摻銩光纖γ射線輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

吳聞迪，余 婷，陶蒙蒙，李興冀，葉錫生*

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 上海市全固態(tài)激光器與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201800；2.西北核技術(shù)研究所 激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間環(huán)境材料行為與評(píng)價(jià)技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引 言

光纖激光因光束質(zhì)量好、可實(shí)現(xiàn)小型化輕量化等優(yōu)點(diǎn)，已成為極具前景的激光技術(shù)之一[1-6]，并已在激光通信、激光遙感、激光加工、激光醫(yī)療等領(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著空間技術(shù)的快速發(fā)展，光纖激光器由于具有免維護(hù)特性好和抗震動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已引起了航天領(lǐng)域的極大關(guān)注。眾所周知，地球空間軌道存在著大量的宇宙輻射，如中子、質(zhì)子、γ射線、α射線等[6-7]。因此，對(duì)于光纖材料的空間應(yīng)用，需考慮γ射線輻照等產(chǎn)生的輻致性能退化特性。

目前，人們已針對(duì)光通信類的傳能和摻鉺(Er)光纖等材料，開展了較為充分的空間輻照效應(yīng)研究，而對(duì)于應(yīng)用潛力不斷增大的2 μm波段摻銩光纖(Tm-doped fiber，TDF)等新型高功率激光增益材料的耐空間輻照特性的研究則仍然比較少[8-9]。Nufern公司SM-TDF-10P/130-HE型光纖是目前國(guó)際上比較有代表性的主流商用TDF，但是對(duì)其耐空間輻照特性的實(shí)驗(yàn)研究尚未見報(bào)道。

本文以60Co源放射的γ射線作為輻照條件，探索輻致電離效應(yīng)對(duì)Nufern公司SM-TDF-10P/130-HE型TDF性能的影響：分別使用5組同批次生產(chǎn)的TDF搭建激光器系統(tǒng)，在開機(jī)工作條件下對(duì)其中的TDF進(jìn)行不同劑量率、相同總劑量的輻照效應(yīng)在線測(cè)試，并結(jié)合該型光纖在輻照前、后的吸收光譜對(duì)比測(cè)試結(jié)果和受輻照光纖的泵浦漂白性能在線測(cè)試結(jié)果，給出初步實(shí)驗(yàn)與分析結(jié)論。

2 摻銩光纖γ射線輻照損耗初步分析

γ射線輻照所模擬的是空間電離輻照效應(yīng)。光纖受電離輻照后，其中的電子-空穴對(duì)分離，形成缺陷，產(chǎn)生電子型色心和空穴型色心。色心的濃度nc為[10]：

式中，kg和ka分別為色心的產(chǎn)生率和退火率，n0為電子-空穴對(duì)的初始濃度，t為受輻照時(shí)間。

而對(duì)于摻Tm光纖激光器而言，色心將使光纖對(duì)可見光的吸收增強(qiáng)，而Tm光纖的泵浦源主要為793 nm激光，正好處于色心引起光纖吸收損耗變大的波長(zhǎng)位置，因此，γ射線輻照會(huì)造成可供摻雜Tm離子利用的有效泵浦功率下降。另外，該缺陷還可能使得Tm3+離子發(fā)生價(jià)態(tài)變化，導(dǎo)致?lián)诫s光纖的發(fā)光效率下降，從而造成2 μm波長(zhǎng)摻Tm光纖激光器的工作性能下降。

3 實(shí)驗(yàn)裝置與輻照參數(shù)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)使用Nufern公司SM-TDF-10P/130-HE型TDF和西北核技術(shù)研究所強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的60Co輻射源進(jìn)行，搭建的1 940 nm摻銩光纖激光器及γ射線輻照效應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。

圖1 摻Tm光纖γ射線輻照效應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置 Fig.1 Experiment setup to measure the γ-ray irradiation effect of Tm-doped optical fibers

1 940 nm摻銩光纖激光器采用后向泵浦結(jié)構(gòu)，使用輸出功率為10 W、中心波長(zhǎng)為793 nm的LD作為泵浦源；采用中心波長(zhǎng)為1 940 nm、反射率分別為99%和10%的一對(duì)光纖布拉格光柵(FBG)作腔鏡；采用3.5 m長(zhǎng)的TDF作為增益介質(zhì)。該款光纖為八角形包層，對(duì)角長(zhǎng)度為130 μm，纖芯是圓形、直徑為10 μm；該光纖對(duì)793 nm泵浦光的吸收系數(shù)為3 dB/m。在激光器低反光柵后熔接了一段傳能光纖(以便將激光由輻照屏蔽室傳導(dǎo)至測(cè)試室)，其后放置了對(duì)793 nm激光具有高反射性、對(duì)1 940 nm激光具有高透射性的雙色片以濾除殘余泵浦光。在793 nm泵浦光功率為4.3 W時(shí)，激光器輸出1.2 W、中心波長(zhǎng)為1 940 nm的激光。輻照屏蔽室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(b)所示，其中，60Co輻射源儲(chǔ)存于地下重水中，在輻照實(shí)驗(yàn)開始時(shí)由升降裝置吊起至輻照腔(照片中罐體)。待測(cè)TDF松散地盤繞在一個(gè)平面圓盤上以盡量減少光纖所受的應(yīng)力。待測(cè)TDF置于鈷源罐口處，直接暴露于輻照環(huán)境中，每個(gè)TDF所受輻照的劑量率隨其至輻照源的距離而變化，可在0.5～3.0 rad/s的范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。該裝置是開展γ射線輻照效應(yīng)在線測(cè)試研究的較理想輻射源。激光器的泵浦源和電學(xué)系統(tǒng)放置于輻照腔側(cè)面由鉛磚搭建的輻照防護(hù)室內(nèi)，以避免這些部分受輻照后出現(xiàn)性能變化從而影響TDF的測(cè)試結(jié)果。

低軌衛(wèi)星所經(jīng)受的年輻射劑量大約為1.1 krad(Si)[11]。考慮60Co輻射源劑量率的可控制范圍，為便于進(jìn)行比對(duì)分析，本次實(shí)驗(yàn)初步對(duì)由5段同批次相同參數(shù)TDF搭建的2 μm光纖激光器進(jìn)行γ射線輻照，設(shè)置劑量率分別為0.5、1.0、1.5、2.0和3.0 rad/s，總劑量均為9.0 krad(Si)。本實(shí)驗(yàn)所采用γ射線輻射源的劑量率低于已有相關(guān)報(bào)道中數(shù)值[12-14]，這樣就可更清晰地觀察光纖在受輻照過(guò)程中的性能變化。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)施γ射線輻照前，上述5段待測(cè)TDF所搭建的激光器在相同泵浦功率下的輸出功率值為1.2～1.4 W。在經(jīng)歷不同劑量率、相同總劑量的γ射線輻照后，上述TDF均出現(xiàn)了出光性能下降的現(xiàn)象。對(duì)5組光纖在受γ射線輻照過(guò)程中出光功率的在線測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖2所示。

圖2 激光器輸出功率隨γ射線輻照劑量的變化 Fig.2 Laser output power versus γ-ray irradiation dose

由圖2測(cè)試結(jié)果可見，當(dāng)γ射線輻照的總劑量達(dá)到9.0 krad(Si)時(shí)，TDF激光輸出功率出現(xiàn)了67%～90%的顯著下降，且其下降幅度隨輻照劑量率的升高基本呈現(xiàn)出單調(diào)增大趨勢(shì)。

圖3 TDF在輻照前(曲線a)和輻照后(曲線b)的吸收光譜 Fig.3 Absorption spectra of Tm-doped fibers before(curve a) and after(curve b) irradiation

圖3給出了TDF樣品在γ射線輻照前和輻照后的600～1 700 nm吸收光譜對(duì)比測(cè)試結(jié)果(分別由曲線a和曲線b表示)。由圖3可見，在經(jīng)受9.0 krad(Si)的γ射線輻照后，樣品在630～760 nm短波范圍的吸收明顯增強(qiáng)，但在793 nm附近，原有最大吸收峰接近消失(圖中虛線標(biāo)出部分)。初步分析認(rèn)為，γ射線的輻致電離效應(yīng)使TDF中形成色心，增強(qiáng)了光纖在接近可見光波段的吸收損耗，使得TDF在793 nm附近的吸收特性顯著退化，最終造成了1 940 nm激光輸出功率快速下降。

為了初步考察上述TDF樣品在受到γ射線輻照損傷后能否通過(guò)793 nm泵浦光進(jìn)行性能恢復(fù)(亦即是否存在泵浦漂白效應(yīng))，選用前述輻照劑量率為0.5、2.0、3.0 rad/s的樣品，設(shè)定793 nm泵浦光的輸入功率為6.0 W，開始時(shí)輸出1 940 nm激光的功率為0.3～0.5 W，長(zhǎng)達(dá)2 h的出光功率在線監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖4。由圖4可見，該段光纖樣品經(jīng)歷γ射線輻照后未出現(xiàn)如文獻(xiàn)[15-16]所得到的明顯性能恢復(fù)過(guò)程，即未發(fā)現(xiàn)漂白效應(yīng)的存在。

圖4 受γ輻照TDF的793 nm泵浦漂白過(guò)程 Fig.4 793 nm pump bleaching process of Tm-doped fiber irradiated by γ-ray

5 結(jié) 論

本文針對(duì)目前在國(guó)際上較為典型的Nufern公司SM-TDF-10P/130-HE商用摻銩光纖，開展了不同劑量率(0.5～3.0 rad/s)、9.0 krad(Si)相同總劑量的γ射線輻照在線測(cè)試研究，結(jié)合輻照前后的吸收光譜測(cè)試分析和輻照后的泵浦漂白性能實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：(1)TDF樣品對(duì)793 nm泵浦光的1 940 nm激光出光性能顯著下降67%～93%，且下降幅度隨劑量率升高而單調(diào)增大；(2)受輻照TDF樣品在630～760 nm的短波范圍內(nèi)吸收損耗增強(qiáng)，但在泵浦光波長(zhǎng)793 nm附近的原有最大吸收峰接近消失，從而造成了1 940 nm激光輸出功率的快速下降；(3)受輻照TDF樣品在經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá) 2 h的793 nm泵浦光連續(xù)加載過(guò)程中，未出現(xiàn)明顯的1 940 nm激光性能恢復(fù)，亦即未發(fā)現(xiàn)泵浦漂白效應(yīng)存在。

針對(duì)TDF這一較新的空間輻射效應(yīng)研究對(duì)象，在其性能退化特性和規(guī)律方面，尚需在增加測(cè)試手段和進(jìn)行理論分析等方面進(jìn)一步開展深入的研究。

從本文開展的γ射線輻照初步實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果來(lái)看，為滿足未來(lái)空間應(yīng)用需求，當(dāng)前的這一主流商用摻銩光纖產(chǎn)品在耐空間輻射性能方面有待大力提高。