有源光纖是光纖激光器的核心元件，其作用是產生激光和實現(xiàn)功率放大，其結構通常為雙包層結構.

　　圖1 有源光纖激光器光路圖和普通雙包層有源光纖結構示意圖

　　有源光纖激光器具有重量輕、體積小、電光轉換效率高等優(yōu)勢，在空間激光通信、激光雷達、太空垃圾處理、光纖陀螺及**等方面有重要應用價值

　　圖2 有源光纖的激光波長和最高輸出功率及在太空中的主要應用

　　然而，太空環(huán)境中存在大量輻射源，諸如γ射線、電子、中子等。這些高能粒子束輻照會使有源光纖的背底損耗急劇增加，激光性能大幅下降，嚴重時甚至沒有激光輸出。這一現(xiàn)象稱為輻致暗化（RD）效應。如何有效解決面向空間應用有源光纖的RD效應是國內外研究者共同面臨的難題。

　　針對上述問題，中科院上海光機所（SIOM）有源光纖課題組胡麗麗研究員等人總結了面向空間應用有源光纖RD效應的產生機理、影響因素和抑制方法，展望了耐輻照有源光纖的未來研究方向。

　　圖3 有源光纖在太空中面臨的挑戰(zhàn)及耐輻照有源光纖主要研究內容

　　研究進展

　　RD效應的產生機理

　　研究表明產生RD效應的根本原因與光纖輻照誘導損耗(RIA)大幅度增加有關，而RIA本質上是色心形成的結果。如圖4(a)所示，當入射粒子與原子核發(fā)生非彈性碰撞時，可能導致原子核移位，產生弗蘭克缺陷，即間隙原子與原子空位對。當入射粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞時，可能使電子被激發(fā)或電離。

　　如果電子獲得的能量僅使它從低能級躍遷至高能級，則該過程為激發(fā)，去激發(fā)過程可能會產生熒光信號;如果電子獲得的能量足夠使它脫離原子核束縛成為自由電子，則該過程為電離。電離過程可能會產生電子型色心和空穴型色心。由于電離破壞所需能量閾值(≤8 eV)遠低于原子移位所需能量閾值(>10 eV)，因此電離破壞是粒子輻照對石英光纖的主要破壞機制，電子型色心和空穴型色心是導致石英光纖RIA急劇增加的主要原因，如圖4(b)所示。

　　圖4(a)粒子輻照對Si-O-Si網絡的破壞模型;(b)摻鋁石英光纖的輻照誘導損耗譜

　　RD效應的影響因素

　　研究表明光纖參數、環(huán)境參數、應用參數是制約有源光纖RD效應的三大主要因素，如圖5所示。其中，光纖參數中的纖芯成分是影響有源光纖RD效應的最核心要素。

　　與無源光纖(不摻稀土)不同，有源光纖纖芯通常需要共摻Al、P、Ge、F、B等元素，目的是增加稀土離子溶解度和改善其發(fā)光性質，以及調控纖芯折射率。大量研究表明，在相同輻射條件下，有源光纖的RIA強度比無源光纖大三個數量級以上，其原因與形成Al、P等共摻元素相關色心有關。

　　圖5 有源光纖RD效應的主要影響因素

　　RD效應的抑制方法

　　為抑制有源光纖的RD效應，傳統(tǒng)的方法是采取物理方式屏蔽射線、優(yōu)化光纖纖芯成分、對輻照前光纖進行載氫處理、對輻照后光纖進行漂白處理。

　　與傳統(tǒng)方法不同，SIOM有源光纖課題組于2019年提出對摻鐿光纖預制棒依次進行預載氘-預輻照-預退火的創(chuàng)新性預處理方法，如圖6所示。該方法可以顯著提高所拉制摻鐿光纖的耐輻照特性，且不存在氣體逃逸問題，在真空條件下具有長期抗輻照穩(wěn)定性。

　　如圖7所示，普通商用光纖經6krad伽馬輻照后幾乎沒有激光輸出;盡管普通商用光纖載氘后有很好的抗輻照特性，但存在氣體逃逸問題，在太空等真空條件下不能長期使用。iXblue公司代表性的耐輻照摻鐿光纖經45krad伽馬輻照后激光斜率效率下降60%。SIOM有源光纖課題組研制的耐輻照摻鐿光纖經50krad伽馬輻照后激光斜率效率僅下降5.7%。

　　圖6 SIOM有源光纖課題組提出的耐輻照有源光纖研制路線圖

　　圖7 不同摻鐿石英光纖的激光斜率效率與輻照劑量的關系

　　總結與展望

　　近年來國內外針對耐輻照摻鉺和摻鐿石英光纖的研究取得了豐碩的成果，未來可以從以下幾個方面進一步開展耐輻照有源光纖的研究。

　　(1)拓展研究對象。由于不同稀土摻雜石英光纖的玻璃組分、工作波長、數值孔徑不同，有必要對不同稀土摻雜石英光纖的RD效應有針對性地開展系統(tǒng)研究。

　　(2)加強基礎研究。從結構與缺陷等原子級微觀尺度揭示有源光纖RD效應的產生和抑制機理，構建有源光纖耐輻照特性理論預測模型。

　　(3)開展在線測試。模擬太空環(huán)境，開展多重場(輻射場、溫度場、真空場)效應下的在線激光性能測試。

       參考文獻： 中國光學期刊網

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