本研究由中国科学院上海光学精密机械研究所（Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences）特种玻璃与光纤研究中心先进激光与光电子功能材料部的朱一鸣（Yiming Zhu）、王璠（Fan Wang）、邵冲云（Chongyun Shao）等人，联合中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences）材料科学与光电工程中心及杭州高等研究院完成。该论文发表于爱思唯尔（Elsevier）旗下期刊《Optics and Laser Technology》第200卷（2026年），文章编号115150，于2026年3月20日在线发表。
铒镱共掺光纤激光器（Er/Yb co-doped fiber lasers, EYDFLs）因其高输出功率、紧凑结构和优异光束质量，在光通信、工业加工及空间激光通信等领域具有广泛应用。然而，空间环境中存在的高能粒子和电离辐射会在光纤纤芯中引起辐射诱导吸收（Radiation-Induced Absorption, RIA），导致激光器输出功率严重退化。空间任务中光学元件在轨运行数年通常累积10–100 krad(SiO₂)的总剂量。由于物理屏蔽会显著增加质量，对空间任务不可接受，因此提升有源光纤的固有抗辐射能力成为关键策略。
目前，铒镱共掺光纤（Er/Yb co-doped fibers, EYDFs）中RIA主要来源于与共掺剂相关的缺陷。常用的辐射加固方法中，铈（Ce）共掺是最普遍且有效的手段。然而，Ce的引入通常会增加纤芯折射率，并对激光效率产生负面影响，使得高浓度铒镱掺杂受到限制。在保证数值孔径（Numerical Aperture, NA）的前提下提高铒镱浓度，可以缩短增益光纤长度，从而在系统层面减少辐射诱导退化。因此，如何在激光性能和抗辐射性能之间取得最优平衡，是该领域的关键问题。
本研究的目标是制备一种不含Ce的抗辐射保偏（Polarization-Maintaining, PM）铒镱光纤，通过在磷（P）高共掺环境中引入适量铝（Al），利用Al与P形成AlPO₄结构单元降低纤芯折射率的特性，在不改变NA的条件下提高铒镱掺杂浓度，从而同时获得高激光效率和抗辐射性能，并系统阐明Al掺杂对光纤结构和性能的影响机制。
本研究的工作流程包括光纤制备、辅助玻璃样品制备、激光性能测试、辐射性能测试以及微观结构表征五个主要环节。
在光纤制备方面，作者采用溶胶掺杂（sol doping）与改进化学气相沉积（Modified Chemical Vapor Deposition, MCVD）相结合的工艺，制备了两种自研光纤：一种为铒/镱/铝/磷共掺光纤，记为#EYA；另一种为铒/镱/磷/铈共掺光纤，记为#EYC。此外，还选用了一款商用抗辐射光纤#CMF和一款非抗辐射光纤#CMF-NR作为对照。#EYA的铒质量分数为0.26%，镱为4.25%，铝为0.95%，磷为8.7%；#EYC的铒为0.15%，镱为3.0%，铈为0.80%，磷为7.6%。两种光纤的纤芯直径均为12 µm，包层直径125 µm，NA为0.19。#EYA在1535 nm处的纤芯吸收为65.9 dB/m，显著高于#EYC的40.9 dB/m和#CMF的39.6 dB/m。
同时，作者通过溶胶-凝胶法结合高温烧结制备了两种理论组成分别为Er₂O₃-Yb₂O₃-P₂O₅（EYP）和Er₂O₃-Yb₂O₃-Al₂O₃-P₂O₅（EYAP）的块体玻璃样品用于辅助表征，其中EYP不含Al，EYAP含1 mol% Al₂O₃。电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）确认实际磷含量比理论值低约10%，其余掺杂剂浓度与目标值一致。玻璃样品被抛光至2 mm厚，在100 krad X射线辐照前后测量吸收光谱。
在激光性能测试中，作者搭建了铒镱共掺光纤放大器（EYDFA）测试系统，采用后向泵浦方案。1550 nm信号光功率约10 mW，先经掺铒光纤放大器（EDFA）预放大至约200 mW，泵浦源为940 nm多模激光二极管，最大泵浦功率12 W。输出端通过波分复用器滤除1 µm附近的残余放大自发辐射（ASE）后测量功率。
辐射性能测试包括RIA测量和辐射诱导增益变化（Radiation-Induced Gain Variation, RIGV）监测。RIA测量采用钨卤灯光源耦合入EYDF，用光谱分析仪记录透射谱。辐照采用X射线源，剂量率约6 krad(SiO₂)/h，总剂量为10 krad(SiO₂)。RIGV测试在辐照过程中连续监测，仅EYDF暴露于X射线场，其余元件均被屏蔽。
微观结构表征采用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）结合能量色散X射线光谱（EDS）元素分布分析，以及1535 nm处铒离子的荧光寿命测量。
在激光性能方面，作者首先研究了光纤长度对斜率效率的影响。在6.5 m长度下，#EYA、#EYC和#CMF的斜率效率分别为46.4%、38.9%和36.1%，12 W泵浦功率下对应的输出功率分别为5.45 W、4.59 W和4.08 W。#EYA的效率显著高于两种含Ce光纤。这一改进主要归因于去除Ce后可以大幅提高铒镱掺杂浓度，从而显著增强吸收。升高的磷浓度改善了稀土离子分散性、抑制了团簇，并提供了高声子能量环境，提高了Yb³⁺向Er³⁺的能量传递效率。适量Al的引入进一步改善了稀土离子分布的均匀性。在Al与P同时共掺的情况下，Al与P可形成AlPO₄结构单元，有效降低纤芯折射率，从而在保持NA为0.19的同时实现更高的铒镱浓度。
TEM结果进一步证实了上述分析。#EYC中观察到明显的相分离现象，存在尺寸为55–75 nm和10–20 nm的液滴状第二相区域。EDS元素分布图显示Er、Yb和P在部分区域内富集，同时Si相对贫乏，表明形成了稀土-磷聚集体。相比之下，#EYA未观察到可测量的相分离。由于两种光纤的制备条件除Al掺杂外完全相同，这些结果证实Al有效抑制了高磷共掺石英玻璃中的相分离并减轻了稀土团簇。稀土离子在富磷相中的局部富集会诱发浓度猝灭，降低激光性能，并增加辐照下形成磷相关缺陷中心的可能性。荧光寿命测量显示，#EYA中Er³⁺在1535 nm处的寿命为10.69 ms，长于#EYC的9.33 ms，与团簇减少和均匀性改善一致。
在辐射性能方面，100 krad X射线辐照后，#EYA的RIA略高于#EYC，但两者的光谱特征相似，表明抗辐射性能相当。RIGV连续监测结果显示，10 krad总剂量后，#EYA、#EYC、#CMF和#CMF-NR的增益下降分别为1.39 dB、1.47 dB、1.07 dB和5.78 dB。#CMF表现出最低的增益退化，这与其可能具有更高的Ce浓度有关，但其激光效率也最低。关键在于，在不含Ce的情况下，#EYA仍然获得了与含Ce的#EYC相当的抗辐射性能。
块体玻璃样品的RIA光谱为机制解释提供了直接证据。辐照后，EYAP样品中与磷相关缺陷相关的吸收显著降低，同时出现了与铝相关缺陷有关的额外吸收带。高斯分解确认EYAP样品中磷相关缺陷吸收的显著减少。由于P1缺陷中心的吸收带位于约1.56 µm，Al掺杂减少了磷相关缺陷中心的形成，这直接解释了#EYA光纤中观察到的抗辐射性能改善。作者认为，尽管本研究中的P/Al比远高于此前报道，但部分P和Al可能仍形成AlPO₄结构单元，而AlPO₄结构比其他Al或P相关构型更稳定，对辐照更不敏感，这可能是去除Ce后辐射抗性未显著劣化的原因之一。同时，在铒镱铝磷共掺体系中，过量Al会降低Yb³⁺向Er³⁺的能量传递效率，因此作者仅引入了适量且相对低浓度的Al以实现抗辐射性能和激光性能的平衡。
本研究成功研制了一种无Ce抗辐射保偏Er/Yb/Al/P共掺光纤。与传统含Ce抗辐射光纤相比，无Ce设计在保持相同纤芯NA的条件下实现了更高的铒镱掺杂浓度，激光斜率效率显著提升至46.4%。该光纤的抗辐射性能与自研含Ce光纤相当，满足当前大多数低地球轨道任务的要求。更高的吸收系数还允许使用更短的增益光纤，从而在辐照环境下经受更少的退化。TEM、荧光寿命和RIA谱的表征结果证实，Al掺杂有效抑制了相分离、减轻了稀土团簇，改善了光纤的结构均匀性。
本研究的科学价值在于阐明了Al在铒镱磷共掺石英光纤中抑制相分离、减少磷相关缺陷、平衡激光性能与抗辐射性能的机制，为无Ce抗辐射有源光纤的设计提供了新的思路。其应用价值在于为未来高性能星载光纤激光系统提供了具有更高效率且具备足够抗辐射能力的有源光纤方案，有助于缓解空间任务中质量受限条件下辐射屏蔽与激光性能之间的矛盾。
本研究的首要亮点是成功证明了在不依赖Ce掺杂的情况下，通过Al/P共掺结构调控，可以在保持抗辐射性能的同时显著提高激光效率，从而打破了传统Ce掺杂带来的激光性能瓶颈。其次，研究通过TEM直接观察了含Ce光纤中的相分离现象，并通过对比证实了Al对稀土团簇的抑制作用，为理解Al掺杂的结构效应提供了直观证据。第三，块体玻璃RIA谱的高斯分解分析将Al掺杂的抗辐射机制与磷相关缺陷（特别是P1缺陷中心）的抑制建立起了定量联系，为机制解释提供了有力的光谱学依据。此外，研究在相同制备工艺和测试条件下系统比较了无Ce光纤、含Ce光纤和商用抗辐射光纤的激光与辐射性能，增强了结论的说服力。