【资讯】实现高性能抗辐照掺镱光纤激光器

光纤激光器凭借优异的光束质量、热管理能力与光电转换效率，已广泛应用于通信传感、工业加工、生物医学等领域。近年来，随着空间探测和核设施应用的不断拓展，光纤激光器在辐射环境中的长期稳定工作成为关键挑战。然而，高能辐射粒子（如γ射线、质子等）会与光纤材料相互作用，诱导产生色心缺陷，导致辐致暗化效应。这不仅显著降低激光输出功率，还可能引发横向模式不稳定性效应，严重威胁激光系统在极端环境中的服役可靠性与使用寿命。

       为提升光纤的抗辐射性能，研究者们发展了多种策略，包括组分优化、热退火、光漂白及气体加载等。其中，氘气（D?）加载因其能有效钝化辐照诱导的色心，被视为最有效的技术之一。然而，常规D?加载处理后，在辐照后也仅能实现性能的大部分恢复，无法完全修复辐致暗化带来的损伤。尽管已有研究尝试通过预制棒预处理、空穴辅助碳涂层等方式优化处理效果，但辐致暗化效应始终未被完全抑制。

       研究团队采用改进的化学气相沉积（MCVD）结合溶液掺杂技术，在掺镱光纤（YDF）预制棒制备过程中，将氘以OD基团的形式直接掺入纤芯，如图1所示。通过显微红外光谱（μ-FTIR）验证，OD基团成功引入，含量约为52 ppm。随后，将拉制后的光纤在7.5 MPa、25 ℃条件下进行D?加载，持续11天。该协同策略实现了“源头抑制”与“动态修复”的双重机制：一方面，OD基团凭借更高的O-D键能（282 kJ/mol vs. O-H的279 kJ/mol），增强了玻璃网络的稳定性，从材料源头抑制了辐照诱导的色心生成；另一方面，加载的D?在辐照过程中提供活性氘物种，对残余及新生缺陷进行钝化。

图1 掺镱光纤的特性。(a) 该研究中光纤的制造流程图；(b) 原始光纤预制棒和(c) D掺杂光纤预制棒中主要成分的质量分数比例；(d) 原始和掺氘光纤预制棒的μ-FTIR光谱

       该研究团队通过系统对比原始YDF、单独D?加载YDF、单独掺D的YDF以及协同处理（掺D+D?加载）YDF在200 Gy（Si）γ射线辐照前后的性能，获得了突破性结果。原始YDF的激光斜率效率急剧下降至辐照前的15%；单独D?加载的原始YDF恢复至辐照前水平的88%，但未能完全恢复，显微图像显示，辐照后光纤纤芯中心区域颜色仍略深于未辐照区域，表明纤芯中心有色心生成，这可能与D?分子在纤芯中心的扩散不够充分有关，因此性能仅能部分恢复。单独掺D的YDF斜率效率下降至辐照前的26%，虽优于原始光纤，但仍存在显著衰减。而经过协同处理的YDF，在辐照后斜率效率保持与辐照前一致，实现了辐致暗化效应的完全抑制，如图2所示。机理分析表明，OD基团的引入减少了辐照敏感前驱体，而D?加载的实时钝化弥补了源头抑制的不足，两者协同使得辐照后纤芯中无净色心积累。该策略制备成本低、工艺适配性强，为空间激光通信、核辐射监测等极端环境下高性能抗辐射光纤激光器的研制提供了全新路径。

图2 光纤振荡器的输出特性。(a) 光纤激光振荡器实验装置，其中LD表示激光二极管，HR-FBG表示高反射率光栅，OC-FBG表示低反射率光栅，QBH表示石英光纤接头。未经处理和经过200 Gy（Si）γ射线辐照后的原始光纤(b)和掺D光纤(c)的斜率效率。原始光纤(d)和掺D光纤(e)的输出光谱演变

 为解决上述难题，国防科技大学陈金宝研究员团队提出了一种协同处理策略：将预制棒阶段的氘（D）掺杂与拉丝后的D?加载相结合，成功实现了辐致暗化效应的近乎完全抑制。相关成果以“Full suppression of radiation-induced darkening in ytterbium-doped fiber lasers by synergistic deuterium doping and D? loading”为题发表于Photonics Research 2026年第4期。

参考文献： 中国光学期刊网

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