掺铒光纤超荧光光源的抗辐照实验研究

邹旭明

（西安工业大学，陕西 西安 710000）

【摘要】在空间辐射环境下，掺铒光纤会产生辐致衰减（RIA），严重影响光源在辐射环境中的应用。为保证光源在辐射环境中的工作性能，需要对掺铒光纤辐射致衰减效应进行研究。本文从辐射射线与光纤相互作用的机理出发，说明了辐射条件下引起光纤衰减的色心的形成和退化。并采用60Co辐照源进行了两次等计量和同剂量率的辐射实验，结果表明：经过预辐照的光源较未经过预辐照的光源有更强的抗辐射能力和更快的恢复速率。

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关键词 掺铒光纤超荧光光源；预辐照；辐致衰减；光褪色

0　引言

掺铒光纤超荧光光源(Erbium-doped Super-fluorescent fiber source,EDSFS)是光纤陀螺的理想候选者[1-2]，是实现惯导级和精密级光纤陀螺最具有发展前景的光源，被广泛应用于军事和航空航天等领域。但是掺铒光纤超荧光光源在恶劣的空间辐射环境中性能的衰变，会导致光纤陀螺的综合性能严重下降，从而影响光纤陀螺的可靠性与安全性。因此提高掺铒光纤超荧光光源的抗辐照能力对光纤陀螺在航空航天领域的应用具有重要的意义[3]。

本文通过对掺铒光纤超荧光光源的两次辐照实验，研究了光源在辐射环境下的辐致衰减特性，辐射后光褪色效果，以及通过前后两次辐照实验，研究了预辐照对光源抗辐射性能起到的积极作用。

1　掺铒光纤的辐射损耗机理

在空间辐射环境中，辐射射线通过光电效应、康普顿散射和电子对效应等与光纤直接相互作用，导致光纤内原子电离出电子-空穴对，当电子-空穴对被光纤中的本征缺陷、掺杂缺陷和杂质缺陷等俘获，就会形成一种带有效电荷的特殊点缺陷。这种缺陷能束缚电子和空穴，引起光纤中的电子或空穴激发而产生光吸收。其吸收带常落在可见光范围，故称为色心。由于色心的存在，从而大大降低了掺铒光纤超荧光光源的功率输出[4-5]。

对掺铒光纤先进行预辐照，经过相当长时间，等光纤基本恢复后，光纤再受辐照作用时敏感性降低，称为辐射硬化。被辐照过的光纤与没有预辐照的光纤同时进行相同剂量相同速率的辐照时，其辐射引起的损耗，前者比后者可低2～3倍[6]。这是由于辐射会与光纤玻璃基质中最活泼的格点发生反应，产生比较稳定的晶体结构，降低对电子-空穴对的俘获能力，从而抑制更多色心的产生。虽然预辐照会使光纤的初始损耗和固有损耗有所增加，但它可以改善光纤在辐射环境下的损耗。

2　辐射实验及分析

2.1　实验装置

试验中采用不同长度的掺铒光纤搭建了两套掺铒光纤超荧光光源，分别为高斯型（1.55m）和双峰型（4.4m）。图1为两套光源的输出光谱图形。

两套光源都为双程前向结构，所包含的器件有：半导体激光器（LD）及其驱动电路、光反射镜（FRM）、掺铒光纤（EDF）、光隔离器（ISO）以及980nm/1550nm光波分复用器（WDM）。辐照实验分前后两次进行，两次辐照实验的辐射环境相同，都采用60Co的γ射线，并且只有光源的光路部分处于辐射剂量率为0.083rad/s的位置，直接被60Co的γ射线辐射，LD泵浦以及LD驱动电路板用铅砖挡住,光源的输出信号由30m的单模跳线引出到辐射室外，经过分光耦合器（WFC）使光信号输出到功率计（OPM），然后与PC连接实现在线采集。辐照实验历时165小时，辐射总剂量为493.63Gy。二次辐照实验历时168小时，辐射总剂量为502.08Gy。两次辐照实验前后间隔10个月，以保障光源恢复。图2所示为光源结构及辐照实验装置图。

2.2　辐致功率衰减

图3为两光源的辐致功率衰减变化，随着辐射总剂量的增加两个光源光功率衰减不断增大。图3（a）高斯型光源在辐射总剂量为0~200Gy范围内，第一次辐照导致光功率衰减的速率远远大于第二次辐照，第一次辐照试验中，当辐照总剂量达到204.18Gy时，光源光功率衰减0.578dB，而第二次辐照实验中，辐射总剂量达到210.10Gy时，光源光功率仅仅衰减了0.343dB。辐射总剂量在200~500Gy范围中，两次辐照实验随着辐射总剂量的增加光功率衰减逐渐趋于缓慢，当辐射总剂量接近500Gy时，第一次辐照导致光源光功率衰减了0.907dB，第二次辐照导致光源光功率衰减了0.682dB。图3（b）双峰型光源，与高斯型光源类似，第一次辐照导致光功率衰减的速率大于第二次辐照。当辐射总剂量达到500Gy时，前后两次辐照导致光功率衰减分别为2.172dB和1.858dB。从实验结果可以看出，双峰型光源辐致光功率衰减较高斯型辐致光功率衰减严重，其原因是双峰型光源采用了较长的掺铒光纤，在辐照过程中产生了较多的色心。两次辐照实验说明经过预辐照后光源的抗辐照性能明显优于未经过预辐照的光源，如果光源经过更高剂量的预辐照，其抗辐射性能会更好。

2.3　光褪色恢复实验

高能辐射在固体中产生的缺陷，在温度足够高时，可以在晶格中运动，此时，辐射造成的损伤可以随着运动减轻，甚至最终消除，这一过程称为褪色[7]。褪色有热褪色和光褪色两种。在光纤的实际应用中，对温度控制十分严格，这里不考虑热褪色，主要讨论利用光进行的褪色作用。光褪色效应的原理主要是辐射造成的晶格损伤由于“光”的作用，而使损伤的晶格得到恢复。

两次辐照实验完成以后，我们分别对两个光源做了光褪色恢复实验研究。在常温情况下，使掺铒光纤超荧光光源正常工作，这样掺铒光纤始终处于光褪色的作用下。图4是对两光源输出功率定时采集得到的功率恢复变化。光褪色恢复实验历时800h，如图4（a）所示，高斯型光源两次被辐照后，在前135h内都具有较快的恢复速率，第一次辐照后光源在135.9h时光功率恢复了0.129dB，第二次辐照后光源在135.0h时光功率恢复了0.165dB。之后的恢复中，第二次辐照后光源依旧保持较强的恢复趋势，在803.9h时光源功率恢复了0.317dB。而第一次辐照后的光源光功率恢复逐渐趋于平缓，在782.9h时光源功率仅恢复了0.131dB。图4（b）所示为双峰型光源，其与高斯型光源有相似的恢复特性，在总共经历了800h的光褪色恢复后，第一次辐照后的光源光功率恢复了0.431dB,第二次辐照的光源光功率恢复了0.961dB。从实验结果可以看出，经过预辐照的光源光褪色效果更加显著。

3　结论

本文在辐射剂量率为0.083rad/s，辐射总剂量为500Gy的60Co伽马辐射环境下，对两个掺铒光纤超荧光光源都进行了前后两次辐照实验。从实验结果可以得出：在相同剂量和相同剂量率的辐射环境下，经过预辐照后的光源比没有经过预辐照的光源具有更强的抗辐照能力，两次辐照实验中，虽然掺铒光纤超荧光光源最终的光功率衰减只相差0.225dB和0.314dB，但是如果提高第一次辐照的剂量率以及总剂量，使光源内部产生更多因辐射引起的初始损耗和固有损耗，从而降低光源对辐射的敏感性，则可以使光源具有更强的抗辐照性能。在常温的环境下，对光源进行光褪色主动恢复实验研究，实验表明经过预辐照的光源比没有经过预辐照的光源具有更强的恢复能力。

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参考文献

［1］Wysocki P F，Digonnet M J F，Kim B Y，等. 干涉式光纤传感应用的掺铒超荧光光纤光源特性研究 [J].光波技术杂志，1994，12（3）：550-567.

［2］Hall D C，Burns W K，Moeller R P.高稳定掺铒超荧光光纤光源[J].光波技术杂志，1995,13（7）：1452-1460.

［3］Hsu Z C，peng Z S，Wang L A，等. 对于光纤陀螺应用的双程后向超荧光光纤光源的伽马射线辐射效应[C]//第19届国际光纤传感会议. 珀斯（澳大利亚）：国际光学工程学会，2008，7004:70044M-1-70044M-4.

［4］李荣玉，殷宗敏，王建华，等.石英光纤抗辐照加固的研究[J].上海交通大学学报,2000,34(2)：215-217.

［5］Chao Daihong，Ma Jing，Chen Shuying，et al. Reliability assessment of FOGs used for satellite from degradation data[J].Infrared and laser Engineering，2011,40(9):1763-1767.

［6］Griscom D L. Radiation hardening of pure-silica-core optical fibers by ultra-high-doseλ-ray pre-irradiation[J].J. Applphys,1995,77(10):5008-5013.

［7］Roger A. Greenwell，Charles E.Barnes，David M. Scott et al. Optical fibers in the adverse space environment :the space station[C]//SPIE, 1990,1314:100-104.

［责任编辑：汤静］