德国科学家开发光纤内微型全息图技术，实现前所未有的光控制精度

信息来源：
https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250827010719.htm

德国科学家在光纤光子学领域取得重大突破，成功开发出一种革命性的光控制技术。这项名为"可调超光纤"（Metafiber）的创新技术，能够在光纤内部实现微米级的精确光聚焦控制，为多个科学和工业领域带来了前所未有的可能性。

由德国耶拿弗里德里希席勒大学和莱布尼茨光子技术研究所的Markus A. Schmidt教授领导的研究团队，在《光：科学与应用》期刊上发表了这一开创性成果。该技术的核心在于将微型三维纳米打印全息图直接集成到双芯光纤的端面上，通过调节两个纤芯之间的功率分配来精确控制光束的聚焦位置。

技术革新打破传统局限

图1. 可调超纤维概念图。图片来源：Sun, J., Huang, W., Lorenz, A. et al.

传统的光聚焦控制系统通常依赖笨重的机械部件或复杂的外部光学元件，这些系统不仅体积庞大，而且响应速度慢，难以实现高精度的快速调节。相比之下，Metafiber技术完全摆脱了移动部件的束缚，仅通过调节光纤内部光功率的分配就能实现聚焦控制。

这种设计的巧妙之处在于其纯相位全息图对来自每个纤芯的光的干涉图案变化极其敏感。当两个纤芯中的光功率比例发生变化时，全息图会相应地改变光束的聚焦特性，实现连续、平滑的焦点位移。实验结果显示，该系统能够实现超过3微米的精确焦点调制范围，同时保持优异的光束质量。

该技术的另一个显著优势是其响应速度。由于依赖的是功率调制而非机械运动，Metafiber的调节速度远超传统的机械或液晶调节系统。这种快速响应能力为实时光学操作和动态光束控制开辟了新的可能性。

多领域应用前景广阔

Metafiber技术的潜在应用领域极其广泛，涵盖了从基础科学研究到临床医学的多个方面。在生物医学领域，这项技术可以被集成到内窥镜设备中，为微创手术和精密诊断提供更加灵活和精确的光学工具。医生可以通过简单的电控调节来改变激光的聚焦位置，在不移动整个设备的情况下精确定位治疗区域。

在量子光学和精密测量领域，Metafiber技术同样展现出巨大潜力。量子实验通常需要极其精确的光束控制，而传统系统的机械振动和热漂移往往会影响实验精度。Metafiber的无机械部件设计和优异的稳定性，为量子光学实验提供了更加可靠的平台。

光纤通信是另一个重要应用领域。随着数据传输需求的不断增长，光纤网络需要更加智能和可重构的光信号处理能力。Metafiber技术可以实现动态的光信号路由和处理，提高网络的灵活性和效率。

工程实现与制造创新

Metafiber技术的实现依赖于先进的三维纳米打印技术。研究团队使用高精度的纳米打印设备，在双芯光纤的端面上制造出微型全息图结构。这些全息图的特征尺寸达到纳米级别，需要极其精密的制造工艺和质量控制。

双芯光纤本身也是该技术的关键组成部分。与传统的单芯光纤不同，双芯光纤包含两个独立的光传导芯，每个芯都可以独立承载光信号。通过精确控制输入到每个芯的光功率，系统可以调节两束光在全息图处的干涉图案，从而实现焦点的精确控制。

制造过程中的一个重要挑战是确保全息图与光纤芯的精确对准。任何微小的对准误差都可能显著影响系统的性能。研究团队开发了专门的对准技术和质量检测方法，确保每个器件都能达到设计要求的精度。

产业化前景与挑战

尽管Metafiber技术展现出巨大的应用潜力，但其产业化仍面临一些挑战。首先是制造成本问题。三维纳米打印技术虽然精度极高，但制造成本相对较高，这可能限制其在某些成本敏感应用中的推广。

其次是规模化生产的技术挑战。实验室制造的器件与大规模工业生产之间往往存在技术差距。如何在保持高精度的同时实现批量生产，是技术转化过程中需要解决的关键问题。

不过，该技术与现有光纤系统的良好兼容性为其产业化提供了有利条件。Metafiber可以直接集成到现有的光纤网络和设备中，无需对整个系统进行重大改造。这种兼容性大大降低了技术推广的门槛和成本。

随着纳米制造技术的不断进步和成本的持续降低，Metafiber技术的产业化前景将更加光明。多个光子学公司已经开始关注这项技术，并探索其在各自产品中的应用可能性。

这项突破性技术不仅推动了光纤光子学领域的发展，更为整个光学工程行业带来了新的机遇。从精密制造到生物医学，从量子科技到通信网络，Metafiber技术正在重新定义光控制的可能性边界，预示着一个更加精确、快速和紧凑的光学时代即将到来。