吳聞迪，余 婷，陶蒙蒙，李興冀，葉錫生*

(1.中國科學(xué)院 上海光學(xué)精密機械研究所 上海市全固態(tài)激光器與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，上海 201800；2.西北核技術(shù)研究所 激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，陜西 西安 710024；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間環(huán)境材料行為與評價技術(shù)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(zhì)量好、可實現(xiàn)小型化輕量化等優(yōu)點，已成為極具前景的激光技術(shù)之一[1-6]，并已在激光通信、激光遙感、激光加工、激光醫(yī)療等領(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著空間技術(shù)的快速發(fā)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(yōu)點，已引起了航天領(lǐng)域的極大關(guān)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(zhì)子、γ射線、α射線等[6-7]。因此，對于光纖材料的空間應(yīng)用，需考慮γ射線輻照等產(chǎn)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(yīng)研究，而對于應(yīng)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(yīng)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(chǎn)的TDF搭建激光器系統(tǒng)，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(yīng)在線測試，并結(jié)合該型光纖在輻照前、后的吸收光譜對比測試結(jié)果和受輻照光纖的泵浦漂白性能在線測試結(jié)果，給出初步實驗與分析結(jié)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(yīng)。光纖受電離輻照后，其中的電子-空穴對分離，形成缺陷，產(chǎn)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(chǎn)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(fā)生價態(tài)變化，導(dǎo)致?lián)诫s光纖的發(fā)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(shù)設(shè)計

實驗使用Nufern公司SM-TDF-10P/130-HE型TDF和西北核技術(shù)研究所強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)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(yīng)測試實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。

圖1 摻Tm光纖γ射線輻照效應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(zhì)。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(shù)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(dǎo)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(nèi)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(yīng)力。待測TDF置于鈷源罐口處，直接暴露于輻照環(huán)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(nèi)靈活調(diào)節(jié)。該裝置是開展γ射線輻照效應(yīng)在線測試研究的較理想輻射源。激光器的泵浦源和電學(xué)系統(tǒng)放置于輻照腔側(cè)面由鉛磚搭建的輻照防護室內(nèi)，以避免這些部分受輻照后出現(xiàn)性能變化從而影響TDF的測試結(jié)果。

低軌衛(wèi)星所經(jīng)受的年輻射劑量大約為1.1 krad(Si)[11]?？紤]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(shù)TDF搭建的2 μm光纖激光器進行γ射線輻照，設(shè)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(guān)報道中數(shù)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(jié)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(jīng)歷不同劑量率、相同總劑量的γ射線輻照后，上述TDF均出現(xiàn)了出光性能下降的現(xiàn)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(shù)據(jù)進行歸一化處理，結(jié)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)出單調(diào)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(jié)果(分別由曲線a和曲線b表示)。由圖3可見，在經(jīng)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(yīng)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(fù)(亦即是否存在泵浦漂白效應(yīng))，選用前述輻照劑量率為0.5、2.0、3.0 rad/s的樣品，設(shè)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(jiān)測結(jié)果見圖4。由圖4可見，該段光纖樣品經(jīng)歷γ射線輻照后未出現(xiàn)如文獻[15-16]所得到的明顯性能恢復(fù)過程，即未發(fā)現(xiàn)漂白效應(yīng)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(jié) 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(jié)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(fā)現(xiàn)：(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(diào)增大；(2)受輻照TDF樣品在630～760 nm的短波范圍內(nèi)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(jīng)歷長達 2 h的793 nm泵浦光連續(xù)加載過程中，未出現(xiàn)明顯的1 940 nm激光性能恢復(fù)，亦即未發(fā)現(xiàn)泵浦漂白效應(yīng)存在。

針對TDF這一較新的空間輻射效應(yīng)研究對象，在其性能退化特性和規(guī)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(jié)果來看，為滿足未來空間應(yīng)用需求，當前的這一主流商用摻銩光纖產(chǎn)品在耐空間輻射性能方面有待大力提高。