高功率光纤激光器的发展日新月异,随着应用领域的不断扩展,对激光器的输出稳定性更加关注,然而光子暗化效应成为制约光纤激光器高功率、高稳定性输出的重要因素。总结国内外对光子暗化效应的研究,虽然涉及表征方法、产生机理和抑制方法等方面,但是对光子暗化的产生机理仍无定论,且抑制方法上各有优劣。因此,本论文围绕高功率光纤中的光子暗化效应,以产生机理为指导,以表征方法为基础,对其抑制方法进行深入的理论和实验研究,主要内容如下。一、高功率光纤中光子暗化效应的产生机理和表征方法研究产生机理方面,根据研究现状对三种认可度较高的产生机理模型进行了总结与介绍,包括氧缺陷中心模型、电荷转移跃迁模型以及铥杂质模型。目前光子暗化效应的产生机理仍处在讨论中,经分析,导致光子暗化的直接原因是色心缺陷,而色心的产生过程和类型也并不是单一的,而可能是多过程并立和多类型共存的状态。表征方法方面,分析已有表征手段的优缺点,提出了两套基于全光纤结构结合锁相放大器的测量方法,一种是面向单包层光纤的单一波长表征方法,可实现单模光纤的光子暗化效应对传输功率影响的快速表征;一种是面向双包层光纤的多波长表征方法,可实现双包层光纤中光子暗化附加损耗的测试。通过拉伸指数函数的拟合,可获得平衡态的光子暗化附加损耗,以此作为判据对不同掺镱光纤的光子暗化程度进行评判与比较。二、碱金属离子共掺抑制光子暗化效应利用改进的化学气相沉积法和溶液掺杂法制备钠离子共掺系列光纤,发现钠离子共掺光纤具有良好的抑制光子暗化效果,且对光纤的数值孔径无影响。钠离子适量共掺对激光器的斜率效率无影响,但是共掺浓度过高时激光器斜率效率下降明显。考虑到锂离子在原子半径和相对分子质量上的优势,重点研究锂离子共掺对光子暗化效应的抑制效果。设置了4组不同锂离子浓度的共掺光纤,发现锂离子同样能有效抑制光子暗化效应,随着锂离子掺杂浓度的增加,光子暗化附加损耗呈现先减小后增大的变化趋势,锂离子共掺光纤最多可消除28.57%@702 nm和36.02%@810 nm的光子暗化附加损耗。锂离子高掺杂给玻璃网格带来严重破坏,未表现出抑制效果,且带来激光器斜率效率的严重恶化。分析碱金属离子共掺对光子暗化效应的抑制机理,碱金属离子共掺为纤芯提供了更多的非桥氧,改善了高掺杂镱离子纤芯中的缺氧环境,有效抑制三价镱离子形成错位键,从而减少氧缺陷中心的产生。该抑制方法也使得氧缺陷中心模型得到了验证。三、掺镱光纤和共掺光纤的热漂白研究首先证实了非等温漂白对已产生光子暗化附加损耗的掺镱光纤和锂离子共掺光纤均具有完全漂白作用。对可见光波段具有实时漂白效果,而近红外波段受高温影响明显,漂白效果在重新冷却至室温后得到体现。对比掺镱光纤与锂离子共掺光纤的非等温漂白过程,发现两者的附加损耗随温度的变化规律相同,说明锂离子共掺对降低热漂白的活化能无贡献。其原因与碱金属离子共掺的抑制机理有关,碱金属离子通过引入更多非桥氧减少氧缺陷中心的产生,由于还可能存在其他色心缺陷,因此锂离子共掺对色心的能态改善无效果,对热漂白过程无影响。为验证上述解释,对掺镱光纤和锂离子共掺光纤进行不同升温速率下的非等温漂白实验,并计算两者的漂白活化能。对比升温速率5℃/min和10℃/min的实验,发现升温速率越大,完全漂白所需温度越高。通过拟合计算,得到掺镱光纤和锂离子共掺光纤的漂白活化能分别为1.288 eV和1.262 eV,锂离子的加入并没有显著改变光纤漂白所需的活化能,进一步证实了锂离子的抑制机理,有助于认识离子共掺与热漂白的原理与关系。四、载氢对掺镱光纤中光子暗化效应的抑制作用首先对掺镱光纤的原始光纤进行载氢处理,发现载氢后光子暗化效应得到了近乎100%的抑制,且附加损耗不随泵浦时间的延长而增长。然后对已暗化的掺镱光纤进行载氢验证,同样对已产生的光子暗化附加损耗具有极佳的消除效果。为得到更多的样品且不造成样品的损失,我们采用Gamma射线辐照后的掺镱光纤来比拟泵浦光作用后的已暗化光纤,研究载氢对已产生色心缺陷光纤的抑制作用。对其进行相同的载氢后,透过谱恢复至原始光纤水平,且光子暗化附加损耗被完全消除。研究发现载氢的抑制效果具有明显的消退现象。通过对载氢完毕、自由空间放置一个月后的光纤进行光子暗化附加损耗的重新测量,发现附加损耗发生显著恢复,抑制效果的消退现象非常明显。分析其原因,载氢的抑制原理是在泵浦光的激励下,氢气分子与氧配位体上的空穴发生反应,从而与空穴相关的色心被消除,进而抑制光子暗化;由于载氢本身是非化学反应过程,只有在引入泵浦机制的情况下才会使氢气与氧配位体上的空穴发生反应,随着氢气分子逐渐扩散,纤芯中可反应的氢分子不足,与空穴相关的色心大量留存,进而导致光子暗化抑制作用消退现象。