本次向您介绍的研究工作，题为“The radiation hardness method of ASE source based on the inhomogeneous photo-bleaching effect”，发表在期刊 Optics and Laser Technology 上，于2024年10月30日在线发布，卷期为181 (2025) 112005。本研究的主要作者包括来自北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院的 Xiaowei Wang、Yan Li、Yong Li、Yafei Zhao、Ningfang Song、Jing Jin（通讯作者）以及来自中国科学院上海光学精密机械研究所的 Shen Tan。
本研究属于空间光电子器件可靠性技术领域，具体聚焦于用于干涉式光纤陀螺（Interferometric Fiber Optic Gyroscopes， IFOGs）的放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission， ASE）光源的抗辐射加固问题。随着卫星市场的繁荣，卫星平台及载荷中的光纤技术至关重要。IFOGs作为姿态惯性传感器，广泛用于航天器的制导、导航与控制子系统。ASE光源是IFOGs的核心组件，它发射高功率宽带连续光以抑制干涉噪声。然而，严酷的空间辐射环境会显著缩短ASE光源的在轨寿命。高能粒子轰击会导致掺铒光纤（Erbium-Doped Fiber， EDF）中产生着色中心（Color Centers），引起ASE光源的输出功率下降、平均波长漂移和光谱形状变化，最终导致IFOG性能下降甚至失效。
目前有多种提升EDF抗辐射能力的方法，如成分优化（掺杂变价离子如铈）、预处理（加载氢气）、后处理（热退火/光退火）以及系统级优化（安装金属屏蔽层）等。其中，光退火效应是一种主动且有效的辐射加固方法。泵浦光可以激发被辐射诱导缺陷捕获的电子或空穴，使其扩散并在光纤基质中复合，从而加速不稳定着色中心的“漂白”速度。然而，先前研究普遍认为光退火过程在光纤轴向是均匀的。本研究团队发现，由于信号光的放大过程，EDF中的泵浦光轴向功率分布实际上是非均匀的，这导致光纤不同位置的光退火效应强弱不同，进而使得着色中心的分布也是非均匀的。这一现象使得基于均匀退火假设的在轨性能预测变得不准确。因此，本研究旨在建立一个包含辐射诱导衰减和非均匀光退火过程的复合模型，以精确描述ASE光源在辐射环境下的动态演化过程，并基于此提出一种针对性的主动辐射加固方法，从而延长ASE光源的空间使用寿命。
本研究包含三个紧密衔接的主要环节：模型建立、仿真验证与实验验证，流程系统且完整。
第一环节：建立复合模型与参数获取。 研究的起点是建立一个能够描述EDF在辐射环境下动态行为的复合模型。该模型整合了两个同时发生的过程：辐射诱导着色中心的生成，以及泵浦光对不稳定着色中心的光致退火。模型的核心方程基于掺铒光纤的传播方程和着色中心的动力学模型。研究团队创新性地在动力学模型的退火时间常数中引入了轴向位置变量，以表征非均匀性。为了获取模型中关键参数，团队设计并执行了离线与在线两组互补的辐射实验。 * 实验对象与设置： 实验使用了两段商用掺铒光纤样品。实验在钴-60辐射源中进行，总辐射剂量为300 Gy，剂量率为1 Gy/min，室温环境。仅将光纤样品置于辐射室内，其他光电器件置于室外。 * 实验过程： 1. 离线辐射与参数拟合（针对光退火参数）： 将一段EDF（记为EDF #1）进行离线辐射至300 Gy。辐照后，立即用980 nm泵浦光（功率20 mW）对其进行120分钟的光退火处理，并在线监测透射泵浦功率的演化过程。根据透射功率的恢复曲线，使用遗传算法进行迭代拟合，反解出模型中两种主要不稳定着色中心（STH2和Al-OHC(4)）的光退火参数，包括它们与泵浦光功率的依赖关系。这是本研究的一个关键步骤，通过实验数据精确标定了模型中的关键系数。 2. 在线辐射与参数拟合（针对生成参数）： 将另一段EDF（记为EDF #2）与980 nm泵源和隔离器在线连接，构成一个简单的ASE光源，并置于辐射场中。在持续辐照的同时，实时监测ASE光源输出功率的衰减过程。同样使用遗传算法对衰减曲线进行拟合，从而确定不同着色中心（STH2, Al-OHC(1), Al-OHC(4)）的生成速率参数。 * 数据分析方法： 核心是遗传算法拟合。研究者以实测的透射功率曲线或输出功率衰减曲线为目标，不断调整动力学模型中的参数初始值，通过迭代计算使模型预测曲线与实验曲线达到最佳吻合（R² = 0.999），从而获得了高精度的生成与退火参数。这些参数构成了后续仿真和设计加固方法的基础。
第二环节：基于模型的辐射加固方法设计与数值仿真。 在获得完整模型参数后，研究转入仿真设计阶段。团队选择了具有高输出功率和低自激振荡敏感性的双通前向结构作为ASE光源的范例进行研究。 * 仿真流程： 首先，通过扫描EDF长度（2-7米），确定了在50 mW泵浦功率下，最优的EDF长度为4.2米，此时ASE光源输出功率最大。随后，仿真模拟了一个完整的三阶段任务场景：初始辐射、主动光退火、二次辐射。在初始辐射阶段，模拟了ASE光源输出功率随辐射剂量增加而下降的过程，直至降至导航级IFOG所需的最低功率阈值（6.5 mW，对应120 Gy剂量）。此时，他们深入分析了导致功率下降的原因，通过仿真揭示了沿EDF轴向，泵浦功率因信号放大和着色中心吸收而急剧下降，导致光纤末端的STH2着色中心吸收损耗反而高于中前段，明确了性能恶化的空间非均匀性根源。 * 加固策略优化： 基于上述分析，他们提出在功率衰减到阈值时，启动主动辐射加固操作：即在有限时间内提高泵浦功率，以加速整个光纤（尤其是末端）不稳定着色中心的退火。为了确定最优的加固参数（即“多高的功率”和“持续多久”），他们进行了系统的参数扫描仿真。通过递归算法，以输出功率增量低于2%作为边际效益递减的判据，最终确定了最优的主动退火参数为：将泵浦功率从50 mW提升至100 mW，并持续120分钟。仿真预测，经过此操作后，ASE光源的输出功率可从6.5 mW恢复至8.2 mW，提升约26.2%。仿真结果还清晰展示了退火前后，两种不稳定着色中心（STH2和Al-OHC(4)）沿光纤轴向的吸收损耗分布发生了显著变化，尤其是对泵浦光更敏感的STH2中心在光纤末端得到了有效抑制。
第三环节：实验验证。 为了验证模型和所提加固方法的有效性，研究团队搭建了双通前向ASE光源实验系统进行在线辐射-退火实验。 * 实验过程： 实验严格遵循仿真设计的三个阶段进行：首先，对EDF进行120分钟（120 Gy）的在线辐射；接着，主动将泵浦功率提升至100 mW，持续120分钟进行光退火；最后，将泵浦功率恢复至50 mW，再进行60分钟的二次辐射。在整个过程中，持续监测ASE光源的输出功率。 * 结果比对： 实验测得的输出功率演化数据（图中黑色圆点线）与复合模型的仿真预测曲线高度吻合。这一致性有力地证明了所建立的非均匀光退火复合模型能够准确描述ASE光源在辐射环境下的动态过程，同时也验证了所提出的主动辐射加固方法的可行性和有效性。
本研究的主要结论是：掺铒光纤中轴向光功率分布的非均匀性导致了光退火效应及随之产生的着色中心分布也是非均匀的，传统均匀模型无法准确预测ASE光源的在轨性能。为此，本研究成功建立了包含非均匀光退火过程的复合模型，并基于此提出了一种通过临时提高泵浦功率来加速不稳定着色中心退火的主动辐射加固方法。实验证明该方法能有效恢复光源输出功率，预计可延长其在轨寿命约30%。
该研究的价值体现在： * 科学价值： 首次系统揭示并量化了ASE光源中光退火效应的轴向非均匀性，建立了更精确的动态损伤与恢复模型，为深入理解空间辐射环境下有源光纤器件的性能演化机制提供了新视角和新工具。 * 应用价值： 提出了一种无需增加额外硬件（仅利用IFOG现有泵浦驱动电路和数字信号处理电路进行功率监控与调节）、不依赖复杂预处理工艺的系统级主动辐射加固方案。这种方法可直接应用于现有的星载光电模块升级，对于提高航天器光纤陀螺等关键部件的可靠性、延长卫星寿命、同时满足设备小型化、轻量化、低功耗的需求具有重要意义。 * 推广价值： 该方法不仅适用于掺铒光纤ASE光源，其原理——通过分析特定光纤中着色中心的生成与退火动力学，利用光源自身提高光功率来促进着色中心恢复——同样可推广至采用单模光纤、保偏光纤的其他空间光纤器件，具有广泛的适用前景。
文章在最后讨论部分，简要勾勒了将该方法集成到实际IFOG系统中的技术方案示意图。该方案利用现有的泵浦驱动电路和数字信号处理电路，通过监测ASE光源输出功率，并与预设阈值比较，自动触发提高泵浦电流的指令，从而实现无需额外硬件的主动加固。这进一步凸显了该技术方案的工程实用性和易集成特点。此外，研究还得到了中国航空科学基金和国家自然科学基金的资助，体现了其重要的应用背景和学术价值。