近日，中国科学院西安光机所研究员郭海涛，副研究员许彦涛、刘成振团队在红外反谐振空芯光纤（Anti-Resonant Hollow-Core Fiber，AR‑HCF）领域取得全链条突破性进展，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，破解了传统光纤在中长波红外波段传输损耗高、激光功率承载能力不足的核心瓶颈，将为激光传能、超快光子学、精准医疗等领域提供关键材料与技术支撑。
图 碲酸盐红外反谐振空芯光纤
图 硫系红外反谐振空芯光纤
相关系列论文发表在Light: Advanced Manufacturing、Ultrafast Science、Journal of Lightwave Technology、Optics Letters、Optics Express、Ceramics International等期刊上。
中长波红外（3-15 μm）波段覆盖大气透明窗口、水强吸收带及高温热辐射集中区间，在遥感探测、空间激光通信、环境监测、生物医学与红外光电对抗等领域具有重要应用价值。长期以来，中长波红外激光的高效传输一直是制约其发展的瓶颈：传统实芯红外玻璃光纤受材料本征特性制约，存在非线性系数高、激光损伤阈值低、红外透光范围窄等短板，在传输高功率激光时易引发脉冲畸变、光谱展宽等劣化问题，难以实现高功率、高保真的柔性传输。
红外反谐振空芯光纤凭借反谐振效应将绝大部分激光约束在空气芯中传输，具有低非线性、低色散、高损伤阈值等天然优势，可从根源抑制脉冲畸变，适配中长波红外激光传输需求。但红外玻璃特殊的温粘特性、表面张力及热膨胀特性，给光纤制备带来极大挑战，工艺控制难度大、结构成型精度难保证。当前国内外现有光纤损耗偏高，远不能满足中长波红外激光高效传能的应用要求。
郭海涛团队历时多年，从材料组分、结构设计、制备工艺到应用验证全链条自主创新，攻克了一系列关键核心技术难题。
01 创新两大新型玻璃组分体系，突破红外玻璃微结构光纤成纤瓶颈
红外玻璃是制备红外光纤的“基石”，其热学特性和光学性能直接决定了光纤的最终质量。长期以来，高性能红外玻璃材料的缺乏一直是制约我国红外光纤发展的核心短板。
团队自主研发出TeO₂-BaF₂-La₂O₃-LaF₃（TBLL）碲酸盐玻璃和Ga-As-Sb-S（GAGS）硫系玻璃两大新型材料体系。通过对玻璃组分的精准调控，有效改善了红外玻璃材料的粘度-温度特性、表面张力和热稳定性，大幅提升了光纤拉制过程中的结构可控性，从源头上解决了红外玻璃微结构光纤的材料瓶颈问题。
02 提出系列新型光纤结构，实现低损耗、大模场、高抗弯设计
反谐振空芯光纤的传输性能由其包层的微结构决定。团队提出六管/七管单环无节点、五管嵌套无节点等红外AR‑HCF结构，系统揭示光纤结构参数对限制损耗、弯曲损耗及高阶模抑制的调控规律。
图 六管/七管单环无节点、五管嵌套无节点等红外AR‑HCF结构设计图
通过优选高阶反谐振窗口，大幅降低制备难度的同时，实现了低损耗、大模场、高光束质量与优异抗弯曲特性，所设计光纤传输窗口可覆盖2–20μm，理论损耗低至0.001dB/m，弯曲附加损耗小于0.05dB/m，模场面积大于5000μm2，能够满足从精准医疗到红外光电对抗的多场景需求。
03 建立专用拉丝动力学模型并首创差异化制备工艺，研制出国际最低损耗的红外AR-HCF
红外玻璃陡峭的粘度-温度曲线、低的表面张力与高的热膨胀系数，是制约AR-HCF制备的关键技术瓶颈。在拉丝过程中，微小的温度波动即可引发玻璃粘滞流动状态的剧烈变化；压力控制精度的偏差则极易导致毛细管变形、芯包结构接触等缺陷；冷却阶段的不均匀收缩还会破坏反谐振结构的对称性与成型精度，使其实际损耗远高于理论损耗。
图 拉丝动力学模型指导下的红外玻璃反谐振空芯光纤制备技术
针对这一问题，团队构建多物理场耦合拉丝动力学模型，完整刻画出光纤预制棒颈缩区微结构演化规律，阐明拉丝张力、温度、气压、速度对光纤形貌的影响机制，摆脱依赖试错的传统研发模式，为工艺优化与结构稳定提供理论支撑，实现从预制棒到光纤的全流程精准调控。
在此基础上，团队针对硫系与碲酸盐玻璃热学特性差异，采用差异化制备工艺：对硫系玻璃采用“堆叠-二次拉制”工艺，对碲酸盐玻璃采用“堆叠-一次拉制”工艺，并结合全流程动态气压补偿技术，成功破解了红外玻璃粘度-温度系数变化大、毛细管易形变、包层结构易接触等技术难题。
图 西安光机所团队实现红外反谐振空芯光纤传输损耗新突破
基于上述技术，团队研制出国际同类型最低损耗的红外反谐振空芯光纤，性能达到国际领先水平：
硫系AR‑HCF在4μm、7μm波段的实测损耗分别低至0.3dB/m、1dB/m；
碲酸盐AR‑HCF在4μm、7μm波段的实测损耗分别低至0.15dB/m、2dB/m。
04 完成高功率中红外飞秒脉冲激光高质量传输验证
团队与付玉喜研究员、四川大学梁厚昆教授团队合作，基于上述自研光纤，成功实现5-11μm可调谐中红外飞秒脉冲的低损耗、高保真传输。
实验结果表明，该光纤可耐受16MW以上峰值功率，能有效抑制非线性效应，传输过程中几乎无脉冲展宽，输出光束质量接近衍射极限，在超快光子学、强场物理等领域具备显著应用优势。
图 高功率中红外飞秒激光传输特性与组织微创消融
在生物医疗应用方面，团队采用该光纤传输5.75μm和6.1μm飞秒激光，成功完成了脂肪组织、动脉粥样硬化斑块及小鼠角膜的精准微创消融实验。与传统空间光传输相比，光纤传输的激光消融阈值降低了40%-50%，切口更加规整，热损伤区极小。经涂覆封装后，光纤的最小弯曲半径约3cm，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解决方案。
上述研究工作受到国家自然科学基金重大项目课题、陕西省杰出青年基金等项目的资助。
郭海涛研究员团队长期聚焦高性能中红外光纤与激光领域，已在光学与材料学领域权威期刊发表论文150余篇，获授权国家发明专利14项，并荣获中国科学院“创新交叉团队”等荣誉。后续，团队将持续推进中红外光纤和激光技术的工程化落地，重点拓展其在光谱测量、环境监测、生物医疗等领域的工程化落地与应用拓展。
