突破中红外互连障碍：基于类液态硫系玻璃的高功率光学稳健粘接

为何更好的“隐形胶”对红外光很重要

许多默默支撑现代生活的技术——化学传感器、医学诊断工具、工业监测及军用系统——依赖我们看不见的光：中红外辐射。这类光非常适合探测气体、液体和固体，但构建紧凑且高功率的中红外器件却受到一个出乎意料的简单问题制约：如何在不大量损失光能或在高温下脱落的情况下把光学部件粘接在一起？

将红外光学件粘合在一起的挑战

中红外器件如特殊玻璃和晶体由于折射率高，会强烈偏折光。当光从一种材料进入另一种材料的边界处——比如从空气进入玻璃——会有部分光被反射回去，像窗户上的眩光一样。对于这些高折射率材料，这些反射会累积成巨大的损失，尤其是在透镜、窗口和光纤串联时。传统的光学胶，常用于可见光相机和显微镜，基于有机分子，它们在中红外波段有很强的吸收，并且折射率远低于这些致密的红外材料。结果是既有强吸收又有大量反射损失，使它们无法用于高功率中红外系统。

像理想光学胶一样表现的类液态玻璃

作者们开发了一种新的“类液态”硫系玻璃——一种由砷、硫、硒和碘等元素组成的无机材料——在室温下表现得更像黏稠液体，但经轻微加热和冷却后会转变为坚韧的固态玻璃。通过精细调整配方，他们制得的玻璃在室温以下即开始软化，约在120 °C时易于流动，折射率约为2.1，接近常见中红外光学材料。更重要的是，该玻璃在约2到12微米范围内高度透明，这是分子感测的关键波段。测试显示它可被拉伸、弯曲并拉制成型而不易开裂，并且在多次120 °C加热循环和数月空气暴露后仍保持化学稳定。

从概念到真正粘接的透镜与光纤

将这种类液态玻璃用作粘合剂，团队将不同的红外透镜和窗口粘接在一起，并测量了透过的光量。当他们用这种玻璃填充高折射率玻璃透镜与防反射涂层红外透镜之间的间隙时，总透过率从约36%跃升至91%——接近由最外表面所决定的理论极限。在另一种组合中，使用氟化钙和硫系玻璃透镜时，透过率从62%上升到83%。在两个波长的中红外激光功率承载测试中也观察到类似增益：粘接的透镜组比未粘接的透镜组输出功率大约提高了15–25%，并且在强照射下未见损伤。该粘合剂的机械强度可与常见商用光学胶相媲美，粘接件在符合军用标准的环境测试中仅出现极少的气泡形成。

将高功率红外光纤推向新极限

为展示其在更苛刻条件下的价值，研究人员构建了专用的红外光纤系统。他们对硫系玻璃光纤做了锥形加工，并将两端用类液态玻璃粘接到坚固的氟化钙“端帽”上。该设计先展开再重新收集激光束，从而避免裸露的高折射率玻璃表面直接暴露在空气中。在4.7微米波长下，粘接的光纤以约80%的效率传输平均功率超过11瓦，而未使用粘合剂时效率约为63%——相对提升约28%。在三个月、超过200次的加热-冷却循环中，透过率几乎未变，表明该粘接结构不仅高效，而且在超过100 °C的温度下具有热可靠性。

这对未来红外器件意味着什么

简而言之，这项工作引入了一种为中红外光量身定制的玻璃“超级胶”。它允许设计者将本来不匹配的光学部件连接起来，同时大幅减少反射损失、经受高功率激光并在反复加热冷却后保持稳定。通过把脆弱的光学界面转变为强健、低损且耐久的连接，这种类液态玻璃为更小型、更高功率且更可靠的红外仪器打开了大门，使得化学传感、医学诊断、环境监测和国防等领域中每一个额外的光子和每一瓦额外传输功率都能在现实应用里转化为更好的性能。

引用: Wang, X., Xiao, F., Du, Y. et al. Breaking the mid-infrared interconnection barrier: a robust bonding for high-power optics based on liquid-like chalcogenide glass. Light Sci Appl 15, 139 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02098-0

关键词: 中红外光学, 硫系玻璃, 光学粘合剂, 高功率光纤传输, 红外光子学