本报告将向您介绍一篇发表于 Ceramics International 期刊（卷51，2025年，第1424-1431页）上的原创性研究论文。该研究题为 “effect of ce co-doping on radiation resistance behavior and laser performance of er/yb/ce co-doped high-phosphorous polarization-maintaining silica fiber”，主要作者为 Yiming Zhu，研究团队来自 中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院大学、中国科学院金属研究所、中国科学院杭州高等研究院及中国原子能科学研究院 等多家机构。
这项研究的学术领域属于特种光纤、激光材料和抗辐射材料学的交叉范畴。其开展的背景源于空间应用中对高性能、高可靠性光纤激光器的迫切需求。特别是在空间激光雷达、空间光通信和大气遥感等应用中，工作于1.5 μm波段的掺铒/镱共掺光纤放大器因其轻量化、高稳定性和光束质量好等优势，展现出巨大潜力。然而，空间环境中存在的电离辐射会显著增加有源光纤的损耗，即产生辐射致暗化效应（Radiation-Induced Darkening，RD），这是导致激光器输出功率急剧下降的主要原因。过去的研究发现，高磷掺杂的铒/镱共掺光纤可以有效降低Er³⁺离子的团簇，并提高Yb³⁺到Er³⁺的能量转移效率，但磷本身在辐射下会大量产生与磷相关的色心（Color Centers），反而加剧损耗。因此，如何同时提升高磷铒镱共掺光纤的激光性能和抗辐射性能，成为一个关键的挑战。铈共掺杂被认为是解决RD效应的有效方法之一，但其具体作用机制、在特定高磷体系中的最佳浓度以及对最终光纤激光性能的综合影响，仍需深入系统的研究。基于此，本研究旨在系统探究铈掺杂对高磷铒镱共掺硅酸盐光纤芯玻璃及最终光纤的光谱特性、激光性能和抗辐射行为的影响机制，并优化制备出兼具高激光效率和优异抗辐射性能的偏振保持光纤。
研究的详细工作流程清晰严谨，主要包括玻璃材料制备与表征、光纤制备与表征和综合性能评估三大阶段。
第一阶段：玻璃样品的制备、光谱特性与抗辐射机理研究。 首先，研究团队采用改进的溶胶-凝胶法结合高温烧结工艺，制备了一系列具有不同Ce₂O₃浓度（x = 0， 0.1， 0.2， 0.4 mol%）的块体玻璃样品，其基础组分为0.04Er₂O₃-0.6Yb₂O₃-1Al₂O₃-13P₂O₅-xCe₂O₃-(85.36-x)SiO₂（摩尔百分比），分别命名为EYAPC0， EYAPC1， EYAPC2， EYAPC4。同时，还制备了一种不含稀土元素掺杂的AP玻璃作为对比样。所有样品被抛光成直径约10毫米、厚度2毫米的圆片以供后续测试。
在光谱性能评估方面，研究使用980 nm激光二极管激发，测量了Er³⁺离子的光致发光（Photoluminescence， PL）光谱和荧光寿命。实验发现，随着Ce₂O₃浓度的增加，由Yb³⁺（²F₇/₂ → ²F₅/₂跃迁）和Er³⁺（⁴I₁₅/₂ → ⁴I₁₃/₂跃迁）产生的吸收峰形状不变。然而，上转换发光强度随Ce浓度增加而逐渐降低，这归因于Er³⁺:⁴I₁₁/₂ + Ce³⁺:²F₅/₂ → Er³⁺:⁴I₁₃/₂ + Ce³⁺:²F₇/₂的能量转移过程抑制了上转换。更重要的是，光致发光积分强度在Ce₂O₃浓度低于0.1 mol%时有所增强，但超过此浓度后则下降，这表明存在一个最佳的Ce掺杂浓度范围。荧光寿命也呈现随Ce含量增加而轻微下降的趋势。这些结果表明，适量的Ce可以增强能量转移，但过量则会通过三光子能量转移过程消耗Er³⁺的亚稳态粒子数。
在抗辐射性能与机理研究方面，团队对玻璃样品进行了总剂量为100 krad、剂量率为144 krad/h的X射线辐照。通过辐射诱导吸收（Radiation-Induced Absorption， RIA）光谱、电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance， EPR） 和 Ce的L₃边X射线吸收近边结构（X-ray Absorption Near Edge Structure， XANES）光谱进行了系统分析。RIA光谱显示，辐照后样品在540 nm附近出现明显的吸收带，该吸收带可延伸覆盖光纤的工作波长，直接影响光谱性能。随着Ce₂O₃浓度的增加，RIA强度显著降低。在无稀土掺杂的AP玻璃中，RIA高斯分峰揭示了多种磷相关色心的存在，包括室温稳定的磷氧空穴中心、低温稳定的磷氧空穴中心、磷悬空键、磷相关缺氧中心和硅悬空键。EPR谱进一步证实，辐照后样品中产生的色心主要为磷相关的缺陷中心，而Ce的掺杂能够有效抑制这些缺陷中心的形成。最关键的机理证据来自Ce的L₃边XANES光谱，通过与标准样品CeF₃（Ce³⁺）和CeO₂（Ce⁴⁺）的对比，发现辐照前后的EYAPC4玻璃中Ce的价态光谱特征几乎不变，呈现Ce³⁺和Ce⁴⁺共存且以Ce³⁺为主的态势。这表明，在辐照过程中，Ce³⁺和Ce⁴⁺离子之间发生了动态价态转换：Ce³⁺离子通过捕获辐射诱导的空穴转化为Ce⁴⁺，从而减少空穴捕获中心（如磷氧空穴中心）的浓度；同时，Ce⁴⁺离子通过捕获电子还原为Ce³⁺，抑制了电子捕获中心（如硅悬空键）的形成。这种“缓冲”作用有效防止了其他色心的产生，提升了玻璃的抗辐射性能。
第二阶段：基于玻璃研究结果，进行光纤的优化制备与结构表征。 基于第一阶段的发现，研究团队确定了合适的Ce掺杂浓度范围。他们采用改进的MCVD和溶液掺杂技术，并结合打孔插入硼棒的方法，制备了两种熊猫型偏振保持双包层光纤，分别命名为EYDF-1和EYDF-2。EYDF-1的Ce₂O₃浓度接近EYAPC1，而EYDF-2具有稍高的Er³⁺、Yb³⁺和Ce³⁺掺杂浓度。光纤芯径为12 μm，包层直径125 μm。使用折射率剖面仪测量了光纤的折射率分布，并观察到芯区中心存在折射率凹陷，这可能对激光效率产生影响。然而，由于两根自制光纤的芯区凹陷程度相当，其性能仍可在相同测试平台下进行有效比较。
第三阶段：自制光纤与商用光纤的综合性能对比测试。 此阶段旨在评估光纤的激光性能和抗辐射性能。激光性能测试平台采用后向泵浦结构，使用940 nm多模激光二极管泵浦，输入1550 nm信号光。结果显示，在相似的包层吸收下，自制光纤EYDF-1、EYDF-2和商用Nufern光纤的斜率效率分别为38.1%、35.9%和38.4%，输出功率在11.23 W泵浦下分别达到4.49 W、4.09 W和4.64 W。EYDF-1展现了与商用Nufern光纤相媲美的高激光效率。
抗辐射性能测试则是在低剂量率（100 rad/h） 的伽马射线环境中进行的，更接近实际空间任务的辐射条件。研究测试了三个指标：1. 背景损耗变化：辐照至60 krad后，商用Nufern光纤在1200 nm处的损耗急剧增加了约2000 dB/km，而自制EYDF-1和EYDF-2光纤仅分别增加了162 dB/km和174 dB/km，抗辐射性能显著优于商用光纤。2. 激光效率衰减：随着辐照剂量累积至60 krad，三根光纤的效率均有衰减。Nufern光纤效率从38.4%大幅下降至9.8%，而EYDF-1和EYDF-2则分别降至29.3%和26.5%。3. 辐射诱导增益变化（Radiation-Induced Gain Variation， RIGV）：这是一个更直观反映有源光纤在激光器中增益变化的指标。计算得出，在60 krad剂量下，EYDF-1、EYDF-2和Nufern的RIGV值分别为0.019 dB/krad、0.021 dB/krad和0.090 dB/krad。自制光纤的RIGV值远低于商用光纤，表明其在辐射环境下增益稳定性极佳。此外，研究还测量了光纤双折射拍长谱，发现85 krad辐照后，EYDF-1光纤的双折射仅发生微小变化，说明低剂量电离辐射对其偏振保持特性影响不大。
本研究取得的主要结果相互支撑，层层递进。首先，通过玻璃样品的研究，明确揭示了Ce掺杂在高磷铒镱共掺体系中的双重作用和最佳浓度窗口：一方面，适量的Ce³⁺可以改善能量转移，但过量则会通过能量竞争降低发光效率；另一方面，Ce³⁺/Ce⁴⁺的动态价态转换是其提升抗辐射性的核心机理，通过抑制磷相关缺陷的形成，显著降低了辐照诱导的吸收和色心数量。这些结果为光纤的组分优化提供了直接依据。随后，基于优化浓度制备出的光纤（EYDF-1）成功验证了实验室研究的可行性：其激光效率达到了商用高性能光纤的水平，同时在低剂量率伽马辐照下表现出卓越的抗辐射稳定性，背景损耗增加极小，增益衰减远小于对比的商用光纤。这证明了通过合理的Ce共掺杂设计，完全可以实现高磷铒镱共掺光纤激光性能与抗辐射性能的平衡与协同提升。
综合来看，本研究得出了明确的结论：在Er/Yb/CE共掺杂高磷硅酸盐光纤芯玻璃中，Ce的引入存在一个优化浓度范围。当Ce₂O₃浓度较低时，可以增强Er³⁺离子在1.5 μm的PL强度；但随着浓度进一步升高，Er³⁺的荧光寿命和PL强度均会下降。通过RIA和EPR光谱证实，电离辐射会在玻璃中产生大量磷相关色心，而Ce的掺杂能有效抑制这些色心的形成。Ce L₃边XANES光谱直接证实了玻璃中Ce³⁺和Ce⁴⁺离子的共存及其在辐照前后的动态价态平衡转换，这是提升含Ce玻璃抗辐射能力的关键机制。基于此优化制备的EYDF-1光纤，在激光效率上可与商用光纤媲美，并且在100 rad/h的低剂量率伽马射线辐照下，展现出优异的抗辐射性能（RIA 0.16 dB/m @ 60 krad， RIGV 0.019 dB/krad）。
本研究的科学价值在于，首次通过从块体玻璃到光纤的完整实验链条，系统地揭示了Ce共掺杂在高磷铒镱共掺硅酸盐体系中的作用机理——即Ce³⁺/Ce⁴⁺的动态价态转换对磷相关色心的抑制机制，并建立了玻璃组分（特别是Ce浓度）与最终光纤激光性能和抗辐射性能之间的定量关系。其应用价值则更为突出：成功研制出一种兼具高激光效率和卓越抗辐射性能的Er/Yb/Ce共掺杂高磷偏振保持硅酸盐光纤，为面向空间应用的高功率、高稳定性、长寿命光纤激光器和放大器的核心增益介质提供了关键材料解决方案，尤其适用于卫星激光雷达、空间光通信、空间光纤陀螺仪等对偏振光源和辐射环境耐受性有严苛要求的领域。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：第一，研究体系完整且深入：从基础玻璃材料的机理研究，到光纤的优化制备，再到与实际应用紧密相关的激光效率与抗辐射性能的综合测试，形成了一个从材料机理到器件性能的闭环研究路径。第二，揭示了新颖的机理：通过结合RIA、EPR和XANES等多种先进表征手段，清晰、直接地证明了Ce³⁺/Ce⁴⁺价态的动态转换是提升抗辐射性能的根本原因，为相关材料设计提供了深刻的理论指导。第三，采用了更具实际意义的测试条件：与许多同类研究使用高剂量率（>1 krad/h）不同，本研究特别采用了低剂量率（100 rad/h）的伽马射线进行辐照测试，其条件更接近于真实的空间辐射环境（如低地球轨道任务），因此所得数据（如RIGV）对空间应用具有更高的参考价值。第四，性能指标优异：所制备的光纤在保持与商用高端光纤相当的激光效率的同时，其抗辐射性能（RIGV）显著优于未进行抗辐射设计的商用光纤，证明了设计方案的有效性和先进性。第五，兼顾了偏振特性：研究制备的是熊猫型偏振保持光纤，并验证了其双折射在辐照后的稳定性，这使得研究成果能直接应用于需要线偏振输出的空间激光系统。
此外，研究中对铈掺杂浓度“最优窗口” 的精细探索，以及对辐射诱导增益变化作为性能评价指标的重视，也为该领域未来的研究和工程应用提供了重要的方法论参考。