研究破解传统光纤在中长波红外激光传输领域难题
中新网西安5月20日电(记者阿琳娜)记者20日从西安光机所获悉，该所郭海涛研究员团队成功研制出国际同类型最低损耗的碲酸盐和硫系红外反谐振空芯光纤，并于近期完成高功率中红外飞秒激光传输与生物医疗应用验证。这一成果破解了传统光纤在中长波红外激光传输领域的难题，为中国激光传能、精准医疗等领域提供了关键技术支撑。
图为硫系光纤。西安光机所供图据了解，中长波红外波段被科学界称为“分子指纹区”，几乎所有的有机分子和无机化合物在此波段都有独特的吸收光谱，在环境监测、生物医疗等领域具有不可替代的应用价值。但长期以来，中长波红外激光的高效传输是全球性技术难题——传统石英光纤在2微米以上波段损耗急剧上升；传统实芯红外玻璃光纤则存在非线性效应强、激光损伤阈值低等缺陷。
红外反谐振空芯光纤以空气为主要导光介质，天然具有传输损耗低、非线性效应弱、激光损伤阈值高等优势，被认为是解决中长波红外激光高效传输的理想方案。但受限于材料、结构与工艺等多重技术壁垒，该领域发展长期处于缓慢状态，光纤损耗长期维持在数个甚至10dB/m的较高水平，严重制约了其应用。
图为碲酸盐光纤。西安光机所供图西安光机所团队历时五年，从材料、结构、工艺全链条自主创新，攻克了一系列关键核心技术。团队自主研发新型碲酸盐和硫系玻璃材料体系，提出六管/七管单环无节点、五管嵌套无节点等创新光纤结构，建立多物理场耦合拉丝动力学模型，通过差异化制备工艺精准控制光纤制备全过程。最终研制出的碲酸盐光纤在4微米波段损耗低至0.15dB/m，硫系光纤在4微米波段损耗低至0.3dB/m，将损耗降低10倍以上。
“0.15dB/m的损耗意味着光在光纤中每传输1米，光功率仅下降约3.4%，这一指标大幅提升了中长波红外激光的传输效率和传输距离。”郭海涛介绍道，这一突破彻底打破了国际上红外反谐振空芯光纤的损耗壁垒，为其后续应用奠定了核心基础。
团队近期完成的多项试验验证，充分证明了该光纤的实用性与可靠性。在高功率激光传输试验中，团队成功实现5微米至11微米可调谐中红外飞秒脉冲的低损耗、高保真传输，光纤可耐受16兆瓦以上峰值功率，传输后激光脉冲几乎无展宽，输出的激光光斑规整、能量集中，光束质量接近理论最优状态。
在生物医疗应用验证中，采用该光纤传输的飞秒激光成功完成脂肪组织、动脉粥样硬化斑块及小鼠角膜的精准微创消融，消融所需激光功率阈值较传统方式降低40%至50%，切口规整、热损伤极小，有效解决了传统激光传输过程中热损伤过大、精度不足的痛点，为血管介入治疗、精细眼科手术等临床场景提供了新型柔性传输方案。
此次成果实现了新型红外光纤的技术领跑，为中国中红外光子学技术发展奠定了坚实的材料基础。团队后续将持续推进技术工程化落地，拓展其在光谱测量、环境监测、生物医疗等领域的应用，助力中国在中红外领域抢占技术制高点，为国家战略需求提供更加强有力的技术支撑。(完)
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