论文信息：Shunbin Wang, Shijie Jia, Yiguang Jiang, Long Zhang, Pengfei Wang, Yichun Liu. Mid-IR fluoride fibers: materials, fabrication, and fiber laser applications[J]. Photonics Insights, 2025, 4(3): R07
在光子学与材料科学的交叉领域，中红外激光技术因其在环境、医疗、国防等领域的不可替代性，已成为全球激光领域的研究热点。其中，氟化物光纤凭借宽传输窗口、低声子能量和优异的稀土掺杂兼容性，突破了传统石英光纤在中红外波段的传输损耗瓶颈，成为实现高效中红外光子系统的优异材料。近期，东北师范大学刘益春院士、王鹏飞教授团队，中国科学院上海光学精密机械研究所张龙研究员团队，哈尔滨工程大学王顺宾、贾世杰及中国科学院上海光学精密机械研究所姜益光联合撰写了题为“Mid-IR fluoride fibers: materials, fabrication, and fiber laser applications”（中红外氟化物光纤：材料、制备以及光纤激光应用）的综述论文并发表于Photonics Insights 2025年第3期。
该综述以“材料特性-制备工艺-器件性能-应用落地”全链条视角，系统总结了中红外氟化物光纤领域的研究进展：从玻璃材料出发，厘清氟锆基、氟铝基、氟铟基三类主流氟化物玻璃体系的性能差异，阐明了不同体系的适用场景；再到光纤制备工艺，解析预制棒制备与光纤拉丝的关键技术瓶颈；继而聚焦器件性能，以稀土掺杂光纤激光器与超连续谱光源为核心，展现中红外波段的功率与波长拓展路径；最终落地至应用场景，结合中红外激光“分子指纹区”与“大气传输窗口”特性，构建其在气体传感、激光手术、红外对抗多领域技术应用。该综述为中红外氟化物光纤的产业化提供了从基础研究到工程应用的完整路线。
我们相信，该综述将为从事光电子材料、光纤器件及中红外激光应用的研究者提供全面参考，助力突破氟化物光纤在稳定性、规模化制备中的关键难题，加速其在环境监测、精准医疗、红外对抗等领域的实用化落地。
中红外波段因位于大气窗口、分子指纹区及热辐射集中区，在远程通信、机载探测、环境监测、生物诊断、热成像等领域作用关键。氟化物光纤具备宽透过窗口，可覆盖中红外大气窗口，弥补石英光纤长波长段损耗高的缺陷；其低声子能量能降低非辐射损耗，提升稀土离子发光效率，为痕量分子探测提供高亮度光源；经先进纯化工艺处理后，损耗大幅降低，可实现长距离低损耗传输。如图1 所示，氟化物光纤在“宽透过窗口、低声子能量和高稀土掺杂”等方面优势显著，是当前极具潜力的中红外光纤材料。
图1 氟化物光纤的特性与应用
氟化物玻璃性能受化学组成影响，主要有氟锆基、氟铝基、氟铟基三大体系。氟锆基玻璃（以ZBLAN为代表[1]）稳定性较高，但易潮解[2]；氟铝基玻璃热稳定性、化学耐久性好，玻璃化转变温度高[3]、损伤阈值高，适合高功率激光传输，然而声子能量偏高，长波段发光受限；氟铟基玻璃透过窗口更宽、声子能量更低，可支持更长波长激光输出，超连续谱生成优势明显，但原料易挥发或水解，工艺难控制。图2为几种氟化物玻璃的透过光谱，表1为其最大声子能量。为兼顾性能与制备可行性，研究者正积极探索多组分杂化体系，以融合不同材料优势并推动规模化应用。
图2 几种氟化物玻璃的透过光谱
表1 几种氟化物玻璃的最大声子能量
氟化物光纤性能依赖制备工艺，需克服材料脆性、易结晶、原料挥发等问题。预制棒制备有热粘结、浇注、棒管、挤压等方法：浇注法优化冷却与模具控制可获高质量预制棒；棒管法芯包比灵活，适合定制化光纤，但界面损耗难控制；挤压法适用于复杂结构预制棒，加工温度低，能降低结晶风险[5]。
光纤拉丝常用预制棒拉丝法，需在惰性气氛中精准控温与控张力，还需涂层处理减少微弯损耗。图3为光纤拉丝塔示意图。坩埚法无需预制棒，直接熔融拉丝，更适合大规模生产。
图3 光纤拉丝塔示意图
目前仅法国 Le Verre Fluoré、美国 Thorlabs、日本 Fiberlabs 等少数公司实现氟化物光纤商业化，光纤损耗源于杂质与结构缺陷。研究者开发反应气氛处理、区域熔炼等纯化技术，结合惰性气氛拉丝，可大幅降低杂质含量，特定波段损耗有望接近理论极限。此外，美国多次尝试太空拉制氟化物光纤，以抑制微重力环境下的析晶问题，为降低损耗提供了新路径。
中红外氟化物光纤器件的核心应用集中在稀土掺杂光纤激光器与超连续谱光源。
稀土离子类型决定激光器波段性能。图4为已报道的稀土掺杂光纤激光器激光功率与工作波长的关系图。2.7–3.0 μm 波段，Er³⁺和 Ho³⁺激光器功率达数十瓦，稳定性好；3.0–3.3 μm 波段，Dy³⁺激光器效率显著提升；＞3.5 μm 波段，双波长泵浦与新型光路结构助力输出功率突破，拉瓦尔大学团队在3.55 μm波段实现14.9 W连续波输出，保持全光纤结构该波长输出最高纪录[6]。
图4 已报道的稀土掺杂光纤激光器激光功率与工作波长的关系图
与此同时，超连续谱光源在中红外潜力广阔。ZBLAN 光纤实现 1.9–3.68 μm 高功率输出，最高功率超 30 W，光谱平坦度佳[7]；氟铟基光纤将波长边界拓展至 4.9 μm[8]，虽输出功率下降，但波长覆盖优势突出，为中红外宽带光源发展奠定基础。
氟化物光纤贯通“光源-传输-探测”全链条，结合中红外的独特物理特性，在多领域展现出独特价值。环境与化学传感领域，中红外光纤激光器可精准匹配分子吸收峰，快速检测痕量气体浓度，用于天然气泄漏监测、温室气体实时监控；生物医学领域，中红外激光光热效应可将能量局限在组织表层，实现微创精准手术，如皮肤病灶消融、牙科治疗、眼科角膜切割等，动物实验显示其止血效果优于传统手术刀；工业与国防领域，中红外激光可高效加工聚合物等材料，切口光滑，适合精密制造，还能干扰导弹导引头，配合激光雷达实现远距离探测，且复杂天气下可靠性高；作为传输介质，氟化物光纤因高损伤阈值、低损耗，在医疗手术、工业切割等高功率激光传输中优势显著。
该团队系统梳理了中红外氟化物光纤领域的关键进展，全面涵盖了氟化物玻璃的材料特性、光纤制备工艺、高性能光纤激光器与超连续谱光源的发展现状，并结合典型应用展示了其在环境监测、生物医疗、工业制造与国防安全中的重要价值。该综述构建了从材料设计、光纤制备到光子器件集成的完整技术链条，为研究人员深入理解中红外氟化物光纤技术的内在机制、核心挑战与发展路径提供了全面的知识框架和深刻的见解。
因此，发展具有更高化学稳定性与热稳定性的新型杂化氟化物玻璃体系，并设计面向中红外的高性能光子集成器件，将是突破当前材料与器件瓶颈的关键。深入研究热管理机制以解决高功率下的热透镜效应与光纤端面损伤问题，同时开发针对超连续谱源的优化泵浦架构与色散工程方案，将显著提升中红外光源的输出功率、光谱覆盖范围与系统可靠性。
我们期待未来，基于氟化物光纤的中红外光子技术不仅能通过对“分子指纹”区域的高灵敏探测为环境监测、医疗诊断与国家安全提供革命性工具，其产生的高功率、宽调谐相干光源也将推动非线性光学、精密光谱学与量子传感的边界。空间制造与先进封装技术的结合有望实现接近理论极限的超低损耗传输，最终赋能新一代长距离空间通信与高精度激光加工系统。
参考文献：
王鹏飞，东北师范大学教授，博士生导师，美国光学学会会士Optica Fellow，电气电子工程师协会高级会员IEEE Senior Member。主要从事中红外光纤激光器和中红外特种光学玻璃材料等领域研究。在Nature Communications 等国际学术期刊和重要国际会议上发表学术论文300余篇，文章累计被引用8000余次，H-index=45。主持国家自然基金委杰青、重点项目和科技部重点研发计划等国家级项目。任国内外多家学术期刊副主编和编委。现任中国硅酸盐学会特种玻璃分会理事、中国微米纳米技术学会微纳光器件与系统分会理事、中国光学学会纤维光学与光子集成专业委员会委员、全国光学和光子学标准化技术委员会委员、工信部电子科技委委员。
刘益春，东北师范大学教授、博士生导师，中国科学院院士。现任国际发光会议(ICL)程委会委员(2020大会主席)，国际II-VI族化合物材料会议顾委会委员，电子科技大学电子薄膜与集成器件全国重点实验室学术委员会副主任，中国科学院长春光机所发光与应用国家重点实验室学术委员副主任，吉林大学集成光电子国家重点实验室学术委员会副主任。中国真空学会副理事，《真空科学与技术杂志》主编，InfoMat副主编。国家杰出青年科学基金获得者，中国科学院BR计划，教育部跨世纪优秀人才。主要从事氧化物半导体材料与器件研究。
张龙，研究员、博士生导师，中国科学院上海光学精密机械研究所所长。长期致力于光学材料及功能器件研究，发表SCI期刊论文200余篇，获国家自然科学基金杰青、军科委卓青、全国先进科技工作者、国家中青年科技创新领军人才、上海市技术发明一等奖（排名第一）、国防技术发明二等奖（排名第一）、美国陶瓷学会硅酸盐技术创新领袖奖、上海市青年科技杰出贡献奖等。是首批科技部重点研发计划项目的首席科学家，国际玻璃学会（ICG）技术委员会执委、中国光学学会光学材料专委会主任。
王顺宾，哈尔滨工程大学副教授，博士生导师。于吉林大学微电子学与固体电子学专业取得理学博士学位。主要研究方向为稀土掺杂发光材料、特种玻璃及光纤制备、中红外光纤激光器、光纤光栅等。担任中国光学学会纤维光学与集成光学准也委员会青年委员及《发光学报》青年编委。近5年以第一/通讯作者发表论文30余篇，申请发明专利20余项。主持国家自然科学基金委重大项目课题1项、国家自然科学基金青年项目1项、省部级项目多项。
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