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(jié)構(gòu)通常為雙包層結(jié)構(gòu).
圖1 有源光纖激光器光路圖和普通雙包層有源光纖結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(yīng),。如何有效解決面向空間應(yīng)用有源光纖的RD效應(yīng)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(jié)了面向空間應(yīng)用有源光纖RD效應(yīng)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(yīng)的產(chǎn)生機理
研究表明產(chǎn)生RD效應(yīng)的根本原因與光纖輻照誘導(dǎo)損耗(RIA)大幅度增加有關(guān),，而RIA本質(zhì)上是色心形成的結(jié)果,。如圖4(a)所示，當(dāng)入射粒子與原子核發(fā)生非彈性碰撞時,，可能導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(luò)的破壞模型;(b)摻鋁石英光纖的輻照誘導(dǎo)損耗譜
RD效應(yīng)的影響因素
研究表明光纖參數(shù),、環(huán)境參數(shù),、應(yīng)用參數(shù)是制約有源光纖RD效應(yīng)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(yīng)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(guān)色心有關(guān),。
圖5 有源光纖RD效應(yīng)的主要影響因素
RD效應(yīng)的抑制方法
為抑制有源光纖的RD效應(yīng),，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(yù)制棒依次進行預(yù)載氘-預(yù)輻照-預(yù)退火的創(chuàng)新性預(yù)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(guān)系
總結(jié)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(yīng)有針對性地開展系統(tǒng)研究,。
(2)加強基礎(chǔ)研究,。從結(jié)構(gòu)與缺陷等原子級微觀尺度揭示有源光纖RD效應(yīng)的產(chǎn)生和抑制機理，構(gòu)建有源光纖耐輻照特性理論預(yù)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(yīng)下的在線激光性能測試。
參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)
您好,可以免費咨詢,技術(shù)客服,Daisy
筱曉(上海)光子技術(shù)有限公司
歡迎大家給我們留言,，私信我們會詳細解答,，分享產(chǎn)品鏈接給您。
免責(zé)聲明：
資訊內(nèi)容來源于互聯(lián)網(wǎng),，目的在于傳遞信息,，提供專業(yè)服務(wù)，不代表本網(wǎng)站及新媒體平臺贊同其觀點和對其真實性負責(zé),。如對文,、圖等版權(quán)問題存在異議的,，請聯(lián)系我們將協(xié)調(diào)給予刪除處理。行業(yè)資訊僅供參考,，不存在競爭的經(jīng)濟利益,。
(空格分隔,最多3個,單個標(biāo)簽最多10個字符)
5
立即詢價
您提交后，專屬客服將第一時間為您服務(wù)