飛向太空時(shí)，激光光纖會(huì)面臨怎樣的挑戰(zhàn)呢？

更新時(shí)間：2025-05-21

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　　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(shí)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(shì)，在空間激光通信、激光雷達(dá)、太空垃圾處理、光纖陀螺及**等方面有重要應(yīng)用價(jià)值

　　圖2 有源光纖的激光波長(zhǎng)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(huì)使有源光纖的背底損耗急劇增加，激光性能大幅下降，嚴(yán)重時(shí)甚至沒(méi)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(guó)內(nèi)外研究者共同面臨的難題。

　　針對(duì)上述問(wèn)題，中科院上海光機(jī)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(jī)理、影響因素和抑制方法，展望了耐輻照有源光纖的未來(lái)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?jī)?nèi)容

　　研究進(jìn)展

　　RD效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)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(shí)，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(duì)。當(dāng)入射粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，可能使電子被激發(fā)或電離。

　　如果電子獲得的能量?jī)H使它從低能級(jí)躍遷至高能級(jí)，則該過(guò)程為激發(fā)，去激發(fā)過(guò)程可能會(huì)產(chǎn)生熒光信號(hào);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(guò)程為電離。電離過(guò)程可能會(huì)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(yuǎn)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(duì)石英光纖的主要破壞機(jī)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(duì)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(wú)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(qiáng)度比無(wú)源光纖大三個(gè)數(shù)量級(jí)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(duì)輻照前光纖進(jìn)行載氫處理、對(duì)輻照后光纖進(jìn)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(duì)摻鐿光纖預(yù)制棒依次進(jìn)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(wèn)題，在真空條件下具有長(zhǎng)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(méi)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(wèn)題，在太空等真空條件下不能長(zhǎng)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(lái)國(guó)內(nèi)外針對(duì)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(lái)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步開(kāi)展耐輻照有源光纖的研究。

　　(1)拓展研究對(duì)象。由于不同稀土摻雜石英光纖的玻璃組分、工作波長(zhǎng)、數(shù)值孔徑不同，有必要對(duì)不同稀土摻雜石英光纖的RD效應(yīng)有針對(duì)性地開(kāi)展系統(tǒng)研究。

　　(2)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究。從結(jié)構(gòu)與缺陷等原子級(jí)微觀尺度揭示有源光纖RD效應(yīng)的產(chǎn)生和抑制機(jī)理，構(gòu)建有源光纖耐輻照特性理論預(yù)測(cè)模型。

　　(3)開(kāi)展在線測(cè)試。模擬太空環(huán)境，開(kāi)展多重場(chǎng)(輻射場(chǎng)、溫度場(chǎng)、真空?qǐng)?效應(yīng)下的在線激光性能測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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