高功率掺Yb石英光纤的高能粒子辐照增益失效机理研究

Under high energy particle irradiation，Yb doped silica fiber as the core device of high power fiber laser suffers from irradiation damage, thus it’s optical performance and laser activity can be reduced, so much so that gain failure will be produced without laser output, which severely restricts long-period safety operation of high power fiber laser in low/high orbit. At present, it is not clear the gain failure mechanism. By investigating the effect of different co-doping agent on defects types and defects concentrations of precursors in Yb doped silica fiber before and after Gamma ray irradiation, defect’s dynamic distribution model will established, and the influence of high power laser pump and high energy particle irradiation on optical performance and laser activity of Yb doped silica fiber is discussed. On this base, theory model of defects is set, at the same time the process and mechanism of action of“comprehensive photo-darken effects “ to gain performance of Yb doped silica fiber are analyzed, which will provide experimental data and theoretical basis for developing anti-radiation laser optical fiber applied in low/high orbit with long-period safety operation.

高能粒子辐照（诸如γ射线、质子、中子等重离子）下，高功率光纤激光器的核心器件——掺Yb石英光纤会产生辐照损伤，致使光纤的光学性能和激光性能下降，甚至出现增益失效无激光输出，严重限制了高功率光纤激光器在低/高轨、长寿命的安全运行。目前，该增益失效机理尚不清楚。本项目通过研究不同共掺剂在γ射线辐照前后对前躯体缺陷种类及浓度变化的影响规律,获得前躯体缺陷动态分布模型,并在此基础上结合高功率激光泵浦和高能粒子辐照对光纤光学性能和激光性能的作用规律，建立“高功率激光泵浦和高能粒子辐照”作用下的色心理论模型,同时分析“综合光暗化效应”对掺Yb石英光纤增益性能的作用过程与作用机制，为开发用于低/高轨、长寿命的抗辐射激光光纤提供实验数据和理论基础。

以掺Yb石英光纤作为增益介质的高功率光纤激光器具有可靠性高、光-光转换效率高、光束质量好、重量轻及体积小等优势，已逐步应用到太空探测、加速器、核设施等高能粒子辐照的恶劣环境中（诸如γ射线、质子、中子等重离子）。然而高能离子辐照会导致掺Yb石英光纤产生辐照损伤，致使光纤的光学性能和激光性能下降，甚至出现增益失效无激光输出，严重限制了高功率光纤激光器在低/高轨、长寿命的安全运行。因此，提高掺Yb石英光纤的抗辐射性能以保障高功率光纤激光器在低/高轨、长寿命的安全运行显得尤为重要。而揭示掺Yb石英光纤在高能粒子辐照下的增益失效机理则是研制抗辐射激光光纤首先要突破的关键科学问题。目前该增益失效机理尚不清楚。.本项目通过研究共掺剂对纤芯吸收光谱、发射光谱、光电子能谱以及拉曼光谱等影响规律，获得沉积反应作用机制、共掺剂组成对纤芯玻璃网络结构和光学性能的影响规律以及前驱体缺陷种类及浓度分布规律；通过研究辐照剂量、辐照剂量率对纤芯吸收光谱、发射光谱、光电子能谱以及拉曼光谱等影响规律，揭示了辐照诱导缺陷演变过程，阐述了纤芯缺陷间及辐照诱导缺陷与变价离子间的能量转换机理；优化光纤组成和制备工艺获得超低损耗激光光纤，并在此基础上研究了高功率激光泵浦和高能粒子辐照对光纤光学性能和激光性能的作用规律，建立“高功率激光泵浦和高能粒子辐照”作用下的色心理论模型，以及暗化效应对掺Yb石英光纤增益性能的作用过程与作用机制，为开发用于低/高轨、长寿命的抗辐射激光光纤提供实验数据和理论基础。同时也为其他用于空间载荷的稀土掺杂石英光纤（如掺Ho、掺Tm、Ho/Yb共掺、Tm/Yb共掺等）提供理论基础和借鉴作用，所取得的研究成果将促进激光光纤的研究和发展应用。