急劇增加，6μm波長處損耗驟升至78dB/m；硫系A(chǔ)RHCF的傳輸窗口可延伸至12μm以上，但其在中短波長（如4.6μm）的損耗仍高于0.5dB/m；氟化物玻璃因熱穩(wěn)定性極差，至今尚未實(shí)現(xiàn)ARHCF的成功制備，無法滿足中紅外全波段傳輸需求。

    碲酸鹽玻璃作為中紅外傳輸領(lǐng)域的潛力材料，具備顯著優(yōu)勢(shì)：其透射窗口可延伸至6μm以上，且擁有高激光損傷閾值、優(yōu)異抗水腐蝕性能及良好機(jī)械強(qiáng)度，理論上是高功率中紅外激光傳輸?shù)睦硐胼d體。但碲酸鹽ARHCF的制備過程面臨顯著挑戰(zhàn)：碲酸鹽玻璃在軟化溫度附近粘度呈現(xiàn)急劇變化，導(dǎo)致光纖拉制過程中毛細(xì)管易發(fā)生變形、結(jié)構(gòu)均勻性難以控制。此前已報(bào)道的碲酸鹽ARHCF，傳輸損耗普遍維持在3dB/m以上，6μm以上長波波段的傳輸潛力更是未被充分挖掘，技術(shù)應(yīng)用受限。
    近日，中國科學(xué)院西安光機(jī)所郭海濤研究員、劉成振副研究員團(tuán)隊(duì)攻克碲酸鹽ARHCF制備及性能優(yōu)化的核心技術(shù)難題，成功研發(fā)出低損耗碲酸鹽ARHCF，相關(guān)研究成果發(fā)表于國際權(quán)威期刊《OpticsLetters》（Vol.50,No.18），為中紅外激光全波段高效傳輸提供了全新技術(shù)路徑。

    核心技術(shù)突破：工藝精準(zhǔn)化與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化
    該團(tuán)隊(duì)的技術(shù)突破集中體現(xiàn)在“預(yù)制棒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拉絲工藝調(diào)控氣壓精準(zhǔn)控制”的全流程優(yōu)化，有效解決了碲酸鹽玻璃粘度突變導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定問題。
    1.預(yù)制棒結(jié)構(gòu)優(yōu)化：選用TeO?BaF?La?O?LaF?體系玻璃作為基體材料，設(shè)計(jì)“外套管+六根非接觸毛細(xì)管”的預(yù)制棒結(jié)構(gòu)。其中，細(xì)管通過轉(zhuǎn)管法制備（外徑18mm、內(nèi)徑14.4mm），外套管同樣采用轉(zhuǎn)管法加工（外徑13mm、內(nèi)徑9mm）；將外套管與細(xì)管加熱至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使二者粘結(jié)固定，確保初始結(jié)構(gòu)的均勻性與對(duì)稱性，為后續(xù)拉制奠定基礎(chǔ)。
    2.拉絲工藝與氣壓調(diào)控：拉制過程中，團(tuán)隊(duì)開發(fā)定制化氣體壓力調(diào)控系統(tǒng)——在毛細(xì)管內(nèi)充入氧氣形成正壓，纖芯區(qū)域保持環(huán)境大氣壓，通過多組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證6000Pa為最佳氣壓（氣壓低于5800Pa時(shí)毛細(xì)管呈橢圓形，高于6000Pa則易發(fā)生毛細(xì)管接觸或不對(duì)稱擴(kuò)張）；配合591℃的拉絲爐溫度、2.5mm/min以上的送棒速度，最終制備出外徑400μm、芯徑120μm、毛細(xì)管壁厚2.25±0.08μm的均勻光纖，實(shí)驗(yàn)室條件下最長可制備30米，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯著提升。

    性能測(cè)試：創(chuàng)紀(jì)錄低損耗與全波段傳輸能力
    通過傅里葉變換紅外光譜儀、1.976μm單波長激光器及4.65μm激光器等多平臺(tái)測(cè)試，該碲酸鹽ARHCF的性能表現(xiàn)突破現(xiàn)有技術(shù)水平：
    傳輸損耗突破紀(jì)錄：在4.65μm波長下，傳輸損耗低至0.3±0.02dB/m，為目前全球已報(bào)道碲酸鹽ARHCF的最低損耗值；1.976μm波長下?lián)p耗約1dB/m，顯著優(yōu)于此前同類產(chǎn)品。
    全波段傳輸覆蓋：傳輸窗口可直接覆蓋210μm全波段范圍，在4.5μm和8.5μm處呈現(xiàn)明顯低損耗反諧振峰；10μm波長處損耗約89dB/m，團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)通過進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該波段損耗可降至1dB/m以下，有望實(shí)現(xiàn)中紅外全波段低損耗傳輸。
    高功率耐受能力：采用最大輸出功率30.3W的1.976μm激光器，通過1米長光纖進(jìn)行傳輸測(cè)試，無需采用水冷、風(fēng)冷等主動(dòng)冷卻手段，光纖可穩(wěn)定耐受30W功率，最大輸出功率達(dá)14.3W；連續(xù)運(yùn)行40分鐘后，功率波動(dòng)均方根（RMS）僅0.77%，熱成像顯示即使溫度超過130℃，光纖仍未發(fā)生可見結(jié)構(gòu)損傷，熱穩(wěn)定性優(yōu)異。
    光束質(zhì)量接近理想：光束質(zhì)量因子（M²，值越接近1，光束質(zhì)量越優(yōu)）測(cè)試結(jié)果顯示：1.65W輸出功率下，X/Y方向M²分別為1.09和1.15；14W輸出功率下，M²維持在1.17和1.10，不僅接近衍射極限，且優(yōu)于原始激光源（M²=1.2）。這一特性源于ARHCF的高階模式泄漏機(jī)制，相當(dāng)于在激光傳輸過程中同步實(shí)現(xiàn)了光束整形效果，為高精度應(yīng)用提供支撐。
    此外，在中紅外核心波段驗(yàn)證中，4.65μm瓦級(jí)激光通過0.5米長光纖傳輸，綜合傳輸效率達(dá)61%（含耦合損耗與傳輸損耗），進(jìn)一步證實(shí)其在中紅外波段的應(yīng)用潛力。

    技術(shù)價(jià)值與應(yīng)用前景
    該低損耗碲酸鹽ARHCF的研發(fā)成功，有效填補(bǔ)了中紅外全波段低損耗、高功率傳輸領(lǐng)域的技術(shù)空白，使“高效傳輸+高功率耐受+高光束質(zhì)量”三者兼具成為現(xiàn)實(shí)。從技術(shù)價(jià)值來看，其突破了碲酸鹽玻璃制備ARHCF的工藝瓶頸，為其他高性能紅外玻璃光纖的研發(fā)提供了參考；從應(yīng)用場(chǎng)景來看，未來可廣泛支撐以下領(lǐng)域發(fā)展：
    科研領(lǐng)域：為高功率中紅外氣體激光（如二氧化碳激光）、超快激光脈沖傳輸及非線性光學(xué)研究提供關(guān)鍵器件，推動(dòng)中紅外光物理與光化學(xué)領(lǐng)域的前沿探索；
    民生領(lǐng)域：提升生物醫(yī)學(xué)診斷中紅外成像的清晰度，增強(qiáng)環(huán)境傳感對(duì)微量污染物（如揮發(fā)性有機(jī)物、有害氣體）的探測(cè)靈敏度，助力精準(zhǔn)醫(yī)療與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)；
    國防領(lǐng)域：為紅外激光雷達(dá)、定向能技術(shù)等提供穩(wěn)定傳輸載體，支撐國防紅外技術(shù)的性能升級(jí)。
    綜上，該研究成果不僅是我國在中紅外光纖領(lǐng)域的重要技術(shù)突破，更推動(dòng)中紅外激光傳輸技術(shù)從“實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證”邁向“實(shí)際應(yīng)用”階段，為全球中紅外技術(shù)發(fā)展注入新動(dòng)力。