近日，我室硕士研究生李长佑（第一作者），王莹莹副研究员（通讯作者）在Applied Physics Letters（IF=3.6）期刊发表了题为“High efficiency fiber-coupled acousto-optic modulator with low drive power based on Ge₂₁Sb₁₈S₆₁ chalcogenide glass”的论文(2025, 127, 222203)。文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0294902

       声光调制器（AOM）作为调控光强、频率和相位的关键器件，广泛应用于激光调Q、光通信及光谱分析等领域。目前商用的声光器件主要基于晶体（如TeO₂晶体）或石英玻璃。然而，根据声光衍射效率（η）、声光优值（M₂）与射频驱动功率（P_a）之间的制约关系，传统材料往往受限于较低的M₂，导致实现高衍射效率时需要较高的驱动功率（例如TeO₂晶体AOM通常需1.26 W以上）。高驱动功率不仅增加了系统功耗，还会引发热效应，降低器件的长期稳定性与光束质量。硫系玻璃（ChGs）因其高折射率和低声速特性，拥有极高的M₂，是降低AOM驱动功率的理想候选材料，但传统硫系玻璃常面临热光系数（dn/dT）大、激光损伤阈值（LIDT）低等由于热稳定性不足带来的挑战。

       针对上述难题，本研究提出并制备了一种基于Ge₂₁Sb₁₈S₆₁（GeSbS）硫系玻璃的高效率、低驱动功率光纤型AOM。通过组分工程优化，在Ge-Sb-S体系中平衡了高M₂与热机械性能之间的关系。实验制备的GeSbS玻璃具备优异的综合性能，其声光优值高达201.1×10^-18 s³/g（约是石英玻璃的134倍，商用TeO₂晶体的6倍），同时保持了较低的热光系数（16.7×10^-6 ℃^-1）和较高的激光损伤阈值（4.63 J/cm²），且在100 MHz下声衰减低至4.06 dB/cm。研究团队成功研制了工作在1550 nm波段的GeSbS玻璃光纤型AOM，该器件的工作原理基于声光效应，即压电换能器将输入的射频电信号转换为超声波，超声波在GeSbS玻璃介质中传播时，引起材料折射率的周期性变化，从而形成“体相位光栅”。当入射激光束通过该光栅时，发生布拉格衍射，通过改变驱动信号即可精确调控衍射光强度。（如图1所示）。测试结果表明，该器件展现出卓越的低功耗特性：仅需0.52 W的射频驱动功率即可达到84.07%的最高衍射效率。相较于同类商用器件，该AOM在大幅降低能耗的同时，还实现了61 dB的高消光比、2.1 dB的低插入损耗以及41 ns的快速上升时间，且在-40 ℃至70 ℃的宽温范围内表现出优异的稳定性（如图2所示）。此外，将该器件作为Q开关元件集成到全光纤掺铒环形激光器中，成功实现了稳定的纳秒级脉冲输出，在5 kHz重复频率下获得了233 ns的脉冲宽度（如图3所示）。本研究不仅证实了GeSbS玻璃在高性能声光器件领域的巨大潜力，还展示了其在低功率、高效率 AOM中的实际可行性，也为低功耗、高性能的全光纤激光系统提供了一种极具竞争力的解决方案。

图1 (a) GeSbS玻璃AOM实物图；(b) AOM内部结构图；(c) AOM工作原理示意图。

图2 GeSbS玻璃AOM 的性能研究。(a) 衍射效率随射频驱动功率的变化；(b) 不同温度下的插入损耗和消光比；(c) 时域光响应及上升/下降时间。

图3 (a) 基于GeSbS玻璃光纤型AOM的调Q实验装置示意图。(b) 中心波长为1550 nm的输出光谱。在重复频率5、10、15和20 kHz下 (c) 脉冲宽度随泵浦功率的变化，(d) 相同泵浦功率下的脉冲序列，(e)单脉冲轮廓。