定义
当介质被特定波长的光照射时，介质中的光功率损耗会增大的现象。
各种透明光学介质，如光纤、激光晶体和非线性晶体材料，在被特定波长的光照射时，会表现出光变暗（有时也称为光致变色损伤或光诱导吸收）。 这意味着吸收或散射引起的传输损耗会随着时间的推移而增加。 所涉及的机理和特征参数（例如最大损耗量、光谱形状、对光强度的依赖性、辐射的波长和持续时间以及可逆性）可能会有很大差异，具体取决于材料。 在许多情况下，光变暗机制涉及介质中颜色中心的形成或其他微观结构转变，或者某些离子（例如Yb3+→ Yb2+)。光暗化会导致光学器件的严重性能下降和寿命限制，其最小化可能需要优化材料和操作条件。
在以下各节中，将讨论一些技术上重要的情况，这些情况具有不需要的，有时是可逆的光暗效果。 另请参阅有关光致变色材料的文章。
紫外线引起的光变暗
二氧化硅纤维可以透射紫外线，但传播损耗明显高于可见光或近红外光谱区域。 此外，紫外线可以诱导损耗的迅速进一步增加。 在很大程度上，这种紫外线诱导的光变暗可以通过某些掺杂剂（例如氟）或其他处理来减少。 通常发现具有高羟基（OH）含量的纤维优于低OH纤维，即使后者在近红外区域具有更好的透射率。 但是，也有具有良好紫外线透射性和抵抗力的低OH纤维。 此外，氢浸渍纤维可以表现出显着提高对193nm准分子激光的照射抵抗力[15]，即使氢负载在其他情况下用于增加光纤的光敏性，用于光纤布拉格光栅的UV写入。 当然，这些方法改善紫外线透射率和抵抗力的有效性在很大程度上取决于所涉及的波长。
当二氧化硅基纤维掺杂锗时，即使是蓝光也会导致二氧化硅纤维变暗[1]。 损伤机制涉及双光子激发过程。
请注意，伽马射线照射可能导致类似的光变暗。 例如，这与光纤器件的空间应用有关。
掺镱二氧化硅纤维中的光暗化
掺镱光纤会表现出严重的传输损耗，这种损耗在短波长（例如在可见光谱范围内）最强，而在掺镱光纤激光器和放大器工作的 1 μm 光谱区域则弱得多（但仍然很重要）。 这种损耗可能发生在新光纤中[7]，但在光纤激光器或放大器运行期间也可能增加[17]。 这些损失的增长速率似乎与激发的镱离子密度的七次方成正比[17]。 这意味着这种纤维的快速降解可能是由于以高分数镱激发密度操作（例如，在芯泵浦光纤放大器中可能发生），特别是对于具有高掺杂浓度和差均匀性（离子簇形成）的光纤。 另一方面，对激励密度的强烈依赖性表明，许多器件可以设计为在相对安全的工作状态下运行，从而可以预期器件的使用寿命较长。 困难的情况是需要高掺杂浓度（例如，为了通过减少光纤长度来减轻非线性效应），或者高激发水平是不可避免的（例如，在975nm周围工作的光纤激光器）。
光变暗效应通常似乎是永久性的，尽管已经证明可以通过加热光纤[18]或用紫外线照射[19]来逆转。 进一步的研究有望揭示详细的物理机制和对纤维芯化学成分的依赖性。 有证据表明Yb的形成2+离子起着重要作用[21]，尽管目前尚不清楚Yb2+离子如何可以通过激发产生Yb3+离子。 众所周知，Yb掺杂的磷酸纤维[20]和磷酸硅酸盐纤维[21]表现出较弱的光暗化。 此外，与铈共掺杂似乎可以提高Yb掺杂纤维的耐久性[22，23]。
掺铥纤维中的光变暗
有报道称，掺铥二氧化硅纤维中会发生光暗化[2]，更准确地说，在磷酸硅酸盐和锗硅酸盐玻璃中，在高峰值功率照射后会发生宽带损耗（特别是在短波长下），例如来自锁模激光器。 一个关键因素是激发Tm的高能级3+离子。 这种现象在技术上可能并不严重，因为掺铥二氧化硅纤维用于连续波红外激光器，其中不需要高泵浦强度和高浓度的高激发铥离子。
掺铥氟化物光纤的情况有所不同，主要用于上转换光纤激光器，当用红外光泵浦时会产生蓝光，例如在 1140 nm 左右。 虽然这种三步上变频方案原则上可能非常有效[8]，但光暗可能会严重降低器件性能[5，6]。 至于二氧化硅纤维，据信光变暗与色心的形成有关，如果离子被激发到高于主玻璃带隙能量的能量，则光变暗成为可能。 蓝光的吸收（例如通过上转换激光）已被证明至少暂时减少诱导吸收，可能是通过去除色心。 从这个意义上说，光变暗是部分可逆的。 物理细节非常复杂，至今尚未完全理解。
据报道，其他稀土掺杂的纤维也存在光暗效应，例如掺杂剂，如镨（Pr3+）、铥（Tm3+）、铈（Ce3+ ）和铽（Tb3+)。
卤化银纤维中的光变黑
多晶卤化银纤维（基于AgBrCl）可用于在非常宽的波长区域内传输中红外光，波长可达≈18μm。 不幸的是，这些材料在暴露在可见光下时会表现出光暗。 该效应与金属银颗粒（胶体）的形成有关。 使用保护涂层可以避免这种情况[13]。
请注意，微晶形式的氯化银有时会故意添加到眼镜（例如太阳镜）中以使其具有光致变色。
非线性晶体中的感应损耗
一些非线性晶体材料在用可见光或紫外光谱区域中具有短波长的光照射时表现出诱导吸收（参见例如参考文献[4]）。 最著名的是可逆绿色诱导红外吸收（GRIIRA）对铌酸锂（LiNbO3）等材料的影响、钽酸锂（LiTaO3）和钛基磷酸钾（KTiOPO4，KTP）。 特别是在 KTP 的情况下，这通常被称为灰色跟踪；在晶体被照射的地方观察到一条灰线（轨道）。
这种影响通常是可逆的，但当设备长时间运行时，也可能导致永久性光致变色损伤。 例如，在用1μm激光器泵浦的倍频器（例如YAG激光器）或以较短波长泵浦的光学参量振荡器中观察到它们，并且在蓝光（蓝光诱导红外吸收，BLIIRA）中观察到类似的效果。 对于大功率器件，产生的热量会严重干扰相位匹配，并导致热透镜效应。 特别是前一种效应会使转换过程不稳定。
在铌酸盐中，诱导吸收似乎与极化子（被反位铌离子捕获的电子）的形成有关，也称为色心，例如可以从双光子吸收中产生。 通过用氧化镁（MgO）[11]掺杂材料[11]和/或使用化学计量材料，可以大大减少它，其中含有较少的固有铌抗位缺陷。 同时，这两种措施都降低了光折射光束失真的倾向，因为它们增加了离子电导率。
在KTP中，诱导吸收也归因于极化子；在这种情况下，承运人可能会被捕获，例如由 Ti4+离子或Fe3+杂质。 与铌酸盐的一个重要区别是，诱导吸收似乎只发生在具有足够高峰值强度的脉冲中。 灰色跟踪通常在照射后几个小时内消失。 它的强度取决于晶体质量，从而取决于制造方法。 其他重要参数是脉冲持续时间和脉冲重复率。
参考文献
[1] L. J. Poyntz-Wright and P. St. J. Russell, “Spontaneous relaxation processes in irradiated germanosilicate optical fibres”, Electron. Lett. 25 (7), 478 (1989), doi:10.1049/el:19890329
[2] M. Broer et al., “Highly nonlinear near-resonant photodarkening in a thulium-doped aluminosilicate glass fiber”, Opt. Lett. 18 (10), 799 (1993), doi:10.1364/OL.18.000799
[3] B. Boulanger et al., “Study of KTiOPO4 gray-tracking at 1064, 532, and 355 nm”, Appl. Phys. Lett. 65 (19), 2401 (1994), doi:10.1063/1.112688
[4] H. Mabuchi et al., “Blue-light-induced infrared absorption in KNbO3”, J. Opt. Soc. Am. B 11 (10), 2023 (1994), doi:10.1364/JOSAB.11.002023
[5] P. R. Barber et al., “IR-induced photodarkening in Tm-doped fluoride fibres”, Opt. Lett. 20 (21), 2195 (1995), doi:10.1364/OL.20.002195
[6] P. Laperle and A. Chandonnet, “Photoinduced absorption in thulium-doped ZBLAN fibers”, Opt. Lett. 20 (24), 2484 (1995), doi:10.1364/OL.20.002484
[7] R. Paschotta et al., “Lifetime quenching in Yb-doped fibres”, Opt. Commun. 136, 375 (1997), doi:10.1016/S0030-4018(96)00720-1
[8] R. Paschotta, P. R. Barber, A. C. Tropper, and D. C. Hanna, “Characterization and modeling of thulium:ZBLAN blue upconversion fiber lasers”, J. Opt. Soc. Am. B 14 (5), 1213 (1997), doi:10.1364/JOSAB.14.001213
[9] B. Boulanger and J. P. Feve, “Optical studies of laser-induced gray-tracking in KTP”, IEEE J. Quantum Electron. 35 (3), 281 (1999), doi:10.1109/3.748831
[10] C. G. Akins, “Photodarkening and photobleaching in fiber optic Bragg gratings”, IEEE J. Lightwave Technol. 15 (8), 1363 (1997), doi:10.1109/50.618343
[11] Y. Furukawa et al., “Green-induced infrared absorption in MgO doped LiNbO3”, Appl. Phys. Lett. 78 (14), 1970 (2001), doi:10.1063/1.1359137
[12] L. B. Glebov, “Linear and nonlinear photoionization of silicate glasses”, Glass Sci. Technol. 75, C2 (2002)
[13] M. Saito et al., “Polymer coating on infrared silver halide fiber for photodarkening protection”, J. Lightwave Technol. 20 (3), 441 (2002), doi:10.1109/50.988992
[14] S. Ferwana et al., “All-silica fiber with low or medium OH-content for broadband applications in astronomy”, Proc. SPIE 5494, 598 (2004), doi:10.1117/12.568231
[15] M. Oto et al., “Fluorine doped silica glass fiber for deep ultraviolet light”, J. Non-Cryst. Solids 349, 133 (2004), doi:10.1016/j.jnoncrysol.2004.08.220
[16] M. Engholm et al., “Strong UV absorption and visible luminescence in ytterbium-doped aluminosilicate glass under UV excitation”, Opt. Lett. 32 (22), 3352 (2007), doi:10.1364/OL.32.003352
[17] J. J. Koponen et al., “Measuring photodarkening from single-mode ytterbium doped silica fibers”, Opt. Express 14 (24), 11539 (2006), doi:10.1364/OE.14.011539
[18] J. Jasapara et al., “Effect of heat and H2 gas on the photo-darkening of Yb3+ fibers”, paper CTuQ5 presented at Optical Fiber Communications (OFC) (2006)
[19] I. Manek-Hönninger et al., “Photodarkening and photobleaching of an ytterbium-doped silica double-clad LMA fiber”, Opt. Express 15 (4), 1606 (2007), doi:10.1364/OE.15.001606
[20] Y. W. Lee et al., “Measurement of high photodarkening resistance in heavily Yb3+-doped phosphate fibres”, Electron. Lett. 44 (1), 14 (2008), doi:10.1049/el:20082698
[21] M. Engholm and L. Norim, “Preventing photodarkening in ytterbium-doped high power fiber lasers; correlation to the UV-transparency of the core glass”, Opt. Express 16 (2), 1260 (2008), doi:10.1364/OE.16.001260
[22] M. Engholm et al., “Improved photodarkening resistivity in ytterbium-doped fiber lasers by cerium codoping”, Opt. Lett. 34 (8), 1285 (2009), doi:10.1364/OL.34.001285
[23] P. Jelger et al., “Degradation-resistant lasing at 980 nm in a Yb/Ce/Al-doped silica fiber”, J. Opt. Soc. Am. B 27 (2), 338 (2010), doi:10.1364/JOSAB.27.000338
[24] R. Peretti et al., “How do traces of thulium explain photodarkening in Yb doped fibers?”, Opt. Express 18 (19), 20455 (2010), doi:10.1364/OE.18.020455
[25] F. Mady, M. Benabdesselam and W. Blanc, “Thermoluminescence characterization of traps involved in the photodarkening of ytterbium-doped silica fibers”, Opt. Lett. 35 (21), 3541 (2010), doi:10.1364/OL.35.003541
[26] A. V. Kir'yanov, “Electron-irradiation and photo-excitation darkening and bleaching of Yb doped silica fibers: comparison”, Opt. and Photon. J. 1, 155 (2011), doi:10.4236/opj.2011.14026
[27] R. Cao et al., “532 nm pump induced photo-darkening inhibition and photo-bleaching in high power Yb-doped fiber amplifiers”, Opt. Express 27 (19), 26523 (2019), doi:10.1364/OE.27.026523
[28] S. Liu et al., “Multi-kW Yb-doped aluminophosphosilicate fiber”, Optical Materials Express 8 (8), 2114 (2018), doi:10.1364/OME.8.002114
[29] S. J. Park et al., “Investigation of photodarkening in tandem-pumped Yb-doped fibers”, Opt. Express 28 (19), 27316 (2020), doi:10.1364/OE.400094
