近日，我室研究生程国强（第一作者）和陈飞飞研究员（通讯作者）等在期刊Optics Express(IF=3.8) 发表了题为“Non-equivalent interchange between acousto-optic performance and laser damage resistance in an eco-friendly Ge-Sn-Se-S quaternary chalcogenide glass system”的研究论文(Opt. Express, 33(21), 44634-44653,2025, https://doi.org/10.1364/OE.577687)。

       声光器件在光通讯、激光雷达和光谱分析中发挥着不可替代的作用。硫系玻璃因其极高的声光品质因数（M2）和宽红外透过范围，被视为高性能声光介质的有力竞争者。然而，目前商用的硫系玻璃（如As2S3、As2Se3）普遍含有毒元素砷（As），不仅环境友好性差，且机械强度低、激光损伤阈值（LIDT）较低，严重限制了其应用空间。此外，传统无砷玻璃往往面临损伤阈值（LIDT）与声光特性难以平衡的困境。

       针对以上挑战，本研究设计并制备了全新的Ge-Sn-Se-S（GSSS）四元环保硫系玻璃体系，创新性地提出了“S/Se梯度替换”策略，实现了LIDT与声光性能的非等效调控。

图1：Ge-Sn-Se-S系列玻璃的XRD图谱

       随着S/Se比的增加，玻璃网络中形成了更稳定的[GeSnSe4−n]和[GeSnSe4−n]混合四面体结构单元。这种结构的演变带来了显著的性能跃升：抗激光损伤能力大幅增强：玻璃样品（S/Se=0.5）的激光损伤阈值（LIDT）高达13.89 J/cm2，远超大多数现有的硫化物和硒化物玻璃。声衰减显著降低：在10 MHz频率下，其声衰减系数（α）降至1.21 dB/cm，较As2S3降低了84.2%，极大地减少了超声波传输过程中的能量损耗。

图2：(a) 激光损伤概率拟合曲线；(b) 激光损伤阈值(LIDT)随S/Se比例的变化趋势

       此外进一步揭示了“非等效交换”的物理机制：虽然S/Se比的增加导致折射率下降，使得声光品质因数（M2）有所降低（最低值为211.8×10−18 s3/g），但该数值仍比商用As2S3玻璃高出16%。换言之，我们以较小的M2损失为代价，换取了抗激光损伤能力和声衰减的巨大提升。

图3：(a) 拉曼光谱揭示了混合四面体结构的演变；(b) 声衰减系数(α)与新结构单元含量的构效关系

       本研究设计开发的Ge-Sn-Se-S玻璃体系具有优异的综合性能——特别是高LIDT和低声衰减，使其成为声光调制器的理想材料。该成果不仅为环保型硫系玻璃的成分设计提供了新思路，也为推动高性能声光器件在激光雷达、精密加工等领域的规模化应用奠定了坚实基础。