有源光纖是光纖激光器的核心元件，其作用是產(chǎn)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(zhuǎn)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(nèi)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(chǎn)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(nèi)容

　　研究進展

　　RD效應的產(chǎn)生機理

　　研究表明產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)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(shù)、環(huán)境參數(shù)、應用參數(shù)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(shù)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(zhì)，以及調(diào)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(shù)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(nèi)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(shù)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(chǎn)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(wǎng)

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