中红外波段（2.5~15 μm）包含重要的大气传输窗口，覆盖多种化学、生物分子吸收峰，在激光通信、环境检测、生物医学等领域有着广泛应用^[1]。此外，中红外激光在军事国防领域具有重要的应用价值，而光纤作为一种中红外激光产生、频率转换、传输介质，不仅可以提高产生或转换效率，而且可以使光学系统更加紧凑、便携。因此，中红外光纤的研究是中红外领域发展的一个重要突破口。

目前，石英基实芯光纤因传输损耗低、制备技术成熟等特点应用最为广泛，但由于它的光谱范围受石英透明窗口（约500~2000 nm）的限制，不适用于中红外波段。而以氟化物玻璃、硫系玻璃等软玻璃材料为基底的光纤虽具有宽导光窗口、低传输损耗等特点，但制备要求和难度与石英光纤相比相对较高^[1]。

1999年，微结构空芯光纤的出现为光波传输提供了一种全新的导光机制。它通过构建包层结构将光波约束在空气纤芯区域，可以强烈地抑制光学模场与玻璃材料之间的重叠，这意味着即使是由高损耗材料制成的光纤也可以提供低损耗的光传输。这一特性为石英基空芯光纤在中红外波段的应用打下了坚实的基础，也为软玻璃基空芯光纤在中红外领域的发展提供了一个新的思路。同时，空芯光纤还具有低非线性、低延迟、低色散、高损伤阈值等优点，使其更具吸引力。

文中详细综述了中红外空芯光纤技术的研究进展，分别介绍了石英基中红外空芯光纤和不同软玻璃基中红外空芯光纤的性能、拉制方法、应用前景，并对石英基中红外空芯光纤的结构设计方法给出了指导原则，最后对中红外空芯光纤的发展趋势进行了展望。

由于石英在2.5 μm及以上波长处会迅速变得不透明，吸收损耗急剧升高^[2]。从材料吸收的角度看，石英并不能成为中红外光纤制备材料的最佳选择。但随着空芯光纤的出现，石英基空芯光纤引导中红外不仅被证明是可行的，而且拉制技术更成熟，成品光纤质量更有保障，甚至可能是更好的选择。因此，该部分详细描述了石英基中红外空芯光纤的发展历程及未来趋势。

光子带隙光纤包层为二维的光子晶体结构，由周期性排列的石英柱相连形成网状阵列，产生光子带隙效应。当中心区域去除7个或19个周期结构后，在一定波段范围内的光被限制在中心的缺陷中，无法泄漏到包层，从而在纤芯中长距离传输^[3]。

2005年，赫瑞瓦特大学J. D. Shephard等人首次报道了拉制的石英基光子带隙光纤（如图1（a）所示），在3.14 μm波长处的损耗为2.6 dB/m^[4]。且仿真表明，通过进一步的结构优化可以实现低于1 dB/m的损耗，扩展了石英基单模光纤在中红外的波长范围，在化学和生物传感领域有很大的潜在应用价值^[4]。

图  1  (a)扫描电子显微镜照片和光谱的归一化图^[4]；(b)扫描电子显微镜照片和光纤损耗谱^[5-6]

Figure 1.  (a) Scanning electron microscope photographs and normalized plot of the spectrum^[4]; (b) Scanning electron microscope photograph and fiber loss spectrum^[5-6]

2012年，赫瑞瓦特大学A. Urich等人拉制的石英基光子带隙光纤（如图1（b）黑线所示）在2.9~3.15 µm 波段内实现了1.2 dB/m的平均损耗，首次证实了具有传输2.94 µm波长的高能微秒脉冲铒激光的能力^[5]。这一技术有潜力应用于激光手术中，替代现有的关节臂和大芯径光纤，从而实现更高的灵活性服务于微创手术^[5]。

2014年，南安普顿大学Natalie V. Wheeler等人报道拉制的19芯光子带隙光纤（如图1（b）红线所示）具有3.1~3.7 µm中红外导光窗口，在波长3.33 µm处的损耗低至0.13 dB/m，比此前报道的光子带隙光纤降低了一个数量级，该波段还表现出了非常低的弯曲损耗^[6]。并首次证实了通过气体吹扫可以成功去除空芯中的HCL，使3.3 µm波长处的损耗降低到0.05 dB/m，在气体传感、手术等领域有很大的应用前景^[6]。

自2011年以来，反谐振空芯光纤进入了人们的视野，反谐振空芯光纤包层由特定厚度的石英薄管或石英薄片组成。当石英管厚度满足横向光场在其中相干相消时，形成反谐振效应，光被泄漏到纤芯中，在纤芯中以泄漏模形式传输，这与光子带隙、全内反射效应形成的导模在机理上就有很大的差别。之后的研究表明，只要石英薄管层数足够多，也可以实现超低损耗传输，并且由于石英薄管可以组成内凹的纤芯结构，可以将纤芯基模与玻璃材料之间的重叠系数降低一个数量级以上，实现更低的表面散射损耗和更高的激光损伤阈值，在中红外波段具有更大的发展潜力^[7]。

2012年，巴斯大学于飞等人报道拉制了一款冰淇淋型反谐振空芯光纤（如图2所示），可以在2.9~3.85 µm波段实现中红外宽带传输，其中在3.05 µm波长处损耗低至 34 dB/km^[8]，且当弯曲直径大于40 cm时弯曲损耗不会显著影响透射光谱^[8]。次年，该团队对此类型光纤的结构和尺寸进行了进一步研究，在4 µm波长处实现了85 dB/km的损耗^[9]。这两个实验结果为石英基反谐振空芯光纤在中红外波段的研究与发展奠定了基础。

图  2  扫描电子显微镜照片和光纤损耗谱^[9]

Figure 2.  Scanning electron microscope photograph and fiber loss spectrum^[8]

2013年，俄罗斯科学院Anton N. Kolyadin等人报道拉制了一款包层由八个互相不接触的毛细管组成的单圈反谐振空芯光纤（如图3所示）。在2.5~7.9 µm波段拥有多个传输窗口，最小损耗水平为4~5 dB/m。即使在7.7 µm波长处的损耗高达50 dB/m，但相比于石英基实芯光纤至少降低了三个数量级，证实了纤芯模式与包层结构非常弱的耦合^[10]。得益于此，反谐振空芯光纤对中红外波段的光引导具有巨大的潜力。该团队还分析了实验测得的损耗（红线）比仿真计算的损耗（橙线）高很多的原因，是由于多模波导机制的存在。包层空气孔与纤芯直径的比例偏小，使得光纤支持高阶模，因此不完美的耦合条件会激发高阶模。此外，随着波长减小，不同模式R_e (n_eff )的值变得更接近，更容易发生模态间相互作用，这些都导致总损失增加。因此，优化光纤结构从而降低所需波段的损耗水平是很有必要的^[10]。

图  3  （a）扫描电子显微镜照片和（b）光纤损耗谱^[10]：实验测得传输损耗（红线），仿真基模传输损耗（橙线）

Figure 3.  (a) Scanning electron microscope photograph and (b) fiber loss spectrum^[10]: Experimentally measured transmission loss (red line), simulated fundamental mode transmission loss (orange line)

虽然石英材料吸收损耗随着波长的增加而快速增加，但可以通过减少模场与二氧化硅的重叠来最小化。2019年，巴斯大学于飞等人发现在最低阶反共振条件下，即当包层管壁厚最薄时对应这种重叠最小，而对于更高的共振，这种重叠与壁厚成正比^[2]。于是，他们调整了单圈反谐振空芯光纤的参数，拉制出的光纤（如图4所示）壁厚为0.63~0.91 µm。在3.1 µm波长下测得的最小损耗为18 dB/km，这是一个创纪录的低值，大幅降低了二氧化硅材料吸收的限制。而在4 µm波长处损耗为40 dB/km，对应2.81×10⁻⁵的模态重叠，与仿真数据吻合，因此可以用仿真手段预测更长波长处的损耗^[2]。想要进一步降低损耗还可以增大纤芯的尺寸，这一工作对未来中红外单圈反谐振空芯光纤的设计与应用提供了一定的理论支撑。

图  4  （a）扫描电子显微镜照片；（b）光纤损耗谱^[2]

Figure 4.  (a) Scanning electron microscope photograph; (b) Fiber loss spectrum^[2]

2020年，南安普顿大学I. A. Davidson等人报道拉制了一款纤芯为132 µm、外径为358 µm的单圈反谐振空芯光纤（如图5所示），在一阶反谐振窗口（4.3~5.2 µm）的传输损耗是当时最低的，其中在4.5~4.7 µm范围内小于1 dB/m，在4.68 μm处最小为0.7 dB/m^[11]。虽然 2.5~2.9 µm和4.15~4.35 µm两波段内分别有水和二氧化碳的吸收峰，但可以通过气体吹扫消除^[11]。同时，对该光纤进行弯曲灵敏度测量发现，在0.32 m直径下盘绕时，尽管损耗增大，它在4.6~4.9 µm波段仍能导光^[11]。这是一个十分有意义的结果，证明通过优化设计可能实现该波段弯曲损耗的降低，从而扩宽其应用前景。

图  5  (a)传输谱和损耗谱；(b)不同弯曲直径传输谱；(c)弯曲损耗；(d)扫描电子显微镜照片^[11]

Figure 5.  (a) Transmission and loss spectra; (b) Transmission spectra for different bending-diameters; (c) Bending losses; (d) Scanning electron microscope photograph^[11]

2018年，多层反谐振空芯光纤进入了人们的视野，其中连体管反谐振空芯光纤在1512 nm波长处的损耗达到2 dB/km^[12]。经过结构的不断优化和损耗的不断降低，2022年的双层嵌套管结构实现了0.174 dB/km的超低损耗，与石英基实芯光纤的损耗相当^[13]。此外，还保留了空芯光纤宽带和低模场-玻璃重叠的特性，为空芯光纤在中红外领域的发展提供了一个新的结构设计思路。

2019年，华沙大学Mariusz Klimczak等人报道拉制了一款嵌套反谐振空芯光纤（如图6所示）。实验证明，该光纤可以实现在3.5~4.2 µm的中红外波段传输^[14]。且当弯曲半径为40 mm时，4 µm波长处的弯曲损耗为0.5 dB/m，弯曲半径为15 mm时，弯曲损耗为5 dB/m^[14]。由此可见，嵌套反谐振空芯光纤在中红外波段具有较高的抗弯曲性能，为以后嵌套反谐振空芯光纤在中红外领域的研究与应用提供了实验依据。

随着空芯光纤在中红外波段的不断发展进步，可以得到一个清晰的结论，在短波长处限制损耗是损耗的主导因素，而在中红外波段，吸收损耗占主导地位。因此，进一步探索降低吸收损耗的方法，对拓宽空芯光纤中红外波段的导光窗口、降低光纤损耗具有重要意义。

图  6  (a)扫描电子显微镜照片；(b)有限元方法仿真限制损耗谱；(d)传输谱；(c)、(e)弯曲损耗谱^[14]

Figure 6.  (a) Scanning electron microscope photograph; (b) Finite element method simulation of the fiber confinement loss; (d) Transmission spectra; (c), (e) Bending loss spectrum^[14]

为进一步研究光纤结构对中红外波段传输损耗性能的影响，笔者团队在南安普顿大学Fokoua等人^[15]对材料吸收损耗分析的基础上展开了进一步的仿真和分析。空芯光纤的吸收损耗与纤芯的尺寸、波长和包层的设计有关^[15]，因此，在固定纤芯半径、壁厚与波长比例的前提下，对嵌套管结构和单圈结构的空芯光纤进行了吸收、限制损耗的仿真，并进行对比分析。

仿真时设两款光纤的纤芯半径与波长的关系为：

式中：a为纤芯半径；$ \mathrm{\lambda } $为波长。

壁厚t与波长$ \mathrm{\lambda } $的关系参考反谐振波长公式为：

式中：$ {\mathrm{\lambda }}_{\mathrm{m}} $为反谐振波长；t为毛细管壁厚；n为折射率；m为常数（$0,1, 2 \cdots $）。

因此，纤芯半径和壁厚是随波长不断变化的。例如，波长为2.5 µm时对应纤芯半径为37.5 µm；波长为4 µm时对应纤芯半径为60 µm。限制损耗和吸收损耗的仿真结果如图7所示，图中，NANF为嵌套管反谐振空芯光纤，Single-ring为单圈反谐振空芯光纤。

图  7  限制损耗谱和吸收损耗谱。(a)紫线为Heraeus F300石英损耗谱；蓝线、黑线重叠为NANF和Single-ring的吸收损耗谱，红线、绿线分别为Single-ring和NANF限制损耗谱；(b) Single-ring和NANF总损耗谱

Figure 7.  Confinement loss spectra and absorption loss spectra. (a) The purple line is the Heraeus F300 silica glass loss spectrum; the blue and black overlapping lines are the absorption loss spectra of NANF and Single-ring, and the red and green lines are the Single-ring and NANF confinement loss spectra, respectively; (b) The total loss spectra of Single-ring and NANF

由图7(a)的仿真结果可以清晰地看到，石英基空芯光纤的吸收损耗（蓝线和黑线）比石英的吸收损耗（紫线）降低了四五个数量级，再一次印证了前文提到的“由高吸收损耗材料制成的空芯光纤可以实现低损耗传输”的结论。同时可以清晰地看到，参数比例相同的单圈空芯光纤和嵌套管空芯光纤的吸收损耗曲线（蓝线和黑线）几乎是重叠的。对于嵌套管结构，总损耗基本取决于吸收损耗（蓝线）；对于单圈结构，在3.5 µm以下波段由吸收损耗（黑线）和限制损耗（红线）共同作用，而在3.5 µm以上波段，限制损耗已经不是损耗的主导因素，吸收损耗占主导地位。由图7(b)可以更明显地看出，随着波长的增大限制损耗更加被弱化，总损耗的差距会越来越小。值得注意的是，上述分析是以固定了${a}/ {\lambda }=15 $为前提的。如果继续增大$ {a}/ {\lambda } $，单圈结构与嵌套管结构的损耗曲线将在更短波长处趋于重叠。从应用的角度可以得出总的设计原则：长波长区域两者损耗相差很小，但单圈空芯光纤拉制技术更加成熟，拉制步骤更为简单，因而选择单圈空芯光纤更为合理，短波长则用嵌套管结构可以得到更低的损耗。注意这里的仿真只针对光纤的传输损耗，如果加入弯曲损耗的影响，情况将更为复杂。因此，针对特定的应用需求，需要做定制化仿真设计，给出最优的结构参数。

石英基中空芯光纤的出现和发展，克服了石英材料在中红外波段的材料吸收，并随着结构的优化和发展，传输损耗不断降低，导光窗口不断拓宽，同时弯曲损耗也随之不断降低，为中红外光传输提供了一种新的选择。

由于很多软玻璃材料相对于石英而言在中红外波段具有更高的透射率，随着空芯光纤的不断发展和成熟，陆续出现了多种软玻璃基空芯光纤。这类光纤因在中红外波段能提供带宽更宽、波长更长的导光窗口而受到了越来越多的关注。该部分将对以硫系玻璃为主的软玻璃基空芯光纤在中红外波段的发展进程、研究现状、应用前景进行较为详细的总结。

硫系玻璃具有声子能量低、红外透射波段宽、物理化学性能相对稳定以及良好的成纤性能等优点^[16]，成为制造中红外光纤的关键材料之一。但硫系实芯光纤损伤阈值较低，很容易被激光破坏，因此制备硫系反谐振空芯光纤并应用于中红外领域是一项十分有意义的工作。

2014年，俄罗斯科学院 Shiryaev等人研究了硫化亚砷玻璃粘性随温度的变化规律，确定了制备预制件的最佳温度条件，首次制备了硫化亚砷玻璃基具有8个和10个接触包层毛细管的反谐振空芯光纤，在4.8 μm和2.7~3.4 µm处的最小损耗分别为3 dB/m和1.2 dB/m^[17-18]。 这两种光纤都是用“叠拉”法制成的，即先在拉管塔上拉制特定尺寸的毛细管，再将毛细管按照设计的结构进行堆叠，加热使毛细管融合到外层玻璃管上，在拉管塔上拉制出预制件，再在光纤拉丝塔上将预制件拉制成光纤。在光纤拉制过程中，需要对微结构进行充气以保持相应的结构，但该方法面临着高制造公差的挑战。

2016年，美国海军研究实验室Gattas等人为了提高性能，采用了“挤压-拉伸”的方法，即用玻璃挤压机在玻璃融熔环境下进行挤压，当玻璃被挤压进定制的模具后，形成与模具相对应的微结构，再将微结构预制件放到拉丝塔上进行拉制。制备了一种具有8根非接触包层毛细管的硫系反谐振空芯光纤，在4.7 μm处获得了1.763 dB/m的低光纤损耗^[19]。但由于挤压模具的限制，所报道的反谐振空芯光纤有断点，并不是最优化的结构^[20]。因此，尽管硫系反谐振空芯光纤在理论上表现出极低的吸收损耗，但解决不完善的光纤结构引起的损耗增加也是一项很重要的工作。

2021年，法国雷恩第一大学Carcreff等人首次采用3D打印技术制备硫系玻璃（Te₂₀As₃₀Se₅₀）光纤预制件，进而成功拉制出反谐振空芯光纤，并在2~12 µm的中红外范围出现了多个传输窗口^[21]。尽管在制备过程中存在的一些问题，使得最终的实验结果与仿真结果有偏差，但可以通过使用高光学质量的原始玻璃、在受控条件下印刷预制棒以及在光纤拉锥过程中更好地控制几何参数等方式降低损耗。这些结果为制备硫族化物和其他软玻璃基组件以及其他类型的光波导或透镜开辟了一条新途径^[21]。

2023年，中国科学院西安光学精密机械研究所张豪等人用“叠拉法”和双气路压力控制技术相结合的方法（双气路压力控制技术是指在拉制过程中对纤芯和包层空气孔充不同压力的气体，从而使管光纤结构更加对称），制备了一种具有7根接触包层毛细管的硫系（As₄₀S₆₀）玻璃基反谐振空芯光纤，并从理论和实验上证明了这种介质在中红外波段表现出高阶模式抑制特性和几个低损耗导光窗口，其中在4.79 μm处测量的光纤损耗低至1.29 dB/m。该结果也为中红外波段各种硫系反谐振空芯光纤的制备和应用奠定了基础^[16]。

由于硫系玻璃具有较差的机械强度和较陡的粘温曲线^[22-23]，因此拉制结构均匀的硫系反谐振空芯光纤还需要不断探索合适的拉制方法；同时大部分的硫系光纤制备材料中都使用了As，因此不适用于侵入医学检测。这也为其他软玻璃基中红外空芯光纤的研制和发展提供了突破口。

碲酸盐玻璃具有宽的红外透射区(0.35~6 µm)、高的热稳定性和良好的耐腐蚀性^[24]。 2019年10月，丰田技术研究所Hoang Tuan Tong等人报道了成功拉制的具有6个非接触包层管的亚碲酸盐反谐振空芯光纤，并首次对其透射和偏振特性进行了仿真和实验研究。当 2.1 µm的输入光为线性偏振时，通过 17 cm长的光纤传播后可以保持线偏振态^[25]。尽管受限于激光源当前的工作范围，它的传输范围仅扩展到 3.9 µm，但仿真结果显示，通过优化结构和拉制工艺有望扩展到 6 µm 左右^[25]。这为中红外反谐振空芯光纤的发展和气体拉曼的研究拓宽了思路。

2020年9月，斯科尔科沃科技学院Stanislav Perevoschikov等人首次报道拉制了一款硼硅酸盐软玻璃基空芯光纤，拥有400~6.5 μm可见光和中红外波段的导光窗口，近红外（0.8~1 µm）和中红外（2~4 µm）导光窗口最小损耗分别为0.6 dB/cm和1 dB/cm^[26]。尽管在中红外波段损耗很高，但通过对光纤结构的进一步优化可以降低损耗并扩大其波长范围，为中红外空芯光纤的制备提供了一种新的材料选择^[26]。而硼硅酸盐无毒的特性使其有望成为基于空芯光纤的传感器的候选材料，应用于化学和生物医学等领域。

近年来，以硫系为主的软玻璃基中红外空芯光纤凭借具有较宽的中红外导光窗口得到了诸多研究者的关注（如表1所示）。但由于软玻璃材料的熔点较低，拉制时可调节的温度范围很窄，容易析晶，拉制出的软玻璃基空芯光纤存在结构不均匀、长度有限等问题。不断探索更适用于软玻璃基空芯光纤的拉制方式，不断提升光纤品质，是这一领域正在努力的研究方向。

与中红外实芯光纤相比，中红外空芯光纤克服了石英材料在中红外波段的材料吸收，拓宽了石英基光纤的导光窗口，实现了低损耗的中红外光传输；低色散、低延迟、低非线性、高损伤阈值等特点使其在中红外激光领域具有更大的优势。尽管中红外空芯光纤的弯曲损耗随空芯光纤结构的迭代和优化在不断降低，但仍与实芯光纤有一定的差距，这也将是今后中红外空芯光纤领域的一个重要研究方向。

就目前而言，中红外空芯光纤在中红外激光产生与传输、生物医学传感、通信等领域具有广泛的应用价值。除石英材料外，多种软玻璃材料（例如硫系玻璃、碲酸盐玻璃）具有低材料吸收等本征特性，也为中红外空芯光纤的制备提供了更多的材料选择。相对于其他软玻璃基空芯光纤，对石英基和硫系中红外空芯光纤的研究更加普遍和深入，因而被着重讨论。相对于石英，硫系玻璃在中红外透射窗口更宽，总结现有工作也可以发现石英基中红外空芯光纤的导光通带普遍在2.5~5 µm范围内，而硫系中红外空芯光纤可以达到12 µm左右，因而在大于5 µm的长波波段用硫系中红外空芯光纤更为适合。但硫系空芯光纤仍存在拉制工艺不成熟等问题，拉制出的光纤普遍壁厚较厚，长度较短，这意味着光纤需要工作在高阶反谐振带，对应的导光通带变窄，并无法满足长距离应用的需求。而石英基空芯光纤拉制工艺更为成熟，化学稳定性更好，对于2.5~5 µm范围的中短波波段无疑是更好的选择。通过结构不断优化、拉制工艺的不断精进，石英基中红外空芯光纤的导光窗口有望拓展到更长的波长，如南安普顿大学Fokoua通过仿真预测的石英基空芯光纤甚至可能可以在7 µm波长工作，当纤芯直径为200 µm、壁厚为2.3 µm时，光纤的吸收损耗仅为1.4 dB/m。

笔者团队对相同参数的石英基单圈结构和嵌套管结构的吸收损耗和限制损耗进行了仿真，结果再一次证实了在3.5 µm后的中红外波段吸收损耗成为损耗的主导因素，而限制损耗随波长的增大被弱化。从应用的角度而言，在3.5 µm之前的中红外波段，嵌套管结构的损耗更低、更为合适；而在3.5 µm之后的波长段，二者总损耗相差越来越小，用单圈结构则更为合理。

在未来，中红外空芯光纤的发展也将继续不断提升拉制技术，优化光纤结构进而拓宽导光窗口，降低损耗并应用于各个领域。