近日，我室硕士研究生丁胜杰（第一作者）和戴世勋研究员（通讯作者）在Ceramics International期刊上发表了题为“High-performance acousto-optic modulator based on environmentally favorable Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅ chalcogenide glass”的论文(Ceramics International.2021, 47 (21),30343-30348. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.07.214)。

       近年来，以激光为载体的光调制技术被大量研究。其中，声光调制器（AOM）由于结构简单，调制效果好，已经在工农业等信号处理领域得到广泛的应用。作为典型的声光（AO）材料之一，硫系玻璃因其极高的声光品质因数（M₂值）、超宽的透过窗口、优良的热力学稳定性、各向同性以及易于加工、价格低等诸多优点使得其在声光器件制备中极具优势。然而，传统的硫系玻璃如As₂S₃、As₂Se₃相对较低的玻璃转变温度（分别为Tg = 185°C和Tg = 178°C）限制了其作为商用声光器件的应用，而高Tg（Tg = 561°C）的Ga-La-S硫系玻璃又由于相对较小的折射率和较高的声速使得其M₂值较低（M₂ = 19 × 10^-15 s³/kg），最终导致其制备的声光调制器在1.2 W 的高驱动功率下，仅获得40%的衍射效率。此外，美国的Amorphous公司生产的型号为AMTIR-1 (Ge₃₃As₁₂Se₅₅)硫系玻璃已经被证明具有优异的声光性能，且IntraAction公司使用该组分玻璃制备的AOM已经对外商业出售，但正如同样很有应用前景的AO硫系玻璃As₂S₃、As₂Se₃一样，这类玻璃组分含有毒元素砷(As)，因此在玻璃样品的制备、加工和性能测试过程中存在安全隐患，特别是当此类调制器工作在高激光功率下， AO介质可能会受热蒸发气化，而这些气化的气体对人的健康极为有害。相比之下，环保型Ge-Sb-Se硫系玻璃体系由于采用同主族锑(Sb)取代了高毒性的As而更适用于AO介质。该玻璃体系同样具有硫系玻璃的上述优点，且已在红外传感、红外成像、能量传输、非线性光学等集成光电子领域表现出广阔的应用前景。然而，对Ge-Sb-Se硫系玻璃的AO性能研究还未见报道。本文选择了一款常用于波导和光纤光学设计的Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅玻璃组分用于制备AOM，测量了该玻璃的结构、热力学、光学和AO特性。结果表明，Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅玻璃具有宽的红外透过窗口、高的玻璃转变温度和机械强度。特别是其超高的M₂值（M₂ = 407 × 10^-15 s³/kg）约为熔融石英玻璃的270倍，使得其在AO器件的设计中极具吸引力。文章介绍了采用Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅玻璃作为AO材料制备AOM的原理，并在控制1550 nm激光束和超高声频160 MHz和极低的驱动功率0.25 W的条件下获得了高衍射效率的73.4%。据我们所知，本文是Ge-Sb-Se硫系玻璃AOM的初步试验结果的首次报道。该设计填补了Ge-Sb-Se硫系玻璃在AO器件中的应用空白，为将来AOM的商业应用提供了有价值的参考。

图1: (a)Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅声光调制器的结构原理图 (b) Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅声光调制器的产品实物图

图2: (a)衍射效率随射频功率的变化 (b) 衍射偏转角随射频频率的变化。