掺锗单模光纤布拉格光栅γ辐照损伤实验

*通信作者简介：何振辉(1963—)，男，博士，博士研究生导师。研究方向：空间科学实验、两相回路热控系统及其应用、热管理材料、纳米信息功能薄膜。E-mail：stshzh@mail.sysu.edu.cn。

光纤布拉格光栅是利用光纤材料的光敏性：即利用紫外激光和光纤纤芯相互作用，通过内部书写、相位掩膜紫外曝光等方式，在纤芯内形成折射率周期分布的结构，起到滤波器或者反射镜的作用[1]。利用这一特性，可将其制作成光纤传感器。光纤布拉格光栅传感器具有体积小、重量轻、强度高、抗电磁干扰、易于埋入结构体、耐腐蚀、成本低等优点[2]，此外光纤布拉格光栅传感器还具有独特的优点，如易于与光纤耦合，耦合损耗小；既可传感又可以进行数据传输，具有更强的复用性能，易于组成传感网络等[3]。在航空航天、军工等极端条件下的运用越来越受到重视。与一般的光纤传感器相比，光纤布拉格光栅传感器有着更高的测量精度和更高的空间分辨率，对测量如涡轮发动机、着陆器、风电机等设备的温度分布及应力分布有着特殊的应用优势。

在空间环境中，γ射线和X射线的波长短、能量大，具有很大的穿透本领。它们通过光纤时，由于与光纤中离子的电子、核子相互作用，发生光子吸收、弹性散射或非弹性散射，并将能量传递给电子系统。在相互作用的过程中，能量的迁移主要通过光电效应、康普顿效应和电子对三种形式[4]。这将对光纤光栅性能参数造成影响，如布拉格波长漂移、反射率下降、反射谱带宽增加等。因此有必要对光纤布拉格光栅在空间辐射环境下的性能变化规律进行研究，以确定其应用场合、探索保护措施和可能的抗辐射光纤材料。

空间辐射环境由许多能量范围在keV～GeV甚至更高能量的高能粒子组成[2]。在空间环境飞行实验，成本高，难度大。此外，地球轨道空间环境下，质子辐射占粒子辐射的85%～95%[5]。因此，对于地面实验研究，采用60Co-γ辐射源模拟空间环境中的粒子辐射。

本文从理论上分析了γ射线电离辐射对光纤的影响。用60Co-γ辐射源对掺锗单模光纤布拉格光栅进行了电离辐射实验。实验结果与理论模型符合的较好。本实验为光纤布拉格光栅在空间环境温度及应变测量的运用提供数据基础。

1 光纤辐照效应

1.1 光纤辐照效应

光纤由非晶态SiO2组成,与SiO2晶体类似，非晶体SiO2也由Si(O1/2)4四面体组成，具有无规则网络结构，硅氧四面体结构单元通过顶角相互连接，短程有序[6]。光纤掺杂、光纤拉丝过程以及光纤生产过程中引入杂质等，都会使光纤产生像中间体、悬挂键和过氧连接等缺陷结构，这些缺陷是光纤的固有缺陷，不可避免。这些固有点缺陷在SiO2本征能级中形成缺陷能级，在辐照环境下，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，将会形成一种带有电荷的特殊点缺陷。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，从而使光纤损耗增加[7]。

1.2 光纤辐照色心模型

光纤中的辐照缺陷是一个非稳态结构，它会随着光、热或者辐射而转变成其他结构。辐照结束后，有些缺陷结构会很快完全恢复，但大多数缺陷结构处于亚稳态，在很长一段时间后，其结构将趋于稳定[8]。哈尔滨工业大学马晶教授等通过理论分析推导出光纤布拉格光栅折射率变化与辐照剂量的关系式[9]。

假设光纤内固有缺陷均匀分布，浓度n0为一定值，光纤内色心的初始浓度为0。同时考虑色心的产生和褪色，则光纤中的色心浓度n(t)变化可表示为

(1)

式(1)中，n0和n(t)分别为光纤内固有缺陷的初始和色心的瞬态浓度；kd和kc分别是色心产生速率和色心恢复成固有缺陷的概率。

色心产生和恢复的速率k与辐照剂量率R之间的关系分别为

(2)

因为辐照剂量D=Rt，所以在t时刻光纤内的色心浓度变化量为

(3)

从而可以得出辐射剂量与光栅折射率变化的关系。

又由Smakula公式可得吸收曲线积分面积与n个振子强度为f的色心之间的关系：

(4)

式(4)中，nz为晶体折射率；m*为色心电子的有效质量；f为有效振子强度；c为光速；光子能量与波长的变换关系为λ·E=1.24，可以推出。

(5)

吸收曲线积分面积可用一等效面积表示，即

(6)

式(6)中，αmax为该吸收曲线的峰值吸收系数；为吸收带的半高宽；b是与线型有关的一个常数。用不同线型等效吸收面积得到的Smakula公式为

洛伦兹线型

(7)

高斯线型

(8)

一般来说，测得色心的线型介于以上两种理想线型之间。

由以上两个式子，可以得出，色心的浓度与峰值吸收系数成正比。

复极化率的实部与虚部满足Kramers-Kroning因果性定律，可推导出吸收系数与折射率之间的关系。

(9)

式(9)中，λ′为感兴趣的波长；nz为波长λ′处的折射率；α(λ)为吸收系数。因此

(10)

如果发生吸收谱变化的区域远离感兴趣的波长λ′，并且可以表示为一系列Gaussian吸收带的叠加，则(10)式可近似的表示为

(11)

式(11)中，λi为第i个吸收带的中心波长；Δαmax为峰值吸收改变量；为该吸收带的半最大值全宽(FWHM)。由(11)可以看出，玻璃吸收系数的变化与折射率的变化成正比。

考虑最简单的情况：电子辐射对光纤的电离作用主要产生一种色心，其导致的吸收光谱近似为高斯线型，当其吸收带半最大值全宽为一定值时，可得出，

Δnz∝Δn(t)=

(12)

由式(12)，光栅的有效折射率的变化与其吸收剂量之间存在e指数关系。因此，

(13)

式(13)中，φ为与辐射产生的色心类型及吸收光谱相关的常数。

又由布拉格光栅公式：

λmax≈λB=2nzΛ

(14)

所以

(15)

式中，Δλmax为反射峰值波长变化；Λ为光栅周期长；λB为布拉格波长。

2 实验

采用的布拉格光栅是通过相位掩膜法写在掺锗(10%～20%)单模光纤上。光纤纤芯直径4.5 μm，包层直径为125 μm，涂层材料是有机改性陶瓷，温度变化1 ℃，光栅布拉格波长变化5.5 pm。光纤样品的参数如表 1所示，显微镜下光栅结构如图 1所示。

表1 光纤样品参数
Table 1 Optical fibers parameters

注：SMF(single mode fiber)指单模光纤。

图1 光纤布拉格光栅结构(IPHT Jena提供)
Fig.1 Fiber Bragg grating structure(Photograph:IPHT Jena)

实验中所采用的辐射源为广州华大生物有限公司的60Co-γ辐射源。辐照过程将光纤中光栅段裸露在60Co-γ射线辐照室中，光纤其他部分串入壁厚3 mm的铅管中，光栅段附近放置低量程重铬酸钾剂量计，用于测量辐照剂量。每隔2 h取出光纤样品，测量光纤样品的反射光谱。辐照总剂量为1.01×106 rad。由于光纤布拉格光栅是一种温度敏感元器件，环境温度的变化会对其反射光谱造成影响，因此实验采用K型热电偶测量环境温度。

图2 光纤辐照实验示意图
Fig.2 The experimental set-up for the irradiation experiments of optical fibers

实验装置如图 2所示。图 2中光纤布拉格光栅传感器内置的波长范围为800～860 nm SLD宽光源，光源强度约0.3 mW。SLD宽光源发出光，经过光纤分光镜，将光源分成两束强度相等的光，传入两根光纤布拉格光栅，两个特定波长的光被反射，进入光谱仪，通过电荷耦合器将反射光信号转变成电信号输入电脑，记录其反射光谱。

3 结果与分析

考虑环境温度对光纤布拉格光栅反射光谱的影响，对两根光纤样品进行温度补偿。由图 3可以得出，光栅温度每变化1 K，峰值波长约变化5.5 pm。

图3 光纤布拉格波长随温度变化曲线
Fig.3 Fiber Bragg wavelength vs temperature curve

运用图 3的结果，对光纤布拉格光栅的峰值波长进行修正。图 4、图 5给出了两根光纤样品辐照前后反射光谱的变化。可以看出反射光谱发生了明显的红移。光纤A、B峰值波长分别增加0.070 62 nm和0.074 15 nm。此外可以看到随着辐照剂量的增加光纤样品的反射光强越来越弱。随着辐照剂量的增加，光纤密度及相应的折射率改变，从而使光纤折射率分布指数发生改变，影响光纤的传输特性。

图4 光纤样品A辐照前后反射光谱变化
Fig.4 Reflected spectral changes of fiber sample A before and after irradiation

图5 光纤样品B辐照前后反射光谱变化
Fig.5 Reflected spectral changes of fiber sample B before and after irradiation

根据上述实验结果，可得出不同辐照剂量下，光纤布拉格光栅峰值波长与辐照前其峰值波长的差值。又由：

(16)

可求出不同剂量下，光纤布拉格光栅折射率的变化。

图6 光纤A折射率变化实验数据与拟合曲线
Fig.6 Experimental data and fitting curve of refractive index of optical fiber A

图7 光纤B折射率变化实验数据与拟合曲线
Fig.7 Experimental data and fitting curve of refractive index of optical fiber B

图8 光纤A辐照后折射率随时间的变化
Fig.8 The refractive index change over time of fiber A after irradiation

根据光纤A、B的实验数据拟合出的单e指数函数分别为ΔnzA=12.205-12.205exp(-0.125D)和ΔnzB=11.268-11.268exp(-0.163D)。

实验结果与所采用的光纤辐照色心模型结果吻合的较好，从而证明了理论分析的正确性。

对比光纤A和光纤B的实验结果(见图7、图8)，我们还发现光栅辐照前峰值波长越大，相同剂量辐照下，其折射率改变量越大。实验中使用的布拉格光栅是采用相位掩膜法写入光纤中的，即采用相位掩模板将入射紫外激光分为两束功率相等的衍射光束，两束激光相干涉，形成明暗相间条纹，从而导致光纤纤芯折射率的周期性变化，形成布拉格光栅。折射率的变化量与制作过程紫外激光总能量大小有关，能量越大，折射率变化越大。光纤A和光纤B纤芯折射率基本相同，光纤B的反射峰值波长比光纤A的大，也就是说光纤B在制作过程中所受到的紫外激光辐照越多，从而导致光纤内先驱缺陷增加。因此，根据式(12)、式(13)光栅辐照前峰值波长越大，相同剂量辐照下，其折射率改变量越大。

辐照结束后，对光纤样品的性能进行了进一步研究。由图 8和图 9，可以看出光纤折射率减小，即存在恢复效应。这是光纤因电离效应所产生的色心处于非稳态状态，当没有电离辐射时，色心所俘获的电子、空穴等被释放，从而导致色心消失，光纤慢慢恢复，纤芯折射率逐渐减小。

图9 光纤B辐照后折射率随时间的变化
Fig.9 The refractive index change over time of fiber B after irradiation

4 结论

采用60Co-γ辐射源对掺锗单模光纤布拉格光栅进行了电离辐射实验。随着辐照剂量的增加，光纤布拉格光栅反射谱的峰值波长出现红移现象，反射光的强度越来越小。并且光栅辐照前反射谱的峰值波长越大，相同吸收剂量下，其折射率变化越大。基于色心产生模型，从理论上分析了电离辐射对光纤布拉格光栅的辐射损伤机制，实验结果与理论分析较为符合，证明了理论分析的正确性。光纤在辐照后存在恢复效应，光纤折射率逐渐减小。本实验结果为光纤布拉格光栅在空间辐射环境下反射峰值波长的校准提供数据支持，为其在空间环境温度及应变测量的运用打下基础。