《Optics & Laser Technology》：Highly flexible liquid light guide rod for extended-spectrum and high-power mid-infrared laser delivery
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中红外液体光纤在4 μm以上实现8.7 W高功率传输，采用As-S-Se-I液态玻璃芯和柔性聚合物包层，突破传统有机液体截止波长限制，弯曲半径1.4 cm仍保持2.7 W输出。
唐伟|王翔|焦凯|吴宇|杨若琪|冯杰|高如健|吕舍琴|王荣平|李平雪|弗拉基米尔·希里亚耶夫|王勋西
中国宁波大学先进技术研究院红外材料与器件实验室，宁波315211
摘要
传统的有机液体光导通常仅限于3微米以下的波长，这严重限制了它们在中红外（MIR）光子学和高功率激光传输中的应用。在这里，我们展示了一种具有芯-包层结构的柔性MIR液体光导棒，该结构同时扩展了液体光导器件的工作带宽和功率处理能力。核心是一种室温下的类液体硫属玻璃，属于As–S–Se–I体系，具有宽的红外传输窗口、高折射率和优异的热稳定性。使用这种液体玻璃作为核心，柔性聚合物作为包层，该光导棒实现了2.5至7微米的传输范围，从而弥合了MIR区域（超过4微米）液体光导长期以来存在的性能差距。在1.55、2.94和4.5微米波长下的功率传输实验表明，输入功率超过8.7瓦时仍能保持稳定的导光性能。即使在1.4厘米的紧密弯曲半径下，该器件仍能保持2.7瓦以上的输出功率，实现了高功率处理和机械柔性的前所未有的结合。这项工作为MIR光子学引入了一种新的液体芯波导平台，并为医疗、工业和传感应用中的下一代高功率MIR传输奠定了坚实的基础。
引言
中红外（MIR）波段的高功率激光在医学、工业和国防领域提供了许多独特的机会。例如，2.94微米的Er:YAG激光被广泛用于精密手术，其强大的水吸收能力能够实现微米级热损伤的精确消融[1]。同时，3–5微米波段的可调高功率光源与许多聚合物、陶瓷和复合材料的固有吸收带重叠，使得消融效率更高，切割质量优于传统的CO2激光，从而推动了微制造和材料加工的进步[2]。此外，3–5微米波段位于大气传输窗口内，使得MIR激光在自由空间光通信、定向能量反无人机系统以及远程光检测和测距（LIDAR）中具有吸引力。
在这种情况下，能够通过棒状波导（如光纤或光导棒）高效且稳定地传输高功率MIR辐射是一个关键性能指标，直接影响现代光子学、生物医学和国防系统。在现有的波导平台中，基于氟化物和硫属玻璃的红外光纤因其宽的透明窗口和在MIR区域的低衰减而受到了广泛关注。例如，单模Ge–As–S光纤在6.2瓦泵浦功率下在4.5微米处实现了约2瓦的输出[3]。然而，进一步的功率提升往往会导致端面烧蚀和灾难性损坏。一种直接的方法是增加波导直径，从而降低功率密度[1]。但这不可避免地牺牲了机械灵活性，并使得在紧凑或曲折的几何形状中的部署变得复杂。此外，传统玻璃材料的固有脆性和有限的机械强度使得大芯光纤在反复弯曲或紧密布线时容易断裂，严重限制了操作稳定性和器件寿命。因此，实现大芯、高柔性的光导棒，能够进行稳定的高功率MIR传输，仍然是一个核心的技术挑战。
液体芯光导棒为传统的固体芯波导提供了一个有前景的替代方案[4]、[5]、[6]。这些结构通常由高折射率的液体核心和低折射率的固体包层（例如氟聚合物、聚丙烯或石英）组成，通过全内反射来限制光。与固体相比，液体通常具有更高的比热容和导热性，从而增强了散热能力并提高了激光损伤阈值。因此，液体光导棒可以缓解固体波导在高功率运行下的常见故障模式，如端面烧蚀、核心结晶和包层退化。同时，它们的机械灵活性远超过直径相当的固体光导，允许在高度弯曲或空间受限的环境中实现稳定的传输[7]。这些特性使得液体光导在包括内窥镜手术[8]、[9]、光疗和微创诊断[10]在内的生物医学应用中特别具有吸引力。尽管有这些优势，现有的液体光导技术仍面临几个根本性的限制。首先，许多传统的液体核心（例如水[11]、[12]或CCl4/CS2混合物[13]、[14]）的折射率（n ≈ 1.3–1.6）与常见的包层材料相当，导致折射率对比度小、临界角大、泄漏严重以及包层选择受限。其次，刚性石英包层要求较大的弯曲半径，限制了灵活性和集成性。最关键的是，有机液体具有与C–H和O–H键相关的强振动吸收带，这限制了它们的红外截止波长在3微米以下（表1）。因此，传统的液体光导从根本上不适合MIR和远红外（FIR，>4微米）传输。
为了克服这些固有的限制，我们探索了低玻璃转变温度的无机As–S–Se–I硫属玻璃作为室温MIR液体芯材料。通过系统地调整S/Se比例，我们找到了在接近30°C时仍保持液态和热稳定性的组成。基于这种材料平台，我们通过将室温硫属玻璃核心与柔性聚合物包层结合，实现了一种液体芯光导棒，从而解决了液体光导器件在4微米以上波长的长期光谱间隙问题。在1.55、2.94和4.5微米波长下的激光传输实验确认了稳定的高功率导光性能，而弯曲测试则展示了毫米级的灵活性和瓦级输出。热特性进一步验证了液体核心在高功率运行下的稳健性。总之，这些结果介绍了一种新的液体芯波导平台，结合了大芯尺寸、机械灵活性和MIR透明度，为下一代高功率中红外光导器件提供了实用的途径。
部分摘录
液体宿主玻璃成分的探索
为了确定硫属体系中的液态形成成分，使用高纯度原料（As、S、Se、I；6 N）合成了一系列不同硫硒比例的玻璃。在装载之前，石英安瓿在王水中浸泡12小时以去除表面金属离子污染物，然后用去离子水彻底冲洗，并在220°C的真空烤箱中干燥24小时。为了避免氧化，所有称重和配料过程都在
类液体玻璃的光学性质
使用红外椭圆偏振仪（IR-V ASE MARK II，J.A. Woollam Co.）测量了G4、G5、G7、G8、G9和G10玻璃的折射率，如图4(a)所示。结果表明，折射率n随硒浓度的增加而单调增加。这种行为受组成元素的密度、离子极化率和电子云分布变化的影响[22]。硒的原子半径大于硫，Se2?离子表现出显著更高的
结论
在这项工作中，我们系统研究了低Tg As–S–Se–I玻璃系统中硫硒比例调制的效果，并在此基础上开发了一种新型的中红外液体光导棒。我们发现，增加硒含量可以提高玻璃的转变温度和折射率，而较高的硫比例则有利于在室温下保持液态。包括质量损失、密度和拉曼分析在内的全面热特性分析证实了
CRediT作者贡献声明
唐伟：撰写——原始草稿，正式分析，数据管理，概念构思。王翔：撰写——审稿与编辑，监督，方法学，正式分析。焦凯：撰写——审稿与编辑，监督，方法学。吴宇：方法学，正式分析。杨若琪：方法学。冯杰：方法学。高如健：数据管理。吕舍琴：监督。王荣平：监督。李平雪：监督。弗拉基米尔·希里亚耶夫：监督。王勋西：监督。
资助
这项工作得到了中国自然科学基金（项目编号：U22A2085、61705091、62205163）、浙江先进光学功能材料与器件重点实验室开放项目（KLPMD2504）、浙江省自然科学基金（LQN26F050001、LY24F050002）、浙江省“十万人才计划”、宁波市“领军和顶尖人才培训项目”以及浙江省教育厅科学研究基金的财政支持
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
