本文向您介绍一项发表于学术期刊 Photonic Sensors 的研究。该研究由韩国光州科学技术学院（Gwangju Institute of Science and Technology）的 Won-Taek Han 教授团队与韩国光技术研究院（Korea Photonics Technology Institute）的研究人员共同完成，作者包括 Seongmin Ju, Youngwoong Kim, Kadathala Linganna, Yune Hyoun Kim 和 Won-Taek Han。这项研究旨在开发一种适用于核辐射环境下的新型抗辐射光纤温度传感器，并深入探究了温度和伽马射线辐照对其光学特性的影响。
一、 学术背景与研究目的 本研究的核心科学领域是光纤传感技术，具体聚焦于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器在极端环境下的应用。核能工业的稳定运行需要可靠的实时监控系统。传统电学传感器易受电磁干扰，而光纤传感器因其抗电磁干扰、远程监测、可复用和响应快速等优点，在核反应堆和核电站的控制系统中备受关注。其中，FBG传感器更是因其测量信息仅依赖于波长这一特性而成为研究热点。
然而，将光纤传感器应用于核辐射环境面临一个重大挑战：高能伽马射线辐照会导致光纤传输损耗增加和布拉格反射波长发生漂移。这主要归因于辐射诱导缺陷（如非桥氧空穴中心、E‘中心、自陷空穴等）和色心的形成。为了提高光纤的辐射耐受性，通常的策略包括改变玻璃成分（例如在包层中掺入硼以形成更稳定的硼相关色心）或降低纤芯残余应力。但矛盾的是，纯硅或氟掺杂硅芯光纤虽然抗辐射性好，却因光敏性低而难以刻写FBG。常用的掺锗硅芯光纤易于刻写FBG，但其抗辐射性能又相对较差。
基于以上背景，本研究的目标是：制备一种新型的、兼具良好光敏性和高抗辐射性的光纤，并系统地评估其作为FBG温度传感器在伽马射线辐照环境下的性能。 为此，研究团队设计并制造了一种具有特殊结构的光纤：其纤芯为掺锗硅玻璃，以保持光敏性；在纤芯外依次包裹了一层纯硅玻璃缓冲层和一层掺硼硅玻璃内包层。缓冲层旨在减少因热膨胀系数不同而产生的残余应力，而掺硼内包层则旨在抑制辐射诱导缺陷的形成，从而提高整体抗辐射能力。
二、 研究方法与详细流程 本研究是一项系统的实验研究，主要包括光纤设计与制备、FBG刻写、以及在不同环境（温度变化与伽马辐照）下的光学特性测试与分析。具体流程如下：
1. 光纤制备 研究团队采用外部气相沉积法（Outside Vapor Deposition, OVD）和改良化学气相沉积法（Modified Chemical Vapor Deposition, MCVD）相结合的方式制备了光纤预制棒。 - OVD工艺制备纤芯与缓冲层：使用四氯化硅和四氯化锗作为原料，在氧气载气下沉积掺锗硅玻璃层形成纤芯。为了最小化纤芯与包层因热膨胀系数不同而产生的残余应力，在纤芯外部额外沉积了纯硅玻璃缓冲层。 - MCVD工艺制备内包层：在一个熔融石英管（作为最终的外包层基底）内表面沉积掺硼硅玻璃层，形成一个折射率凹陷的内包层。 - 预制棒组合与拉丝：将上述含有凹陷内包层的熔融石英管塌缩，并与OVD工艺制备的带有缓冲层的掺锗硅玻璃芯棒进行套接，形成最终预制棒。作为对照，同时制备了不含掺硼内包层（仅有纯硅缓冲层）的参考光纤。最后，将预制棒在2150°C下拉丝成外径为125微米的光纤。 - 光纤表征：制备的“缓冲层光纤”纤芯直径为8.56微米，截止波长为1225纳米。纤芯与缓冲层之间的折射率差Δn_core为0.0061，缓冲层与凹陷内包层之间的折射率差Δn_depressed-index为-0.0059。通过折射率剖面估算，纤芯中GeO2浓度约为3.8摩尔%，内包层中硼浓度约为18.5摩尔%。
2. FBG的刻写与制备 为了提高光纤的光敏性以利于FBG刻写，研究对两种光纤均进行了氢载处理（100巴压力，室温，96小时）。值得注意的是，在FBG刻写之前，所有光纤都预先接受了7.20 kGy剂量的伽马射线辐照，以释放光纤制造过程中形成的 strained Si-O 或 Ge-O 键。随后，使用248 nm KrF准分子激光器和相位掩模板在光纤上刻写中心反射波长在1550 nm附近的FBG。刻写FBG后的光纤在80°C下退火10小时，以释放氢载过程中渗透到纤芯的氢分子引起的弱光致变化。最后，用丙烯酸酯树脂对FBG区域进行重涂并紫外固化。
3. 实验测量与分析 本研究包含多个并行的测量与分析流程，以全面评估光纤性能： - 基础光学衰减测量：采用截断法，使用白光光源和光学频谱分析仪（Optical Spectrum Analyzer, OSA）测量光纤在伽马辐照（总剂量22.85 kGy，室温）前后的光学衰减谱。 - 折射率与残余应力剖面测量：使用光纤折射率分析仪（Fiber Index Profiler）测量光纤在伽马辐照（总剂量22.85 kGy，室温）前后的折射率剖面和残余应力分布。残余应力通过测量两束正交偏振光之间的相位差来估算。 - 元素分布分析：使用电子探针显微分析仪（Electron Probe Micro-Analyzer, EPMA）验证光纤横截面中锗和硼等掺杂元素的存在与分布。 - 伽马辐照下FBG特性实时测量：这是本研究的核心实验。将刻有FBG的光纤（总长11米，FBG位于中部）置于带有伽马射线透射石英玻璃窗的恒温腔中。使用^60Co伽马射线源在35±0.1°C的稳定温度下进行辐照，总剂量为22.85 kGy。选择35°C是为了消除辐射诱导温度变化带来的交叉敏感性。实验过程中，使用放大自发辐射光源和OSA，以3分钟为间隔，连续测量了124分钟辐照期间以及辐照结束后100分钟内的辐射诱导衰减（Radiation-Induced Attenuation, RIA）和辐射诱导布拉格反射波长（Radiation-Induced Bragg Reflection Wavelength, RIBRW）漂移。剂量率使用丙氨酸剂量计和电子顺磁共振系统进行标定，约为184.3 Gy/min。 - 温度依赖性测量：在无辐照条件下，测量FBG在18°C至40°C温度范围内的光学衰减和布拉格波长漂移，以确定其温度灵敏度。
三、 主要研究结果 研究获得了多方面的重要数据，揭示了新型光纤的结构特性及其在温度和辐照下的性能表现。
1. 光纤结构特性与辐照影响 - 折射率与应力剖面：测量结果清晰地显示了光纤的四层结构：掺锗纤芯（高折射率）、纯硅缓冲层、掺硼内包层（低折射率）和纯硅外包层。残余应力分析表明，制造过程中在光纤不同区域形成了复杂的应力分布（如纤芯中心为压应力，外圈为张应力；内包层为张应力等）。 - 辐照后的变化：在22.85 kGy剂量辐照后，光纤的折射率在±1×10^-4的精度内未发生显著变化。残余应力则发生了部分重排：缓冲层和最外包层的压应力略有松弛；缓冲层与内包层边界处的压应力增加；纤芯中心的压应力转变为张应力，而纤芯外圈的张应力则略有松弛。EPMA分析证实了锗和硼元素在预期区域的分布，且辐照后未发生明显变化。
2. 光学衰减性能 - 稳态辐照影响：在室温下接受22.85 kGy辐照后，两种光纤在1550 nm处的衰减均增加。但缓冲层光纤的衰减仅从0.019 dB/m增加到0.064 dB/m，而参考光纤则从0.015 dB/m激增至0.185 dB/m。这表明，带有掺硼内包层和纯硅缓冲层的设计，将光纤在1550 nm处的辐射诱导衰减降低了约3倍。光谱分析显示，辐照后在短波长区域（<800 nm）衰减急剧增加，这归因于Si-O和Ge-O键断裂产生的缺陷；在1400-1650 nm的红外区域，衰减也有增加，可能与锗相关的缺陷有关。
3. FBG传感器性能 - 温度灵敏度：在无辐照条件下，温度从18°C升至40°C时，FBG缓冲层光纤在1550.5 nm处的光学衰减温度依赖性为4.57×10^-4 dB/°C，布拉格波长漂移的温度灵敏度为5.48 pm/°C。相比之下，FBG参考光纤的衰减温度依赖性（27.50×10^-4 dB/°C）要高约6倍，但两者的波长温度灵敏度（5.06 pm/°C）相近。 - 伽马辐照灵敏度：在35°C恒温下进行辐照（总剂量22.85 kGy），FBG缓冲层光纤的辐射诱导衰减为0.32 dB（对应0.03 dB/m），布拉格波长红移0.12 nm，计算出的伽马辐照波长灵敏度为5.25×10^-3 pm/Gy。FBG参考光纤的RIA高达1.48 dB（0.13 dB/m），是缓冲层光纤的4倍多；其波长漂移为0.11 nm，灵敏度为4.81×10^-3 pm/Gy。关键发现是，在总剂量22.85 kGy下，FBG缓冲层光纤的温度依赖性衰减和辐射诱导衰减分别比参考光纤低约6倍和4倍。 - 饱和与恢复效应：研究观察到，随着辐照剂量增加，RIA和波长漂移会出现饱和趋势。在辐照停止后，波长漂移完全恢复至初始值，而RIA也得到部分恢复（FBG缓冲层光纤在100分钟后的恢复率高达84.4%，参考光纤仅为36.2%）。 - 其他参数稳定性：在整个温度和辐照变化过程中，两种FBG的反射峰功率和半高全宽（Full Width at Half Maximum, FWHM）带宽均保持稳定，未受显著影响。
4. 机理讨论 结合上述结果，论文对机理进行了深入讨论： - 抗辐射性提升：掺硼内包层通过形成更稳定的硼氧空穴中心等缺陷，抑制了有害的锗相关缺陷（如自陷空穴、Ge(1)、Ge(2)中心）的产生，从而降低了红外波段的辐射诱导衰减。纯硅缓冲层则通过减少热应力差异和作为高纯度材料层，进一步阻断了缺陷形成并提高了辐射耐受性。 - 波长漂移来源：FBG的温度依赖性主要源于光纤的热膨胀和热光效应；而伽马辐照引起的波长漂移则归因于有效纤芯折射率的辐射致变。本研究中辐照未引起永久性折射率改变，因此波长漂移在辐照停止后可完全恢复。 - 灵敏度对比：研究中最具应用价值的发现是，温度升高对布拉格波长的影响（~5.48 pm/°C）比伽马辐照的影响（~5.25×10^-3 pm/Gy）大了约1000倍。这意味着，在核辐射环境中使用这种FBG缓冲层光纤作为温度传感器时，伽马辐照对波长读数造成的交叉干扰极小，传感器主要反映温度变化，从而证明了其作为辐射环境下专用温度传感器的可行性。
四、 研究结论与价值 本研究成功设计并制备了一种新型抗辐射掺锗硅酸盐玻璃光纤，该光纤具有纯硅玻璃缓冲层和掺硼硅玻璃内包层。通过系统的实验表征，得出以下核心结论： 1. 该光纤结构能有效抑制伽马辐照引起的缺陷生成，显著降低1550 nm通信窗口的辐射诱导衰减。 2. 基于此光纤的FBG温度传感器，其温度灵敏度（5.48 pm/°C）与商用光纤相当，而其受伽马辐照影响的波长漂移灵敏度极低（~10^-3 pm/Gy量级）。 3. 温度对波长的影响比辐照影响高三个数量级，确保了在核辐射环境中进行温度测量时，辐照带来的交叉敏感性可忽略不计。 4. 在经历高达22.85 kGy的辐照后，光纤折射率未发生显著永久性改变，FBG的波长读数在辐照停止后可完全恢复，显示出良好的稳定性。
本研究的科学价值在于，提出并验证了一种通过复合结构设计（缓冲层+掺硼凹陷内包层）来协同提升掺锗光纤抗辐射性能的新思路，深化了对光纤在辐射环境下性能退化与恢复机制的理解。其应用价值则非常明确：为核电站、核废料处理设施等强辐射环境下的长期、可靠温度监测提供了一种极具潜力的新型光纤传感器解决方案。
五、 研究亮点 1. 创新性的光纤设计：将易于刻写FBG的掺锗纤芯、用于应力管理的纯硅缓冲层和用于提升抗辐射性的掺硼内包层有机结合，解决了光敏性与抗辐射性之间的矛盾。 2. 系统全面的性能评估：不仅测量了常规的光学衰减和波长漂移，还深入分析了辐照前后光纤的折射率剖面、残余应力分布和元素分布，从微观结构角度解释了宏观性能变化的原因。 3. 明确的工程应用指向：通过量化对比温度与辐照对FBG波长影响的巨大差异（1000倍），直接、有力地证明了所研制光纤作为辐射环境专用温度传感器的实用性与可靠性。 4. 精细的实验控制：在辐照实验中采用恒温（35°C）控制，有效剥离了温度变化的干扰，使得辐射效应的测量结果更为准确可信。