光纤激光器辐照性能实验研究 
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1 引言
光纤激光器因其光束质量高、转换效率高、稳定性高、热控性良好、结构简单及体积小巧等优点,被广泛应用于科学研究、工业加工、医疗美容和**等领域[1-3]。随着光纤技术与宇航技术的不断发展,光纤激光器在空间中的应用也逐渐受到广泛关注,如微小型卫星激光微推进技术[4]、空间碎片激光清理技术[5]、空间远距离激光充电技术和神秘的天基激光**等[6]。空间环境包括真空、冷黑与低温、带电粒子辐射、太阳能辐射、中性大气、磁场、等离子体、电离层、空间碎片与微流星体和诱发污染的环境等,其中空间辐射是空间应用必须考虑的主要因素之一[7],研究激光器的辐照性能是将激光器应用于空间工作的第一步。空间辐射会对光纤激光器和光无源器件产生很大影响,具体表现为:在光纤上会出现光子暗化效应、辐致发射效应、光致密效应和辐致光色心效应等[8];在各功能单元上会出现抽运源的损耗、驱动电源的损坏和激光器功率衰减等现象;在激光器核心光无源器件,会影响光纤光栅折射率带宽、光纤合束器耦合性能和包层光剥离器工作性能等[9-10]。这些都会直接导致激光器载荷功能衰退,极大地影响设备的正常工作,甚至造成工作任务失败。
本文研究了光纤激光器及其核心光无源器件的辐照性能,对976 nm和915 nm抽运的两种光纤激光器、光纤合束器和包层光剥离器进行辐照,并比较分析辐照结果,为光纤激光器进入空间工作提供一定的理论基础和实验数据。
2 辐照对光纤激光器影响的理论分析
光纤激光器中的主要器件包括光纤光栅、光纤合束器、包层光剥离器、有源光纤、无源光纤和抽运源,以上器件中光纤材料占比高达90%,因此可以认为光纤对光纤激光器辐照性能的影响最大。研究表明,光纤中色心的形成是导致辐致衰减的主要原因[11-12]。光纤在研制生产中不可避免地会产生缺陷,如悬挂键、过氧基及其他微小杂质的缺陷,在接受高能辐射如空间中的电子束、中子束、离子束和γ射线辐射时,光纤中的缺陷结构捕获电子或空穴后会形成新的点缺陷结构,在光纤中形成新的波长吸收中心,即色心[13-14]。每个色心的特征吸收带会吸收特定波段激光,进而改变光纤对不同激光的透过率[15],造成输出激光功率损耗。
辐照导致光纤的损耗为辐致损耗[16],相关研究表明,光纤辐致损耗可以表示为
式中:
式中:
辐致损耗源于光纤中色心的形成,相关研究表明,光纤辐照前的缺陷是辐照后色心形成的先决条件,缺陷的先质浓度[17]可表示为
式中:
从(4)式可见,随着辐照时间的增加,色心浓度逐渐达到饱和,最终饱和值由色心产生率和退火率决定。未经辐照的光纤材料中,先质缺陷对光纤吸收谱的影响很小,光纤中自由电子及空穴非常稀少,先质缺陷俘获相应电子或空穴的几率极小,光纤透射率约为1;辐照后的光纤,价带中的电子被激发到导带成为自由电子,并在价带位留下空穴,阳空位俘获电子形成色心,导致材料透射率下降,理论分析表明,随着辐照量的逐渐增加,光纤材料中所有阳空位都转变为色心时,色心达到饱和。
3 辐照对光纤激光器影响的实验研究
辐照实验中采用Co60辐照源,
图 1. 光纤激光器辐照性能实验示意图
Fig. 1. Schematic diagram of irradiation performance experiment of fiber lasers
选取两种常用抽运源,设计了同时辐照两款光纤激光器进行辐照对比的实验。
图 2. 976 nm和915 nm抽运的光纤激光器光路示意图
Fig. 2. Schematic diagram of 976 nm and 915-nm-pumped fiber lasers
总辐照剂量为12.4 krad时,辐照后976 nm和915 nm抽运的光纤激光器输出功率分别由32.68 W和32.04 W降至20.09 W和5.63 W。同时,对比分析了不同剂量辐照后两种抽运光纤激光器输出功率,并绘制了功率输出曲线,如
图 3. (a)辐照后915 nm与976 nm抽运光纤激光器输出功率对比;(b)单位长度有源光纤下的激光器功率辐致损耗,插图为主图放大图
Fig. 3. (a) Comparison of 915 nm and 976 nm-pumped fiber lasers output power after irradiation; (b) fiber laser irradiation loss in unit active fiber length, the illustration is an enlarged view
因此可以认为,光纤中色心的形成是导致激光器在辐照中功率衰减的主要原因,激光器辐照后,输出功率下降主要是有源光纤中色心的产生造成的,增加有源光纤长度会加大色心产生几率,同时辐致损耗增大。两种激光器输出功率一致的条件下(辐照前输出功率均约为32 W),915 nm抽运激光器采用的有源光纤长度是976 nm抽运的3倍左右,故相同辐照剂量下其功率损耗最大(辐照后976 nm和915 nm抽运光纤激光器输出功率分别降至20.09 W和5.63 W)。可以推断,976 nm抽运光纤激光器在空间工作时具有较强的抗辐照性能;同时可以看出,随着辐照总剂量的增加,辐致损耗逐渐下降并减缓,这与理论研究中的“色心饱和”和“辐致衰减”结果吻合。
图 4. (a)辐照前后915 nm与976 nm抽运源输出抽运功率对比数据;(b)光纤激光器输出波长监测数据
Fig. 4. (a) Comparison of output powers before and after irradiation; (b) output spectral data of the fiber laser
4 辐照对光无源器件影响的实验研究
辐照对光纤合束器和包层光剥离器(CPS)两种光无源器件影响的实验示意图如
研究结果表明:1) 辐照对光无源器件也会产生影响,降低光纤器件的通光率,在合束器上表现为耦合效率下降,在剥离器上表现为剥离度增大;2) 光无源器件的主要成分是无源光纤,即辐照对光纤器件的影响主要是对无源光纤的影响,这是由于无源光纤辐照后产生了色心,既包括光纤纤芯色心,又包括光纤包层色心,二者均会降低无源光纤对激光的透过率,进而影响器件性能;3) 同等辐照剂量下,辐照对有源光纤的影响远大于无源光纤,这是由于有源光纤中掺入的离子极大增加了其产生缺陷的几率,所以有源光纤相比无源光纤更容易产生色心。
图 5. (a)辐照前后光纤合束器耦合效率对比;(b)辐照前后包层光剥离器剥离度对比
Fig. 5. (a) Comparison of coupling efficiency of fiber combiner before and after irradiation; (b) comparison of cladding light stripping of fiber stripper before and after irradiation
5 结论
本文对光纤激光器及其核心光无源器件进行了辐照性能研究,实验对象包括915 nm-LD抽运光纤激光器、976 nm-LD抽运光纤激光器、光纤合束器和包层光剥离器。实验结果表明,两种光纤激光器接受辐照后,输出功率均有不同程度降低,976 nm-LD抽运光纤激光器相比915 nm-LD抽运光纤激光器,功率下降速度缓慢,且下降程度较小,抗辐照性能优越;光纤合束器和包层光剥离器接受辐照后,也产生相关的辐致损耗,光纤合束器表现为耦合效率降低,包层光剥离器表现为剥离度增大;辐致损耗对20/400 μm有源光纤的影响可导致激光器输出功率衰减,单位长度光纤在单位辐射剂量下对光纤激光器输出功率的辐致损耗约为0.025 dB。
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池俊杰, 姜诗琦, 张琳, 于淼, 王军龙. 光纤激光器辐照性能实验研究[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(6): 061406. Junjie Chi, Shiqi Jiang, Lin Zhang, Miao Yu, Junlong Wang. Experimental Study on Radiation Performance of Fiber Lasers[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2018, 55(6): 061406.
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