飞向太空时，激光光纤会面临怎样的挑战呢？

追光—编者按

《中国激光》于2020年第5期出版“纪念激光器诞生60周年”专题。《中国激光》编委、中国科学院上海光学精密机械研究所胡丽丽研究员受邀撰写《面向空间应用耐辐照有源光纤研究进展》长篇综述论文。本文介绍了当前国内外在耐辐照有源光纤领域取得的最新研究成果，并对耐辐照有源光纤的未来研究方向进行了展望。

II 撰稿人：邵冲云，于春雷，胡丽丽

背景介绍

有源光纤是光纤激光器的核心元件，其作用是产生激光和实现功率放大，其结构通常为双包层结构，见图1。

图1 有源光纤激光器光路图和普通双包层有源光纤结构示意图

有源光纤激光器具有重量轻、体积小、电光转换效率高等优势，在空间激光通信、激光雷达、太空垃圾处理、光纤陀螺及军事等方面有重要应用价值，见图2。

图2 有源光纤的激光波长和最高输出功率及在太空中的主要应用

然而，太空环境中存在大量辐射源，诸如γ射线、电子、中子等。这些高能粒子束辐照会使有源光纤的背底损耗急剧增加，激光性能大幅下降，严重时甚至没有激光输出。这一现象称为辐致暗化（RD）效应。如何有效解决面向空间应用有源光纤的RD效应是国内外研究者共同面临的难题。针对上述问题，中科院上海光机所（SIOM）有源光纤课题组胡丽丽研究员等人总结了面向空间应用有源光纤RD效应的产生机理、影响因素和抑制方法，展望了耐辐照有源光纤的未来研究方向。

图3 有源光纤在太空中面临的挑战及耐辐照有源光纤主要研究内容

研究进展

RD效应的产生机理

研究表明产生RD效应的根本原因与光纤辐照诱导损耗（RIA）大幅度增加有关，而RIA本质上是色心形成的结果。如图4（a）所示，当入射粒子与原子核发生非弹性碰撞时，可能导致原子核移位，产生弗兰克缺陷，即间隙原子与原子空位对。当入射粒子与核外电子发生非弹性碰撞时，可能使电子被激发或电离。如果电子获得的能量仅使它从低能级跃迁至高能级，则该过程为激发，去激发过程可能会产生荧光信号；如果电子获得的能量足够使它脱离原子核束缚成为自由电子，则该过程为电离。电离过程可能会产生电子型色心和空穴型色心。由于电离破坏所需能量阈值（≤8 eV）远低于原子移位所需能量阈值（>10 eV），因此电离破坏是粒子辐照对石英光纤的主要破坏机制，电子型色心和空穴型色心是导致石英光纤RIA急剧增加的主要原因，如图4（b）所示。

图4（a）粒子辐照对Si-O-Si网络的破坏模型；（b）掺铝石英光纤的辐照诱导损耗谱

RD效应的影响因素研究表明光纤参数、环境参数、应用参数是制约有源光纤RD效应的三大主要因素，如图5所示。其中，光纤参数中的纤芯成分是影响有源光纤RD效应的最核心要素。与无源光纤（不掺稀土）不同，有源光纤纤芯通常需要共掺Al、P、Ge、F、B等元素，目的是增加稀土离子溶解度和改善其发光性质，以及调控纤芯折射率。大量研究表明，在相同辐射条件下，有源光纤的RIA强度比无源光纤大三个数量级以上，其原因与形成Al、P等共掺元素相关色心有关。

图5 有源光纤RD效应的主要影响因素

RD效应的抑制方法

为抑制有源光纤的RD效应，传统的方法是采取物理方式屏蔽射线、优化光纤纤芯成分、对辐照前光纤进行载氢处理、对辐照后光纤进行漂白处理。与传统方法不同，SIOM有源光纤课题组于2019年提出对掺镱光纤预制棒依次进行预载氘-预辐照-预退火的创新性预处理方法，如图6所示。该方法可以显著提高所拉制掺镱光纤的耐辐照特性，且不存在气体逃逸问题，在真空条件下具有长期抗辐照稳定性。如图7所示，普通商用光纤经6krad伽马辐照后几乎没有激光输出；尽管普通商用光纤载氘后有很好的抗辐照特性，但存在气体逃逸问题，在太空等真空条件下不能长期使用。iXblue公司最具代表性的耐辐照掺镱光纤经45krad伽马辐照后激光斜率效率下降60%。SIOM有源光纤课题组研制的耐辐照掺镱光纤经50krad伽马辐照后激光斜率效率仅下降5.7%。图6 SIOM有源光纤课题组提出的耐辐照有源光纤研制路线图图7 不同掺镱石英光纤的激光斜率效率与辐照剂量的关系

总结与展望

近年来国内外针对耐辐照掺铒和掺镱石英光纤的研究取得了丰硕的成果，未来可以从以下几个方面进一步开展耐辐照有源光纤的研究。
（1）拓展研究对象。由于不同稀土掺杂石英光纤的玻璃组分、工作波长、数值孔径不同，有必要对不同稀土掺杂石英光纤的RD效应有针对性地开展系统研究。（2）加强基础研究。从结构与缺陷等原子级微观尺度揭示有源光纤RD效应的产生和抑制机理，构建有源光纤耐辐照特性理论预测模型。（3）开展在线测试。模拟太空环境，开展多重场（辐射场、温度场、真空场）效应下的在线激光性能测试。

课题组介绍

中国科学院上海光学精密机械研究所胡丽丽研究员领衔的有源光纤课题组自2010 年以来启动掺镱石英玻璃和石英光纤的基础研究工作。发明了溶胶-凝胶（Sol-Gel） 结合高温烧结法制备掺镱石英光纤预制棒芯棒的专利技术。并将该发明成功应用于掺镱石英玻璃结构与性能的基础研究、大模场掺镱光子晶体光纤、大模场高功率包层结构掺镱石英光纤、耐辐照掺镱石英光纤的研制。大模场掺镱光子晶体光纤实现了平均功率大于300W，峰值功率大于 1MW 的脉冲激光输出。30/600μm型掺镱双包层石英光纤已成功实现万瓦级连续波激光输出。多款掺镱石英光纤已实现批量化工程应用，其激光性能参数与 Nufern 公司同类产品相当。针对太空应用需求，发明了掺镱石英光纤预制棒预处理方法，成功研制了耐辐照掺镱双包层石英光纤，该光纤经500Gy伽马射线辐照后激光斜率效率下降低于10%。其耐辐照性能优于iXblue公司同类产品。

课题组近年来主持的科研项目有国家自然科学基金面上项目、科技部重点研发专项、国家863重点项目、中科院重点部署项目、上海市工业强基项目、上海市科委重大科技攻关项目等多项国家级和省部级项目。

延伸阅读：

[1] 谌鸿伟,陶蒙蒙,赵海川,赵柳,沈炎龙,黄珂,冯国斌. γ射线辐照增益光纤影响激光器功率特性实验[J]. 中国激光, 2019, 46(12): 1201005

[2] 谢晓义,朱茂东,王斌,王虎,齐红基,邵建达. γ射线辐照快速生长KDP晶体的性能[J]. 中国激光, 2018, 45(10): 1003004

[3] 池俊杰,姜诗琦,张琳,于淼,王军龙. 光纤激光器辐照性能实验研究[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(6): 061406

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