[发明专利]一种抗光子暗化的有源光纤及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及种有源光纤及其制备方法，特别涉及一种能够提升抗光子暗化性能的有源光纤及其制备方法。

背景技术

高功率光纤激光器是以稀土掺杂双包层光纤为工作介质、以半导体激光器为泵浦源的种全固态激光器件。自1988年Snitzer等人提出双包层激光光纤之后，基于包层泵浦技术的光纤激光器和放大器获得了快速发展。特别是近年来随着光纤制备技术和半导体激光器的发展，光纤激光器获得迅猛发展。2005年，美国、英国、德国和日本分别实现单纤输出功率超过kW量级。2009年，美国IPG photonics公司单纤输出已达万瓦量级，且具有近衍射极限的光束质量。因为光纤激光器光束质量好、效率高且结构紧凑，所以在高精度激光焊接、切割等工业应用、激光医疗和国防军事等领域有着重要的应用。但随着光纤激光器功率的攀升，掺稀土光纤纤芯中的光子暗化效应成为限制激光器寿命和稳定性的主要因素之一。

光子暗化效应表现为泵浦光泵浦掺稀土光纤后，光纤激光器的输出功率随时间逐渐降低。由光子暗化效应诱导的永久光吸收损耗在可见光波段极为显著，损耗随泵浦时间的增加而持续增加，在经历较长时间后，吸收饱和，损耗趋于稳定。并且，可见光波段的吸收尾部延伸至近红外波段，致使光纤在泵浦波长及激光器工作波长处的传输损耗也随时间延长而增加，导致光纤激光器斜率效率降低。这种现象多发生在以二氧化硅为基质的有源光纤中，已经在掺镱光纤、掺铥光纤、掺镨光纤和掺铕光纤等有源光纤中观测到，其中对掺镱石英基质光纤光子暗化效应的研究尤为广泛。

但是，光子暗化效应产生的机理仍未形成定论。通常情况下，掺杂光纤老化的根本物理过程可以归因为石英基质中色心的形成或其它光诱导结构的改变，如聚合物涂层损耗或者是高能量粒子的辐射损伤。由于光子暗化是由信号光和泵浦光引起的纤芯附加损耗，所以很容易同聚合物涂层损耗或高能粒子辐射损伤等效应诱导功率降低区分开，目前基本的共识是色心的形成最终致使光子暗化效应的产生。而对于色心形成机制的解释，主要有两种观点：一种观点是氧缺陷中心是色心形成的前躯体(参见S.Yoo，C.Basu，A.J.Boyland，et.al.，Photodarkening in Yb-doped aluminosilicate fibers induced by 488nm irradiation.Optics Letters，2007.32(12))，另外一种是认为电荷转移造成稀土离子价态的改变并在氧配位键周围形成空穴，从而诱发色心的产生(参见M.Engholm，L.Norin，et.al.，Strong UV absorption and visible luminescence in ytterbium-doped aluminosilicate glass under UV excitation.Optics Letters，2007.32(22))。

为了降低光子暗化效应提升光纤激光器的稳定性，已有众多高校及研究机构开展相关的实验并提出抑制光子暗化的途径。

美国专利US-A-2000/6154598公开了一种防止光诱导损耗的方法。Pavle Gavrilovic等人通过有意引入适量其它稀土的方式来抑制上转换过程，从而增加光纤激光器的寿命。

美国专利US-2009/0011233-A1提出通过共掺磷的方式，提升光学有源玻璃和光纤的抗光子暗化性能。

美国专利US-2009/0231683-A1提出一种处理方法以抑制镱掺杂光纤中的光子暗化效应。处理方式为先采用伽马射线、X射线或者电子束中的一种或多种辐照掺镱光纤，辐照能量大于光纤处于激光振荡时光纤中传输的光能，使光纤形成光诱导缺陷。随后，对光纤进行载氢处理，获得具有抗光子暗化效应的掺镱光纤。

M.Engholm等人研究发现掺镱光纤中铈的掺入可以提升光子暗化性能。他们指出常规掺镱石英光纤运行48小时后，在978nm处产生40％的非饱和损耗，而相同镱掺杂浓度的铈镱共掺光纤运行8小时后，产生7-9％的饱和损耗(参见M.Engholm，P.Jelger，et al.，Improved photodarkening resistivity in ytterbium-doped fiber lasers by cerium codoping.Optics Letters，2009.34(8)：p.1285-1287.)。虽然铈的掺入在一定程度上降低了光子暗化效应，但是对镱稀土离子的发射截面、荧光寿命等都产生了不利的影响，使得光线激光器的斜率效率有所降低。