摻銩光纖γ射線輻照效應實驗研究

吳聞迪，余 婷，陶蒙蒙，李興冀，葉錫生*

(1.中國科學院 上海光學精密機械研究所 上海市全固態激光器與應用技術重點實驗室，上海 201800；2.西北核技術研究所 激光與物質相互作用國家重點實驗室，陜西 西安 710024；3.哈爾濱工業大學 空間環境材料行為與評價技術國家級重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引 言

光纖激光因光束質量好、可實現小型化輕量化等優點，已成為極具前景的激光技術之一[1-6]，并已在激光通信、激光遙感、激光加工、激光醫療等領域獲得日益廣泛的應用。近年來，隨著空間技術的快速發展，光纖激光器由于具有免維護特性好和抗震動能力強等優點，已引起了航天領域的極大關注。眾所周知，地球空間軌道存在著大量的宇宙輻射，如中子、質子、γ射線、α射線等[6-7]。因此，對于光纖材料的空間應用，需考慮γ射線輻照等產生的輻致性能退化特性。

目前，人們已針對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研究，而對于應用潛力不斷增大的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型光纖是目前國際上比較有代表性的主流商用TDF，但是對其耐空間輻照特性的實驗研究尚未見報道。

本文以60Co源放射的γ射線作為輻照條件，探索輻致電離效應對Nufern公司SM-TDF-10P/130-HE型TDF性能的影響：分別使用5組同批次生產的TDF搭建激光器系統，在開機工作條件下對其中的TDF進行不同劑量率、相同總劑量的輻照效應在線測試，并結合該型光纖在輻照前、后的吸收光譜對比測試結果和受輻照光纖的泵浦漂白性能在線測試結果，給出初步實驗與分析結論。

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。光纖受電離輻照后，其中的電子-空穴對分離，形成缺陷，產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分別為色心的產生率和退火率，n0為電子-空穴對的初始濃度，t為受輻照時間。

而對于摻Tm光纖激光器而言，色心將使光纖對可見光的吸收增強，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位置，因此，γ射線輻照會造成可供摻雜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+離子發生價態變化，導致摻雜光纖的發光效率下降，從而造成2 μm波長摻Tm光纖激光器的工作性能下降。

3 實驗裝置與輻照參數設計

實驗使用Nufern公司SM-TDF-10P/130-HE型TDF和西北核技術研究所強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室的60Co輻射源進行，搭建的1 940 nm摻銩光纖激光器及γ射線輻照效應測試實驗裝置結構如圖1(a)所示。

圖1 摻Tm光纖γ射線輻照效應測試實驗裝置 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構，使用輸出功率為10 W、中心波長為793 nm的LD作為泵浦源；采用中心波長為1 940 nm、反射率分別為99%和10%的一對光纖布拉格光柵(FBG)作腔鏡；采用3.5 m長的TDF作為增益介質。該款光纖為八角形包層，對角長度為130 μm，纖芯是圓形、直徑為10 μm；該光纖對793 nm泵浦光的吸收系數為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至測試室)，其后放置了對793 nm激光具有高反射性、對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，激光器輸出1.2 W、中心波長為1 940 nm的激光。輻照屏蔽室內的實驗裝置如圖1(b)所示，其中，60Co輻射源儲存于地下重水中，在輻照實驗開始時由升降裝置吊起至輻照腔(照片中罐體)。待測TDF松散地盤繞在一個平面圓盤上以盡量減少光纖所受的應力。待測TDF置于鈷源罐口處，直接暴露于輻照環境中，每個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的范圍內靈活調節。該裝置是開展γ射線輻照效應在線測試研究的較理想輻射源。激光器的泵浦源和電學系統放置于輻照腔側面由鉛磚搭建的輻照防護室內，以避免這些部分受輻照后出現性能變化從而影響TDF的測試結果。

低軌衛星所經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，為便于進行比對分析，本次實驗初步對由5段同批次相同參數TDF搭建的2 μm光纖激光器進行γ射線輻照，設置劑量率分別為0.5、1.0、1.5、2.0和3.0 rad/s，總劑量均為9.0 krad(Si)。本實驗所采用γ射線輻射源的劑量率低于已有相關報道中數值[12-14]，這樣就可更清晰地觀察光纖在受輻照過程中的性能變化。

4 實驗結果與討論

實施γ射線輻照前，上述5段待測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。在經歷不同劑量率、相同總劑量的γ射線輻照后，上述TDF均出現了出光性能下降的現象。對5組光纖在受γ射線輻照過程中出光功率的在線測試數據進行歸一化處理，結果如圖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測試結果可見，當γ射線輻照的總劑量達到9.0 krad(Si)時，TDF激光輸出功率出現了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出單調增大趨勢。

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吸收光譜對比測試結果(分別由曲線a和曲線b表示)。由圖3可見，在經受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，但在793 nm附近，原有最大吸收峰接近消失(圖中虛線標出部分)。初步分析認為，γ射線的輻致電離效應使TDF中形成色心，增強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793 nm泵浦光進行性能恢復(亦即是否存在泵浦漂白效應)，選用前述輻照劑量率為0.5、2.0、3.0 rad/s的樣品，設定793 nm泵浦光的輸入功率為6.0 W，開始時輸出1 940 nm激光的功率為0.3～0.5 W，長達2 h的出光功率在線監測結果見圖4。由圖4可見，該段光纖樣品經歷γ射線輻照后未出現如文獻[15-16]所得到的明顯性能恢復過程，即未發現漂白效應的存在。

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

5 結 論

本文針對目前在國際上較為典型的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射線輻照在線測試研究，結合輻照前后的吸收光譜測試分析和輻照后的泵浦漂白性能實驗，發現：(1)TDF樣品對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增大；(2)受輻照TDF樣品在630～760 nm的短波范圍內吸收損耗增強，但在泵浦光波長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樣品在經歷長達 2 h的793 nm泵浦光連續加載過程中，未出現明顯的1 940 nm激光性能恢復，亦即未發現泵浦漂白效應存在。

針對TDF這一較新的空間輻射效應研究對象，在其性能退化特性和規律方面，尚需在增加測試手段和進行理論分析等方面進一步開展深入的研究。

從本文開展的γ射線輻照初步實驗研究結果來看，為滿足未來空間應用需求，當前的這一主流商用摻銩光纖產品在耐空間輻射性能方面有待大力提高。