光暗化效應

光暗化效應也稱光子暗化（photodarkening）效應，是一種誘導吸收損耗現象，會導致摻雜光纖芯層背景損耗永久性增加。在摻鐿矽酸鹽玻璃光纖中的光暗化是指一種低能量吸收拖尾造成900nm～1000nm的泵浦帶以及1100nm發射帶的光能量附加損耗的現象。

基本介紹

• 中文名：光暗化效應
• 外文名：photodarkening

光暗化現象

中國科學院安徽光學精密機械研究所的朱宗玖等人採用光纖雷射器和放大器結構方案，觀察到了高濃度摻鐿光纖（YDF）的光子暗化現象。對雷射器閾值和輸出功率、放大器輸出譜的測量結果表明，光子暗化效應導致了高摻雜濃度YDF的功率轉換效率隨泵浦作用時間的增加而下降，且下降為單調不可逆過程，但隨著泵浦時間的增加，這種下降逐漸變緩，功率轉換效率最終可趨於穩定。

實驗方案見圖1。

圖1(a)為光纖雷射器實驗方案。圖1(b)為光纖放大器方案。

圖1 實驗方案

雷射器和放大器所用的活性光纖為待研究的高摻雜濃度YDF(加拿大Coractive公司商售產品)，均未受過任何泵浦輻射，芯徑5 μm，截止波長約775 nm，數值孔徑約0.12，背景損耗小於40dB/km，974 nm處的吸收係數大於800 dB/m。

光纖雷射器的實驗結果見圖2和圖3。圖2描述的是光纖雷射器閾值隨泵浦時間的變化關係。圖3描述光纖雷射器輸出功率隨泵浦時間的變化。

圖2 光纖雷射器閾值功率隨時間的變化

圖3 光纖雷射器輸出功率隨泵浦時間的變化

光纖放大器的實驗結果見圖4，描述100 mW泵浦功率下不同時刻所記錄的前向和後向ASE譜。

圖4 光纖放大器輸出ASE譜隨時間的變化

光暗化的機理

關於光暗化的機理一直處於辯論之中，主要有兩種學術觀點：一種是英國南安普敦大學的S. Yoo的”氧缺陷(ODCs)色心“機理，另一種是瑞典Acreo光纖實驗室的M. Engholm的”電荷轉移(CT)色心”機理。

鐿摻雜的鋁矽酸鹽中的氧缺陷(ODCs)色心是導致短波長能量吸收，從而引起紫外與紅外波長的誘導損耗。當鐿離子數超過石英基中空穴數時，Yb-Al或Yb-Yb陽離子間的價鍵遭到破壞的幾率增大。釋放的自由電子被GeO4四面體俘獲，形成Ge(1)色心，其吸收峰位於280 nm。Yb-ODCs，通過雙光子吸收釋放的自由電子被Al或Yb俘獲，形成色心導致光暗化。二價的鐿離子Yb2+的特徵吸收峰位於220 nm。但是，其吸收曲線並不符合典型的二價鐿離子吸收曲線。石英玻璃中的典型ODC濃度為~，光暗化與材料的化學結構、周圍的原子種類、鐿離子的共價鍵等多種因素密切相關。

低能級電荷的轉移，鐿離子的三價態向低價態轉換，導致Yb2+的形成，當穩定的Yb2+形成後，自由空穴產生，並激勵到較高的能級CT態，這就導致了色心的形成，從而引起在紫外和紅外波長的誘導損耗。230 nm的吸收不是由於Yb-ODC缺陷中心造成的，該強烈的吸收帶是氧配位體(Ligands)附近的一個電子向鐿離子的電荷轉移帶吸收造成的，而不是ODC造成的。

光暗化發生的根源在於”非橋鍵氧“的存在，”非橋鍵氧“俘獲電子/空穴形成具備特定能量的色心，色心吸收一定能量的光子造成能量的損耗與光功率衰退。

應對措施

有利於降低摻鐿石英玻璃光纖暗化效應的一些措施：（1）高濃度的鋁共摻劑可以對鐿離子形成膠囊效應，一方面改善鐿離子的分布均勻性，避免鐿離子的團簇，另一方面減少了氧缺陷中心ODCs，從而減少光暗化的前驅體；（2）引入具有較高的正價態離子共摻劑，打破網路的對稱性與Yb的共價角度，降低CT帶，從而減少色心的形成；（3）進行預氧化處理，降低玻璃網路中的殘餘電荷，S. Yoo提出可以將光纖置於50 攝氏度、60個大氣壓、氧氣濃度為氣氛的密閉容器中進行退火，可以降低氧缺陷中心的數量，從而降低光纖材料的光暗化。