面向高功率激光应用的掺Yb石英玻璃光纤光致暗化机理研究

Ytterbium (Yb) doped silica glass fibers are the preferred gain media in high peak and average power laser system. However, the photo-darkening effect in Yb doped gain media degrades the laser time performance. Now, the energy transfer mechanisms of photo-darkening haven’t know exactly, hence no essential method hasn’t proposed to decrease this effect. We try to study the Yb excited energy transfer processes based on the properties of photo-darkening effect which depends on the inversion of Yb3+ ions , analyze energy transfer depends on the compositions of fiber and process atmosphere comprehensively. Through this work, we try to strengthen the understanding of the origin of photo-darkening phenomenon in Yb doped silica fiber, propose the effective root to decrease the photo-darkening effect and hence to manufacture the new Yb doped silica glass fiber with low photo-darkening effect for high power laser system.

Yb掺杂的石英玻璃光纤是高亮度、高功率激光系统的首选增益介质。然而，光纤中的光致暗化严重影响了激光系统的时间稳定性和可靠性。目前光致暗化的具体能量转移机理目前尚不清楚，因此无法从本质上提出降低光暗化的途径。本项目针对光致暗化依赖于Yb3+反转粒子数的特性，通过研究Yb掺杂石英光纤中发生的激发态能量转移过程来研究光致暗化机理，系统研究光纤组分、制备氛围等对激发态能量转移过程的影响，分析玻璃纤芯组分对光暗化能量转移过程的影响，探讨降低Yb掺杂石英光纤中光致暗化效应的途径，发展面向高功率激光应用的低光致暗化Yb掺杂石英玻璃光纤。

本项目针对光致暗化依赖于Yb3+反转粒子数的特性，系统研究光纤组分、制备氛围等对激发态能量转移过程的影响，分析玻璃纤芯组分对光暗化能量转移过程的影响，探讨降低Yb掺杂石英光纤中光致暗化效应的途径，发展面向高功率激光应用的低光致暗化Yb掺杂石英玻璃光纤。经过三年研究，基本按照年度计划完成了课题研究的内容。课题设定的总体目标已基本完成，研究掌握的降低光纤光致暗化的方法已经在工程化应用用得到实际应用。. 系统研究了掺镱（Yb）石英玻璃紫外吸收带的起源，以及共掺剂铝（Al）和磷（P）对掺镱石英玻璃紫外吸收带的影响及其机理, 为研究光致暗化（PD）机理奠定基础；系统对比研究了铝硅二元玻璃体系和磷铝硅三元玻璃体系下的光纤光暗化性能，发现磷铝硅三元玻璃体系下，磷铝比利在保持略大于1时，既有利于抑制纤芯的数值孔径，又可以较好的抑制光暗化效应。对比研究了MCVD溶液掺杂工艺制备摻镱光纤以及sol-gel 方法制备的摻镱芯棒在同样掺杂浓度下的光暗化性能，研究发现尽管sol-gel 工艺制备的摻镱芯棒在杂质离子以及缺陷因素更多的情况下，仍具有更好的抑制暗化性能，为课题组提供了一种创新的纤芯制备工艺。对比研究了低剂量率下摻镱光纤的光致暗化与辐射暗化效应，掺p能够提高光纤的抗PD,RD,PRD特性，改善光纤的抗辐照性能。为研发具有耐辐照性能的摻镱高功率光纤激光器提供了关键数据参考。