《Optics & Laser Technology》：Advanced Ce-free radiation-resistant Er/Yb fiber with high laser efficiency and mechanism analysis
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辐射抗性Er/Yb共掺杂光纤的Ce替代Al/P共掺杂研究及其激光性能分析。
朱一鸣|王帆|邵崇云|郭梦婷|陈家远|李欣|陈一聪|王萌|张雷|于春雷|胡莉莉
中国科学院上海光学精密机械与物理研究所特种玻璃与光纤研究中心，先进激光与光电功能材料部门，上海201800，中国
摘要
抗辐射的Er/Yb共掺杂光纤（EYDFs）在空间应用中具有巨大潜力，因为在辐射环境下保持高激光性能是至关重要的要求。广泛使用的Ce掺杂方法虽然提供了强大的抗辐射能力，但同时也降低了光纤的固有激光性能。此外，Ce还会增加光纤的折射率，从而限制了Er/Yb的掺杂浓度。在这项工作中，我们制备了一种不含Ce的抗辐射保偏EYDF，其激光性能得到了提升。去除Ce后，可以增加Er/Yb的掺杂浓度，并提高吸收系数，使得在实际系统中可以使用更短的光纤长度，同时减少辐射引起的退化。在相同的操作条件下，这种新型光纤的激光效率达到了46.4%，而掺Ce的光纤仅为38.9%，并且在相同的X射线辐射环境下表现出相当的抗辐射能力。我们通过辐射诱导吸收（RIA）测量、透射电子显微镜（TEM）和荧光寿命表征进一步分析了其激光性能和抗辐射机制。
引言
Er/Yb共掺杂光纤激光器（EYDFLs）由于其高输出功率、紧凑的结构和出色的光束质量，在光通信系统、工业加工和各种应用中得到了广泛应用[1]、[2]、[3]。随着基于空间的激光通信和轨道基础设施的快速发展，对适用于长距离空间连接的EYDFLs的需求显著增加[4]、[5]。然而，太空中的恶劣辐射环境带来了重大挑战，轨道上的光学组件在多年运行过程中通常会累积10–100 krad (SiO2)的总剂量[6]、[7]。高能粒子和电离辐射的暴露会导致活性光纤芯部的辐射诱导吸收（RIA），从而严重降低激光输出功率[8]。尽管物理屏蔽可以减轻这些影响，但由此增加的质量对于太空任务来说是不可接受的。因此，提高活性光纤的固有抗辐射能力已成为提升EYDFLs性能的关键策略。
已经对抗辐射光纤进行了大量研究，包括对辐射诱导缺陷机制的探讨以及提高抗辐射能力的方法。现在已经明确，Er/Yb共掺杂光纤（EYDFs）中的RIA主要来源于与掺杂剂相关的缺陷[9]。由于稀土离子需要辅助元素来提高溶解度并防止聚集，掺杂在光纤制造中仍然是不可或缺的。目前提高抗辐射能力的方法主要包括优化掺杂剂组成[9]、[10]、[11]、[12]、气体加载技术[13]、[14]、[15]、[16]以及特殊结构设计[17]。
其中，成分优化，特别是Ce掺杂，是最常见且最有效的方法[10]、[11]。然而，引入Ce通常会增加光纤芯部的折射率并降低激光效率。因此，在激光性能和抗辐射能力之间实现最佳平衡至关重要。增加Er/Yb的浓度是提高激光性能的直接手段[18]、[19]，但稀土掺杂必须伴随适当的掺杂剂以防止聚集并保持芯部的数值孔径（NA）。虽然可以使用掺Ge的基底层来保持NA，但这种方法会复杂化制造过程，并且仍然会对可实现的NA造成限制。此外，更高的Er/Yb浓度可以使光纤长度更短，从而本质上减少辐射引起的退化。
在这项工作中，我们报道了一种抗辐射保偏（PM）Er/Yb/Al/P共掺杂光纤，并研究了其激光性能和抗辐射能力。与传统的抗辐射光纤不同，所提出的光纤消除了Ce掺杂，并引入了可控量的Al。在高P掺杂环境下，Al的加入降低了芯部的折射率[20]，从而在不改变NA的情况下允许更高的Er/Yb浓度。目前，大多数EYDFs仅使用P作为主要掺杂剂，而关于Al/P共掺杂的研究主要集中在Yb掺杂或Er掺杂光纤上[21]、[22]。尽管之前也有研究探索过Er/Yb/Al/P共掺杂光纤[23]，但那些研究中的Er/Yb浓度低于本工作中的浓度，且分析仅限于RIA。在这里，我们全面评估了含Al的EYDF在激光性能、抗辐射能力及其背后的机制方面的表现。为了进行全面的比较，我们还使用相同工艺制备了一种代表性的含Ce抗辐射光纤。Er/Yb/P和Er/Yb/Al/P玻璃是通过溶胶-凝胶技术结合高温烧结制备的，以研究含Al样品的RIA行为。我们系统地研究了两种光纤的激光效率和抗辐射能力，并通过透射电子显微镜（TEM）和寿命测量分析了Al掺杂的影响。
制备
制备
这些光纤是采用溶胶掺杂和改良化学气相沉积（MCVD）技术结合制备的[15]。Er/Yb/Al/P共掺杂光纤称为#EYA，而Er/Yb/P/Ce共掺杂光纤称为#EYC。尽管#EYC含有微量的Al，但其浓度足够低，因此在后续分析中将其视为不含Al的光纤。作为对比，还表征了一种商用抗辐射光纤（称为#CMF）。
激光性能
选择适当的光纤长度对于准确评估激光性能至关重要。图2(a)显示了#EYA和#EYC光纤的斜率效率随光纤长度的变化情况。尽管两种光纤在吸收方面存在明显差异，但在反向泵浦条件下，它们在较宽的长度范围内都保持了接近最大的斜率效率。只有当光纤过短时，效率才会显著下降。
结论
总之，我们开发了一种不含Ce的抗辐射PM Er/Yb/Al/P共掺杂光纤。与传统的含Ce抗辐射光纤相比，不含Ce的设计允许更高的Er/Yb浓度，同时保持相同的芯部NA，从而使激光斜率效率显著提高至46.4%。该光纤的抗辐射能力与我们内部的含Ce光纤相当，满足了大多数当前低地球轨道任务的要求。
CRediT作者贡献声明
朱一鸣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，研究，正式分析，数据管理。王帆：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源获取，概念化。邵崇云：方法学，资源获取，数据管理。郭梦婷：监督，数据管理。陈家远：研究，数据管理。李欣：研究。陈一聪：研究。王萌：资源，研究。张雷：
资助
国家自然科学基金（批准号：62405341），工业和信息化部专项项目（编号：TC230H0AC/157），先进材料-国家科技重大专项（编号：2024ZD0606000），中国科学院战略性先导科技专项（编号：XDB0650000），以及上海探索者计划（批准号：24TS1415800）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
