本室研究生闫思雯（第一作者）和王训四研究员（通讯作者）等完成了题为“Microsphere-lensedchalcogenidefibersforhighlyefficientandalignment-tolerantmid-infraredcoupling”的研究论文。

文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0346049

       中红外波段在分子指纹识别、气体传感、医疗诊断、环境监测以及自由空间和光纤通信等领域具有重要应用价值。然而，中红外光纤与激光器、探测器等有源器件之间的高效耦合仍面临突出挑战：波长较长、模场直径较大，集成微光学元件缺乏，传统耦合方案往往插入损耗高、发散角大、对准容差极小。同时，硫系光纤与空气之间折射率差较大，端面菲涅尔反射会带来光反馈、耦合稳定性下降和额外功率损耗。现有熔接方案虽可实现低损耗连接，但受限于同材质且不可重构；对接耦合灵活可拆卸，却对失配极其敏感；自由空间耦合则增加系统复杂度和体积。尽管近红外已有多种微透镜光纤耦合方案，但中红外波段、尤其是与高性能硫系光纤结合的全光纤微透镜耦合仍鲜有探索。

       针对上述问题，本文提出并实验验证了一种微球硫系光纤。该器件通过直接熔融重塑硫化砷（As₂S₃）光纤端面形成微球结构，利用微球界面引入的光场变换，同时实现输入耦合增强和输出光束聚焦。与传统的异质光纤熔接或拼接无芯光纤再成球方案不同，该方法直接在多模硫系光纤端面进行热成型，避免了拼接引入的插入损耗，也简化了制备流程。曲面端面还可将反射光偏折离开光纤轴线，从而抑制有害光反馈，无需额外抗反膜或复杂封装。

图1. (a)ABCD理论示意图; (b)仿真建模; (c)仿真结果。

       在建模与设计方面，作者采用ABCD矩阵形式对高斯光束经微球界面的传播、波前曲率和聚焦位置进行一阶分析，并通过Zemax光线追迹进行验证。图1(a)展示了微球透镜光纤与高斯光束的耦合示意，图1(b)仿真建模，图1(c)给出了不同微球直径下的模拟耦合效率。模拟结果表明，耦合效率从微球直径280μm时的49.8%增至380μm时的54.6%，继续增大至420μm仅微增至54.7%，接近饱和；同时更大直径会降低球形轮廓和过渡区可控性，因此选择380μm作为兼顾性能与重复制备的实用直径。

图2. (a)微球光纤三视图; (b) 光纤耦合测试系统 (c)偏置示意图; (d) 1.55μm测试; (e) 4.7μm测试

       图2(a)给出了微球透镜光纤的三视图显微图像，图2(b)为1.55μm耦合测试系统，图2(c)定义了轴向、角向和径向偏移。图2(d)和2(e)分别给出了1.55μm和4.7μm下微球透镜光纤与平端光纤的耦合效率对比。在1.55μm下，随着轴向间距增大，两种光纤耦合效率均下降，但MLF始终更高，且优势在较大间距下更明显；在轴向分离3000μm时，MLF耦合效率为FEF的1.93倍。角向偏移下，MLF在0°~30°内下降较缓，40°时仍保持54%的效率，而FEF受自身数值孔径限制在0°~25°内快速下降。径向偏移下，偏移小于25μm时两者相近；但偏移增大后FEF迅速失效，而MLF在150μm偏移时仍保持约23.9%的耦合效率。在4.7μm下，MLF同样表现更优：轴向500μm时最大耦合效率达62%；在轴向偏移至1200μm范围内比FEF高1.5倍以上，径向偏移至80μm范围内高1.3倍以上，0°~45°角向范围内约高1.3倍，45°时仍保持20%以上效率。

图3. (b)不同L1点的光斑图像; (d)不同L2点的光斑图像; (c)(e)测量和模拟光斑尺寸

       为进一步表征微球结构的光场变换能力，作者还在互易的输出配置下测量了输出光束轮廓。图3(b)(d)为不同耦合距离和探测距离下的光斑尺寸，图3(c)(e)为实测与模拟对比。图4则对比了FEF与MLF的输出光斑图像及光斑直径。结果表明，FEF输出光斑随距离迅速发散，而MLF具有明显聚焦能力。在1.55μm下，MLF焦点直径降至162.6μm，FEF为679μm；在4.7μm下，MLF最小光斑直径仅为674.04μm，约为FEF的十分之一，后者对应约5382μm。输出方向的光束聚焦与输入方向的耦合增强，本质上是同一微球界面光场变换的互易表现。

图4. (a)(b)FEF和MLF的光斑图像; (c)(d)测量的光斑尺寸