导读
近日，哈尔滨工程大学先进激光研究团队/上海交通大学谢国强教授团队/东北师范大学刘益春院士团队在中红外非线性光子学领域取得重要进展，研发了一种新型高非线性氟碲酸盐光纤。该光纤兼具优良的热稳定性、高非线性和色散灵活可调等优势。实验证明，采用低重频、高能量的中红外飞秒脉冲激光泵浦，可在厘米级的氟碲酸盐光纤中实现4584 nm的可调谐拉曼孤子和4177 nm的色散波输出。该技术突破了传统商用中红外光纤“低稳定性、弱非线、长尺寸” 的局限，为4–5 μm中红外超快激光源的紧凑化、高稳定性实现提供了全新解决方案。相关研究成果以 “Generation of Tunable Raman Soliton and Dispersive Wave Beyond 4 μm in Centimeter-Length Fluorotellurite Fibers” 为题发表于《Light: Science & Applications》。
研究背景
中红外超快激光在分子光谱学、痕量气体检测、环境监测和生物医学成像中具有广阔应用前景。特别是波长超过4 μm的相干光源，能够覆盖分子振动频谱中更多关键特征吸收带，从而提供更全面的分子结构信息。然而，现有光纤材料面临严重限制：
稀土掺杂光纤失效：稀土离子掺杂的氟化物光纤可实现3–4 μm激光，却难以突破4 μm以上的波段。其核心局限在于，波长越长，非辐射弛豫效应越强，从而严重制约了受激辐射效率；
非线性光纤局限性：氟化铟光纤是实现>4 μm激光良好的非线性介质，然而其非线性系数低，需要数米至数十米光纤才能实现波长转换，且化学和热稳定性较差，难以支持高功率和长期应用。
研究亮点
为此，研究团队成功开发出基于TBAY（60TeO2-20BaF2-10AlF3-10Y2O3）玻璃的高非线性氟碲酸盐光纤，结合色散调控与泵浦优化，首次在厘米长光纤中实现了>4 μm的可调谐拉曼孤子与色散波输出。核心创新包括：
1.新型高性能光纤材料
TBAY 玻璃兼具宽带红外透射窗口（图1a）、高玻璃转变温度（图1b）及优异水抗性（水浸 24 小时透射无变化），非线性折射率达 3.5×10-19m2/W，是传统 InF3玻璃的 10 倍以上。通过 BaF2与 AlF3的协同掺杂，有效断裂玻璃基质中的 O-H 键，将羟基含量降至极低水平；Y2O3的引入则提升玻璃热稳定性，解决了 “高非线性与高稳定性” 的矛盾，为光纤制备提供优质纤芯材料。
2.光纤色散调控与泵浦协同设计
TBAY光纤包层材料采用低折射率的ABCYSM 玻璃（35AlF3-10BaF2-20CaF2-15YF3-10SrF2-10MgF2），使其具有很高的数值孔径（NA≈1.1@3.5 μm），这一特性为光纤的色散设计提供了极大的灵活性，可以通过调整纤芯的直径对光纤的色散进行调控（图1c-d）。采用 100 kHz 低重频3.54 μm飞秒激光泵浦源（图2），最高峰值功率可达950 kW ，在短光纤内快速激发孤子自频移效应与色散波生成。
3.可调谐拉曼孤子与色散波动态调控
拉曼孤子产生：当光纤纤芯直径为6.5 μm时，泵浦波长位于反常色散区，注入泵浦光并逐步提升能量，通过孤子自频移（SSFS）效应成功实现了3.54–4.58 μm的连续可调谐拉曼孤子输出，仅需 13 cm 的光纤长度（转换效率 7.2%，脉冲能量 1.89 nJ）；理论模拟揭示了孤子在光纤传输中的光谱和时域演化机制（图3a-c）。
色散波产生：当纤芯直径为3 μm时，TBAY光纤存在第二零色散波长ZDW=3723 nm（图1d），3.54 μm的泵浦光处于反常色散区，SSFS 被抵消后激发 4177 nm 色散波，9.8 cm 光纤即可实现 49.5%的功率占比（脉冲能量 13 nJ），理论模拟阐明了色散波在光纤传输中的光谱与时域动态行为（图3d-f）。
图文速览
图1. TBAY和ABCYSM玻璃的特性。a. 浸水实验前后的透射光谱和纤芯衰减曲线；b. DTA曲线；c. TBAY光纤样品的显微镜图像；d. TBAY光纤不同芯径的色散曲线。
图2. 实验装置图。
图3. 实验和模拟结果。a. 在不同入射脉冲能量下测量的可调谐拉曼孤子光谱；b. 实验（红色）和模拟（灰色）的4584 nm拉曼孤子输出光谱；c. 模拟的拉曼孤子随光纤长度的光谱演变；d. 在不同入射脉冲能量下测量的4177 nm色散波光谱；e.实验（蓝色）和模拟的（灰色）输出光谱。f. 模拟的4177nm色散波随光纤长度的光谱演变。
总结与展望
本研究通过材料创新与色散工程设计，并结合泵浦优化，使用厘米级TBAY光纤成功实现了波长>4 μm的可调谐拉曼孤子与高效色散波产生，成功将TBAY光纤推向4–5 μm中红外激光应用前沿，显著提升了非线性转换效率和系统紧凑性。其所展现的高稳定性、高非线性和宽调谐特性，为中红外超快激光源的小型化、集成化提供了全新路径。
展望未来，该技术有望在多个前沿领域展现出巨大潜力。例如，通过与微型泵浦源集成，可开发出用于痕量气体传感和有机材料分析的便携式光谱仪。进一步优化光纤的制备工艺以降低损耗、探索更先进的泵浦方案以提升输出功率，以及开发与现有光子芯片的集成技术，将是推动该技术从实验室走向大规模实际应用的关键方向。总体而言，本研究为多功能、小型化中红外光纤激光器的发展奠定了坚实基础，其紧凑、稳定和高效的特性有望拓宽中红外超快激光技术在科学研究与工业应用中的疆域。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02045-z
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