这篇发表于 journal of lightwave technology 2025年10月15日第43卷第20期的研究文章，报道了一项针对钼镱共掺光纤的原创性研究。本研究的第一作者及通讯作者主要为来自中国科学院西安光学精密机械研究所 超快光学技术与科学国家重点实验室、光子功能材料与器件研究实验室，以及中国科学院大学材料科学与光电技术中心的研究人员，包括张雨婷、王根成、侯超齐、佘圣飞、郭海涛等，合作单位还包括上海大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、华南理工大学等国内多个研究机构。
一、 学术背景与目标
本研究属于特种光纤、空间激光通信与抗辐射加固技术交叉领域。随着空间激光通信技术的快速发展，以其高速率、低延迟和高安全性成为深空探测、卫星通信等领域的核心技术。作为空间激光通信系统中关键的功率放大单元，掺钼镱光纤放大器（Er/Yb co-doped fiber amplifier， EYDFA）的性能至关重要。然而，其核心增益介质——钼镱共掺光纤在长期空间任务中会暴露于高能粒子辐射环境下，导致辐射致暗化（Radiation-Induced Darkening， RD），引起光纤损耗激增和激光性能退化，严重制约系统的长期可靠运行。
先前研究表明，RD主要源于光纤辐照后产生的色心缺陷（Color Center Defects） 以及二价稀土离子（如 Yb²⁺）的形成。光纤中的前驱体缺陷俘获载流子形成色心，而三价稀土离子（如 Yb³⁺）俘获电子被还原为二价态，二者共同引起强烈的辐射诱导衰减（Radiation-Induced Attenuation， RIA）。为了缓解RD，研究者提出了多种抗辐射加固方法，其中热漂白（Thermal Bleaching， TB）和光漂白（Photobleaching， PB）是两种有前景的技术。然而，现有研究大多集中于掺镱光纤或单一成分样品，对于不同掺杂成分（特别是磷/铝共掺比例不同）的钼镱共掺光纤，TB和PB的恢复效果与内在机理尚不明确，也缺乏系统的比较和机制分析。因此，本研究旨在系统地探究不同温度TB和532纳米激光PB对两种不同掺杂成分（Er/Yb/P 和 Er/Yb/P/Al）的钼镱共掺光纤及预制棒辐照后暗化的恢复效果，并通过RIA和连续波电子顺磁共振（Continuous-Wave Electron Paramagnetic Resonance， CW-EPR）等测试手段，深入分析多种色心缺陷的恢复细节，阐明TB和PB的物理机制，从而为优化钼镱共掺光纤的抗辐射性能、推动TB和PB技术的实际应用提供有效途径和理论依据。
二、 详细研究流程
本研究流程严谨，涵盖了样品制备、辐照处理、漂白实验、性能表征与机理分析等多个环节。
流程一：样品制备与表征。 研究团队采用改进的化学气相沉积法（Modified Chemical Vapor Deposition， MCVD）结合螯合物气相沉积（Chelated Gas Phase Deposition， CGDP）技术，制备了两种不同掺杂成分的EYDF预制棒，并拉制成双包层光纤。两种样品的具体成分为：样品A（Er/Yb/P共掺）和样品B（Er/Yb/P/Al共掺）。通过电子探针显微分析仪（EPMA）精确测量了各元素的掺杂浓度。同时，从预制棒上切割出厚度为2毫米的玻璃薄片，用于后续的光谱和EPR测试。所有样品的基本参数均在文中表格列出。
流程二：辐照与漂白实验。 1. 辐照处理： 所有光纤和玻璃样品在室温下使用⁶⁰Co γ射线源进行辐照，剂量率约为10 rad/s，总累积剂量为100 krad(Si)。 2. 热漂白实验： 将辐照后的样品放入箱式实验炉中进行TB处理。温度从室温分别升至100°C、150°C、200°C、250°C和300°C，升温速率为5°C/分钟，在每个目标温度下分别保温5、10或20分钟，然后以相同速率冷却至室温。每个温度点使用独立的样品进行测试，以避免交叉影响。考虑到普通聚合物涂覆层不耐高温，TB实验中使用的是未涂覆的光纤样品。 3. 光漂白实验： 使用输出功率为50 mW的连续波532纳米激光器，在室温下对辐照后的玻璃样品和1米长的光纤样品进行PB实验，总漂白时间为500分钟。对于玻璃样品，激光直接照射纤芯区域；对于光纤样品，激光通过合束器注入纤芯。漂白过程中及结束后，监测吸收谱或损耗谱的变化。
流程三：样品性能分析。 在辐照前、辐照后以及每次TB/PB处理后，对样品进行全面的性能表征。 1. 吸收/损耗光谱测试： 使用Jasco UV-Vis-NIR分光光度计测量玻璃样品在200-1700纳米波段的吸收光谱。使用截断法，配合超连续白光光源和光学频谱分析仪（OSA），测量光纤在700-1700纳米波段的损耗光谱。通过对比处理前后的光谱，计算RIA光谱，这是评估RD程度和漂白效果的关键指标。 2. 电子顺磁共振测试： 使用Bruker CW-EPR谱仪（Elexsys-II E500）在100 K温度下，测量玻璃纤芯的CW-EPR谱，磁场范围为220-420 mT。EPR是检测材料中顺磁性缺陷（如未成对电子）的强有力工具，可直接用于鉴别和定量分析辐照后产生的各类色心缺陷。 3. 数据分析方法： 核心是对RIA光谱进行高斯峰拟合分解，以分离并识别归属于不同特定色心缺陷的贡献。同时，结合EPR谱的g因子分析，对缺陷类型进行指认。这是一种深入解析复杂RIA光谱的成熟且有效的分析方法。
三、 主要研究结果
本研究获得了系统且深入的实验结果，清晰揭示了不同漂白方法的效能差异及其背后的物理机制。
关于漂白效果的宏观表征结果： 1. 热漂白效果显著： 紫外-可见-近红外吸收光谱显示，辐照后两种样品在紫外-可见波段均出现显著的额外吸收（源于色心和Yb²⁺），并在340纳米附近出现归属于Yb²⁺ (4f-5d跃迁)的特征吸收峰。随着TB温度升高，这些额外吸收逐渐减弱。在300°C下进行TB后，样品的吸收光谱几乎完全恢复到辐照前的原始状态，表明高温TB能近乎彻底地消除辐射引起的暗化。 2. 光漂白效果有限： 相比之下，532纳米激光PB处理500分钟后，虽然也能观察到吸收强度的下降，但下降幅度有限，无法使吸收谱恢复到原始水平。这表明在本实验条件下，PB的恢复能力远不如高温TB。 3. 不同掺杂成分的影响： 两种成分的样品在辐照后表现出不同的RIA谱特征，暗示其产生的色心缺陷类型存在差异。但无论是Er/Yb/P还是Er/Yb/P/Al样品，TB和PB对它们各自RIA的总体恢复趋势是一致的：TB效果优于PB，且TB效果随温度升高而增强。
关于色心缺陷类型的鉴定结果： 通过对RIA光谱的高斯拟合和EPR谱分析，研究团队成功鉴定出两种样品中产生的主要色心缺陷类型及其特征参数（如吸收峰能量、EPR g因子）。 1. Er/Yb/P样品： 主要产生与磷相关的缺陷，包括R-POHC (俘获在两个与双配位P原子键合的非桥氧上的空穴)、L-POHC (俘获在与三配位P原子键合的非桥氧上的空穴)、P2 (俘获了未配对电子的四配位P原子)以及P1 (俘获了未配对电子的三配位P原子)缺陷。同时检测到Si-E’缺陷（俘获了未配对电子的三配位Si原子）和Yb²⁺。 2. Er/Yb/P/Al样品： 由于铝含量高、磷含量低，主要形成AlOHC（俘获在与四配位Al原子键合的氧原子上的空穴）、Al-E’（俘获了未配对电子的三配位Al原子）、Al-ODC（铝氧空缺中心）等铝相关缺陷，以及Si-E’缺陷和Yb²⁺。
这一结果证实了光纤成分直接影响辐照后色心缺陷的种类。其中，POHC和AlOHC等空穴型缺陷在光纤工作波段（如1.5微米）有较强吸收，是导致EYDF性能下降的主要因素。
关于漂白过程的动力学与机理结果： 1. 恢复程度与时间关系： 研究定量分析了不同色心缺陷的RIA值在TB和PB过程中的演化。发现：在固定TB温度下（如100°C, 200°C, 300°C），缺陷RIA值在最初5分钟内下降最快，延长至10分钟略有进一步下降，超过10分钟后变化不明显，表明TB效应在短时间内即可达到饱和。只有当温度进一步提高时，剩余缺陷的RIA值才会继续显著下降。在PB过程中，RIA值在前100分钟内下降明显，300分钟后下降速率减缓，500分钟后基本不再变化，PB的恢复效果存在极限。 2. 不同缺陷的稳定性差异： 通过比较归一化的RIA值变化幅度，发现POHC缺陷相比其他磷相关缺陷具有更高的光稳定性和热稳定性。铝相关缺陷对TB和PB的敏感性则较为相似。这解释了在相同漂白条件下，不同缺陷的恢复速率存在差异。 3. 机理阐释： 研究提出了TB和PB恢复RD的模型。RD过程涉及色心缺陷（电子/空穴俘获中心）的形成和稀土离子的还原（Yb³⁺ → Yb²⁺，可能还包括Er³⁺ → Er²⁺）。TB和PB过程则通过向系统输入能量（热能或光能），促使被俘获的电子或空穴发生重新排布，从而使不稳定的辐射诱导色心缺陷发生分解，同时降低Re²⁺的浓度，逆转RD效应。TB提供的能量输入高于PB，因此能更有效地促进恢复过程。 300°C的TB能几乎消除所有检测到的色心缺陷和Yb²⁺，而532纳米PB只能实现部分恢复。
四、 研究结论与价值
本研究的结论清晰而有力： 1. 热漂白是更有效的恢复手段： 对于γ辐照致暗的钼镱共掺光纤，热漂白（特别是300°C）的恢复效果远优于532纳米光漂白，能使样品的光学性能接近原始状态。 2. 漂白机制明确： TB和PB均通过分解辐照产生的色心缺陷和减少二价稀土离子（主要是Yb²⁺）含量来逆转暗化过程。其有效性取决于输入能量的大小以及特定缺陷的光/热稳定性。 3. 成分影响缺陷类型： 光纤的共掺成分（P/Al比例）决定了辐照后产生的主要色心缺陷种类（P相关或Al相关缺陷），但这些缺陷在TB和PB过程中表现出的恢复趋势是一致的。
本研究的科学价值在于，首次系统比较并阐明了TB和PB对不同成分钼镱共掺光纤辐射致暗化的恢复效果与微观机理，加深了对光纤中辐射损伤及恢复行为的物理理解。其应用价值尤为突出： * 为空间应用EYDFA的抗辐射加固提供了两种可行的技术路径（TB和PB）。 * 针对TB面临的常规光纤聚合物涂层不耐高温的难题，创新性地提出了一种适用于TB加固的双包层光纤结构设计：采用氟掺杂石英玻璃作为外包层，并结合可长期耐受300°C的聚酰亚胺涂层。这一设计突破了传统双包层光纤无法进行高温TB处理的限制。 * 针对PB，提出了一个在线应用系统方案，通过在光路中增加一个相对独立的漂白激光源，在需要时启动以缓解RIA，而不影响原有工作系统。
五、 研究亮点
本研究的亮点主要体现在以下几个方面： 1. 研究对象的针对性： 聚焦于空间激光通信关键器件——EYDFA的核心增益光纤，针对其在实际空间环境中面临的辐射损伤问题开展研究，具有明确的工程应用背景。 2. 实验设计的系统性： 系统对比了不同温度TB和特定波长PB对两种不同掺杂成分样品的恢复效果，并深入至缺陷层面进行分析，研究维度完整。 3. 分析手段的深度结合： 创新性地将宏观的RIA光谱拟合分析与微观的CW-EPR谱测试相结合，不仅鉴定了色心缺陷的具体类型，还动态跟踪了它们在漂白过程中的演化细节，使机理阐释具有坚实的实验数据支撑。 4. 结论的实践指导性： 不仅得出了“TB优于PB”的结论，还定量分析了不同缺陷的稳定性差异，并进一步提出了具有创新性的、可工程化实施的光纤结构设计方案和在线PB系统构想，将基础研究成果向实际应用推进了一大步。 5. 揭示了成分-缺陷-性能的关系： 明确了P/Al共掺比例如何影响辐照后产生的主要缺陷类型，这为通过成分设计优化光纤本征抗辐射性能提供了重要参考。
这项研究是一项从实际需求出发，结合深入机理探索，并最终回归工程解决方案的典范工作，对推动高性能、高可靠性空间光通信技术的发展具有重要意义。