保偏光纖電離輻射效應(yīng)研究

梁 珣 劉德文

(上海航天控制工程研究所 上海 200233)

保偏光纖環(huán)是干涉型光纖陀螺的關(guān)鍵部件，在衛(wèi)星、航天飛行器以及各種載荷中廣泛應(yīng)用。保偏光纖作為石英光纖的一種，在輻照條件下的表現(xiàn)為損耗增加，即被輻照物的雜質(zhì)離子產(chǎn)生色心效應(yīng)[1]，保偏光纖中的色心主要由因引入應(yīng)力而作的高濃度摻雜硼、磷、鋁產(chǎn)生，導(dǎo)致輻照后光纖傳輸損耗的增加與普通光纖有所不同[2–4]，但消光比變化不明顯[5]。在紫外波段，保偏光纖的吸收強烈，幾乎呈不透明狀態(tài)；在紅外波段，其吸收雖較小，但也呈現(xiàn)光傳輸效率降低、損耗系數(shù)增加。

目前，國內(nèi)外關(guān)于空間輻射對電子器件影響的研究較為深入，有成熟的電子器件輻照試驗方法作為依據(jù)，以及宇航級的抗輻照電子器件以供篩選。但是國外關(guān)于空間輻射對光學(xué)器件的影響，以及光學(xué)器件的地面輻照試驗方法報道很少，我國的此領(lǐng)域研究才剛剛起步。

本文通過研究保偏光纖在輻射環(huán)境下的性能，探索輻照劑量率對保偏光纖的影響規(guī)律，針對不同劑量率輻照條件下的保偏光纖損耗的變化規(guī)律進行試驗研究，結(jié)合理論分析，得出光纖輻照損耗與劑量率的關(guān)系，為保偏光纖的地面輻照試驗方法提供參考。

1 材料與方法

保偏光纖輻照測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1。試驗用光纖為中電46所生產(chǎn)的熊貓型保偏光纖，長度500 m，工作波長1310 nm。選用超輻射發(fā)光光源(SLD)，工作波長1310 nm，由高性能的恒流源提供電流。SLD光源發(fā)出的光通過保偏耦合器分為兩束，一束通過跳線連接到輻照室中的保偏光纖環(huán)，再通過光纖跳線連接到位于控制室的雙通道光功率計；另一束通過光纖跳線直接連接到雙通道光功率計作為參考光。

圖1 光纖輻照測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Fiber test system structural chart for radiation.

用數(shù)據(jù)采集卡和采集程序?qū)饫w損耗數(shù)據(jù)進行實時在線檢測，其中，采樣周期為1 s；被測光路光功率值為光功率 1，參考通道的光功率值為光功率2。未輻照時，兩路功率對比值接近恒值；輻照條件下，兩路功率對比值的變化，即光纖損耗變化。

2 結(jié)果與討論

保偏光纖的60Co源輻照試驗在三種劑量率下進行，結(jié)果如圖2所示。劑量率為0.01 Gy/s，輻照6300 s，累積輻照總劑量為 63 Gy，光纖損耗增加1.0 dB；劑量率為0.02 Gy/s，輻照1600 s，累積總劑量為 32 Gy，光纖損耗增加 0.55 dB；劑量率為0.0835 Gy/s，輻照3900 s，累積輻照總劑量為326 Gy，光纖損耗增加5.8 dB。由此，在60Co輻射場中，保偏光纖輻照損耗隨輻照累積總劑量呈線性增加。

圖2 不同劑量率條件保偏光纖損耗曲線Fig.2 Radiation loss curve on different dose rate.

圖2 中的虛線為光纖損耗值與輻照累積總劑量進行線性擬合結(jié)果，其關(guān)系式如下：

式中，A為光纖的損耗，C1、C2為比例系數(shù)。

當(dāng)劑量率為0.01、0.02、0.0835 Gy/s時，對應(yīng)的C1、C2分別為 1.53′10–4，0.05；3.34′10–4，0.03；1.51′10–3，0.13。

由圖 2，光纖輻照損耗值與累積劑量的線性關(guān)系良好，C1與劑量率近似成正比關(guān)系，即：

其中，A1、A2為光纖的損耗，D1、D2為輻照劑量率，t為輻照時間。

將試驗所得保偏光纖環(huán)損耗值(dB)除以相應(yīng)的輻照劑量率(0.01 Gy/s)后所得結(jié)果如圖3，可見不同劑量率下保偏光纖的輻照損耗值除以相應(yīng)的輻照劑量率后所得曲線基本重合。

圖3 光纖輻照損耗與劑量率的比和輻照時間的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between radiation time and the ratio of the fiber radiation loss to dose rate.

輻照引起光纖損耗與輻照劑量率的關(guān)系通?？捎靡韵路匠堂枋鯷6]：

式中，n為動態(tài)階數(shù)，a,b為常數(shù)。

當(dāng)n=1，D10時，即表示光纖各種缺陷的恢復(fù)是相互獨立的，方程(3)的解為：

由式(4)，在相同的輻照時間內(nèi)，保偏光纖的損耗與輻照總劑量成正比。

當(dāng)n=2，D10時，即表示光纖各種缺陷的恢復(fù)相互間具有影響。方程(3)的解為：

當(dāng)2t(abD)1/2→1時，即在低劑量率輻照的情況下，有 exp[2t(abD)1/2] ? 2t(abD)1/2，此時把式(5)按級數(shù)展開，略去高次項可得：

由式(6)，低劑量率輻照的光纖損耗與劑量率和時間的乘積即輻照總劑量近似成正比。

3 結(jié)論

空間輻射是長期的低劑量率輻射環(huán)境，用較高劑量率(0.05-0.1 Gy/s)和短時間(≤6300 s)輻照保偏光纖，測量其損耗值，對試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合并外推，可得到長時間輻射條件下保偏光纖的輻照損耗值。用式(2)進行劑量率轉(zhuǎn)換得到低劑量率長時間輻照下保偏光纖損耗預(yù)估值。本文結(jié)果為保偏光纖空間輻照損傷的地面模擬預(yù)估提供了理論基礎(chǔ)。

1 Richard H B, Warren F W, Terrenc S L,et al. SPIE, 1995,120-163

2 Henschel H, Kohn O, Schmidt H U. Proc SPIE, 1996,2811: 68-76

3 Saetchnikov V A, Chernyavskaya E A, Yanukovich T P.Proc SPIE, 1998, 3573: 196-199

4 WANG Tingyun, CHEN Zhengyi, PANG Fufei. Chin Opt Lett, 2006, 4(12): 687-689

5 李榮玉, 殷宗敏.上海交通大學(xué)學(xué)報, 2000, 34(2):215-217 LI Rongyu, YIN Zongmin. J Shanghai Jiaotong Univ,2000, 34(2): 215-217

6 Griscom D L, Gingerich M E, Friebele E J. IEEE Trans Nucl Sci, 1994, 41(3): 523-527