掺铥光纤γ射线辐照效应实验研究

吴闻迪，余 婷，陶蒙蒙，李兴冀，叶锡生*

(1.中国科学院 上海光学精密机械研究所 上海市全固态激光器与应用技术重点实验室，上海 201800；2.西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024；3.哈尔滨工业大学 空间环境材料行为与评价技术国家级重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

1 引 言

光纤激光因光束质量好、可实现小型化轻量化等优点，已成为极具前景的激光技术之一[1-6]，并已在激光通信、激光遥感、激光加工、激光医疗等领域获得日益广泛的应用。近年来，随着空间技术的快速发展，光纤激光器由于具有免维护特性好和抗震动能力强等优点，已引起了航天领域的极大关注。众所周知，地球空间轨道存在着大量的宇宙辐射，如中子、质子、γ射线、α射线等[6-7]。因此，对于光纤材料的空间应用，需考虑γ射线辐照等产生的辐致性能退化特性。

目前，人们已针对光通信类的传能和掺铒(Er)光纤等材料，开展了较为充分的空间辐照效应研究，而对于应用潜力不断增大的2 μm波段掺铥光纤(Tm-doped fiber，TDF)等新型高功率激光增益材料的耐空间辐照特性的研究则仍然比较少[8-9]。Nufern公司SM-TDF-10P/130-HE型光纤是目前国际上比较有代表性的主流商用TDF，但是对其耐空间辐照特性的实验研究尚未见报道。

本文以60Co源放射的γ射线作为辐照条件，探索辐致电离效应对Nufern公司SM-TDF-10P/130-HE型TDF性能的影响：分别使用5组同批次生产的TDF搭建激光器系统，在开机工作条件下对其中的TDF进行不同剂量率、相同总剂量的辐照效应在线测试，并结合该型光纤在辐照前、后的吸收光谱对比测试结果和受辐照光纤的泵浦漂白性能在线测试结果，给出初步实验与分析结论。

2 掺铥光纤γ射线辐照损耗初步分析

γ射线辐照所模拟的是空间电离辐照效应。光纤受电离辐照后，其中的电子-空穴对分离，形成缺陷，产生电子型色心和空穴型色心。色心的浓度nc为[10]：

式中，kg和ka分别为色心的产生率和退火率，n0为电子-空穴对的初始浓度，t为受辐照时间。

而对于掺Tm光纤激光器而言，色心将使光纤对可见光的吸收增强，而Tm光纤的泵浦源主要为793 nm激光，正好处于色心引起光纤吸收损耗变大的波长位置，因此，γ射线辐照会造成可供掺杂Tm离子利用的有效泵浦功率下降。另外，该缺陷还可能使得Tm3+离子发生价态变化，导致掺杂光纤的发光效率下降，从而造成2 μm波长掺Tm光纤激光器的工作性能下降。

3 实验装置与辐照参数设计

实验使用Nufern公司SM-TDF-10P/130-HE型TDF和西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室的60Co辐射源进行，搭建的1 940 nm掺铥光纤激光器及γ射线辐照效应测试实验装置结构如图1(a)所示。

图1 掺Tm光纤γ射线辐照效应测试实验装置 Fig.1 Experiment setup to measure the γ-ray irradiation effect of Tm-doped optical fibers

1 940 nm掺铥光纤激光器采用后向泵浦结构，使用输出功率为10 W、中心波长为793 nm的LD作为泵浦源；采用中心波长为1 940 nm、反射率分别为99%和10%的一对光纤布拉格光栅(FBG)作腔镜；采用3.5 m长的TDF作为增益介质。该款光纤为八角形包层，对角长度为130 μm，纤芯是圆形、直径为10 μm；该光纤对793 nm泵浦光的吸收系数为3 dB/m。在激光器低反光栅后熔接了一段传能光纤(以便将激光由辐照屏蔽室传导至测试室)，其后放置了对793 nm激光具有高反射性、对1 940 nm激光具有高透射性的双色片以滤除残余泵浦光。在793 nm泵浦光功率为4.3 W时，激光器输出1.2 W、中心波长为1 940 nm的激光。辐照屏蔽室内的实验装置如图1(b)所示，其中，60Co辐射源储存于地下重水中，在辐照实验开始时由升降装置吊起至辐照腔(照片中罐体)。待测TDF松散地盘绕在一个平面圆盘上以尽量减少光纤所受的应力。待测TDF置于钴源罐口处，直接暴露于辐照环境中，每个TDF所受辐照的剂量率随其至辐照源的距离而变化，可在0.5～3.0 rad/s的范围内灵活调节。该装置是开展γ射线辐照效应在线测试研究的较理想辐射源。激光器的泵浦源和电学系统放置于辐照腔侧面由铅砖搭建的辐照防护室内，以避免这些部分受辐照后出现性能变化从而影响TDF的测试结果。

低轨卫星所经受的年辐射剂量大约为1.1 krad(Si)[11]。考虑60Co辐射源剂量率的可控制范围，为便于进行比对分析，本次实验初步对由5段同批次相同参数TDF搭建的2 μm光纤激光器进行γ射线辐照，设置剂量率分别为0.5、1.0、1.5、2.0和3.0 rad/s，总剂量均为9.0 krad(Si)。本实验所采用γ射线辐射源的剂量率低于已有相关报道中数值[12-14]，这样就可更清晰地观察光纤在受辐照过程中的性能变化。

4 实验结果与讨论

实施γ射线辐照前，上述5段待测TDF所搭建的激光器在相同泵浦功率下的输出功率值为1.2～1.4 W。在经历不同剂量率、相同总剂量的γ射线辐照后，上述TDF均出现了出光性能下降的现象。对5组光纤在受γ射线辐照过程中出光功率的在线测试数据进行归一化处理，结果如图2所示。

图2 激光器输出功率随γ射线辐照剂量的变化 Fig.2 Laser output power versus γ-ray irradiation dose

由图2测试结果可见，当γ射线辐照的总剂量达到9.0 krad(Si)时，TDF激光输出功率出现了67%～90%的显著下降，且其下降幅度随辐照剂量率的升高基本呈现出单调增大趋势。

图3 TDF在辐照前(曲线a)和辐照后(曲线b)的吸收光谱 Fig.3 Absorption spectra of Tm-doped fibers before(curve a) and after(curve b) irradiation

图3给出了TDF样品在γ射线辐照前和辐照后的600～1 700 nm吸收光谱对比测试结果(分别由曲线a和曲线b表示)。由图3可见，在经受9.0 krad(Si)的γ射线辐照后，样品在630～760 nm短波范围的吸收明显增强，但在793 nm附近，原有最大吸收峰接近消失(图中虚线标出部分)。初步分析认为，γ射线的辐致电离效应使TDF中形成色心，增强了光纤在接近可见光波段的吸收损耗，使得TDF在793 nm附近的吸收特性显著退化，最终造成了1 940 nm激光输出功率快速下降。

为了初步考察上述TDF样品在受到γ射线辐照损伤后能否通过793 nm泵浦光进行性能恢复(亦即是否存在泵浦漂白效应)，选用前述辐照剂量率为0.5、2.0、3.0 rad/s的样品，设定793 nm泵浦光的输入功率为6.0 W，开始时输出1 940 nm激光的功率为0.3～0.5 W，长达2 h的出光功率在线监测结果见图4。由图4可见，该段光纤样品经历γ射线辐照后未出现如文献[15-16]所得到的明显性能恢复过程，即未发现漂白效应的存在。

图4 受γ辐照TDF的793 nm泵浦漂白过程 Fig.4 793 nm pump bleaching process of Tm-doped fiber irradiated by γ-ray

5 结 论

本文针对目前在国际上较为典型的Nufern公司SM-TDF-10P/130-HE商用掺铥光纤，开展了不同剂量率(0.5～3.0 rad/s)、9.0 krad(Si)相同总剂量的γ射线辐照在线测试研究，结合辐照前后的吸收光谱测试分析和辐照后的泵浦漂白性能实验，发现：(1)TDF样品对793 nm泵浦光的1 940 nm激光出光性能显著下降67%～93%，且下降幅度随剂量率升高而单调增大；(2)受辐照TDF样品在630～760 nm的短波范围内吸收损耗增强，但在泵浦光波长793 nm附近的原有最大吸收峰接近消失，从而造成了1 940 nm激光输出功率的快速下降；(3)受辐照TDF样品在经历长达 2 h的793 nm泵浦光连续加载过程中，未出现明显的1 940 nm激光性能恢复，亦即未发现泵浦漂白效应存在。

针对TDF这一较新的空间辐射效应研究对象，在其性能退化特性和规律方面，尚需在增加测试手段和进行理论分析等方面进一步开展深入的研究。

从本文开展的γ射线辐照初步实验研究结果来看，为满足未来空间应用需求，当前的这一主流商用掺铥光纤产品在耐空间辐射性能方面有待大力提高。