关于B/Ge共掺光纤中γ辐射诱导折射率变化测量研究的学术报告
本报告旨在详细介绍一篇发表于2013年的原创性研究论文。该研究由印度光纤实验室（Fiber Optics Laboratory, SSLD, RRCAT, Indore）的Sanjay Kher、Smita Chaubey和S. M. Oak，以及比利时核研究中心（SCKCEN Belgian Nuclear Research Center）的A. Gusarov合作完成。论文题为“Measurement of γ-Radiation Induced Refractive Index Changes in B/Ge Doped Fiber Using LPGs”，于2013年11月1日发表在《IEEE Photonics Technology Letters》第25卷第21期。
一、 研究背景与目的 本研究属于光纤传感与核辐射效应交叉领域。理解并量化电离辐射（特别是γ射线）对光学光纤折射率（Refractive Index, RI）的影响，对于设计应用于核反应堆内部监测、空间环境及高能物理实验中的光纤传感器、激光器和诊断系统至关重要。掺杂光纤（如掺锗、掺硼）因其光敏性而被广泛应用于光栅器件的制作，但这也使其在辐射环境下的性能稳定性面临挑战。此前的研究多利用光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Gratings, FBGs）来探测辐射引起的折射率变化，但结果受光栅类型、写入方式（如紫外或飞秒激光）的影响很大，存在不一致性。此外，传统的离线测量方法难以实现折射率变化的实时、原位监测。因此，本研究提出并验证了一种利用特定设计的长周期光纤光栅（Long Period Gratings, LPGs）——转折点长周期光栅（Turnaround Point LPGs, TAP-LPGs）——作为原位、高灵敏度探针，来测量γ辐射在B/Ge共掺光纤纤芯中诱导的折射率变化的新方法。研究的主要目标是：1） 开发一种基于LPG共振波长漂移的原位测量技术；2） 定量测量B/Ge共掺光纤纤芯折射率随γ辐射剂量（高达1.54 MGy）的变化；3） 分析其变化动力学并预测饱和行为。
二、 研究方法与工作流程 本研究的工作流程严谨，包含以下几个关键步骤：
转折点长周期光栅（TAP-LPGs）的设计与制备：这是本研究的核心技术基础。研究团队并未使用标准LPG，而是专门设计了工作在“转折点”附近的LPG。在转折点处，共振波长对光栅周期和光纤有效折射率的变化极为敏感。他们首先根据制造商提供的商用B/Ge共掺光敏光纤（PS980）的参数，模拟了纤芯基模（LP01）与各阶包层模（LP0m）之间的相位匹配曲线（Phase Matching Curves, PMCs），从而确定了能够实现第9阶或第10阶包层模耦合、并工作在转折点附近的精确光栅周期（205-207 μm范围）。随后，使用自动化XY扫描的二氧化碳（CO2）激光器，通过热效应（应力松弛）在光纤上写入具有精确周期的LPG。整个写入过程通过内置宽带光源和光谱分析仪（OSA）在线监测，确保光栅达到所需的耦合强度，并将光栅周期控制精度保持在1 μm以内，这对于实现转折点操作至关重要。
γ辐射实验与原位光谱监测系统搭建：为了进行原位测量，研究团队构建了一个专门的实验系统。他们将一段30厘米长、带有一段15毫米长未涂覆LPG的B/Ge共掺光纤样品固定在一个金属样品架的凹槽中，并施加轻微张力。该样品被置于一个钴-60（Co-60）辐照器中，剂量率为1.3 kGy/h。为了实现原位传输光谱监测，他们将带有LPG的光纤通过熔接与两根4米长的抗辐射跳线（纯硅芯/掺氟包层光纤）连接，跳线的另一端连接至光谱分析仪（OSA）。整个实验期间，LPG附近的温度被控制在26 ± 1°C。光谱记录在辐照开始前24小时启动，并在多个累积剂量点（如2.5, 6.5, 30, 100 kGy, 1 MGy等）进行测量。OSA在数据采集日持续开启，夜间关闭，每次重新开启后稳定半小时再记录数据，以此获得辐射诱导变化的动态过程。
数据采集与分析：实验的核心数据是LPG传输光谱随辐射剂量的演化。研究团队重点关注了三个共振模式：第9阶包层模、第10阶包层模以及位于转折点的模式（Tap模式）。他们精确测量了这些共振谷波长随剂量增加的漂移量，测量精度达到±0.2 nm。特别值得注意的是Tap模式的行为：在较低剂量（如6.5 kGy）下，其双峰间距就开始显著减小；在更高剂量下，双峰合并为一个宽峰，最终在极高剂量下（如1.064 MGy）完全失谐。然而，Tap模式在高剂量下共振波长不发生显著漂移，不适合用于定量分析折射率变化。因此，研究选取了第10阶包层模共振（位于1115 nm附近）的波长漂移作为主要分析对象，因为它在整个实验剂量范围内（直至1.54 MGy）都显示出向长波长方向（红移）的单调、近乎线性的漂移，且共振强度保持不变（变化约5%）。
折射率变化提取的物理模型与计算：从观测到的共振波长漂移（Δλ）反推出纤芯折射率变化（Δn_co）是本研究的核心分析步骤。研究人员基于LPG共振条件，建立了共振波长漂移与光纤参数变化之间的关系式。该公式表明，波长漂移主要源于两部分：光栅周期的变化（ΔΛ）和纤芯与包层模式有效折射率差的变化（Δn_eff = Δn_co,eff - Δn_cl,eff）。通过模拟分析，他们首先排除了辐射引起光栅周期显著变化（如弹性或塑性形变）的可能性，因为那需要达到二氧化硅断裂强度的应力，且与CO2激光写入机制（应力松弛）的观察结果不符。同时，辐射并未改变光栅的对比度（即共振深度），表明CO2激光写入区域与未写入区域对辐射的响应没有显著差异。因此，他们得出结论：观测到的波长漂移主要归因于辐射诱导的折射率变化。进一步地，由于所用光纤的包层由高纯度熔融石英制成，已知具有极高的抗辐射性能，而纤芯则富含对辐射敏感的B和Ge元素。因此，他们合理地假设辐射引起的包层折射率变化远小于纤芯的变化，即可近似认为Δn_cl,eff ≈ 0。在此假设下，观测到的Δn_eff变化主要反映了纤芯折射率的变化Δn_co。通过将实验测得的共振波长代入相位匹配方程，并迭代调整纤芯折射率值进行模拟，直到模拟的共振波长与实验观测值匹配，从而估算出对应于每个辐射剂量的纤芯折射率变化量。
三、 主要研究结果 研究获得了关于B/Ge共掺光纤在γ辐射下折射率行为的系统性数据与结论：
辐射诱导折射率变化的定量测量：研究成功实现了对B/Ge共掺光纤纤芯折射率变化（Δn_co）的原位、连续测量。结果表明，Δn_co随辐射剂量单调增加，且未在实验达到的最高剂量（1.54 MGy）下饱和。具体数值为：在10 kGy剂量下，Δn_co约为2.1 × 10⁻⁵；在1.54 MGy剂量下，Δn_co达到约1.85 × 10⁻⁴。这些数值与之前使用其他方法（如FBG、微干涉断层扫描）在类似掺杂光纤中报告的结果量级一致，验证了该方法的可靠性。
转折点LPG（TAP-LPG）的高灵敏度验证：实验数据清晰地展示了TAP-LPG对辐射早期响应的极高灵敏度。在仅6.5 kGy的剂量下，Tap模式的双峰间距就已发生明显变化，这证明了基于转折点设计的LPG作为辐射探测传感器具有优异的低剂量响应特性，尽管其在高剂量下不适合定量分析。
辐射损伤动力学与饱和趋势预测：为了深入理解折射率变化的机制并预测其长期行为，研究者采用了基于缺陷产生动力学的模型对实验数据进行了拟合。该模型将折射率变化视为多个独立过程（如不同颜色中心的形成）的叠加，每个过程随剂量以指数形式饱和。通过对实验数据（Δn_co vs. Dose）的拟合，他们发现至少需要三个项（即三种机制）才能很好地描述整个剂量范围内的变化：一种在低剂量（约6.8 kGy）下快速饱和的机制，可能对应于光纤预制棒中已存在的缺陷或前驱体被辐射激活；一种主导中间剂量范围（约100 kGy）的机制；以及一种在高达MGy剂量下仍未饱和、近乎线性的机制。基于此模型，他们预测纤芯折射率变化将在剂量超过约15 MGy后达到饱和，最大饱和变化值约为8.2 × 10⁻⁴。这一预测值高于他们本次实验测得的最大值，并与部分文献中对高剂量下效应的估计相符。
辐照后弛豫行为观察：在辐照停止后，研究人员在室温下对光栅进行了67小时的观测。发现第10阶共振模式波长仅有小于2 nm的恢复（总漂移量为37.4 nm），恢复比例很小（%）。这表明辐射诱导的折射率变化大部分是稳定的，只有一小部分（可能对应于某些不稳定的缺陷）在室温下发生了退火。这暗示了辐射诱导的色心（color centers）和玻璃网络极化率的变化是导致永久性折射率改变的主要因素。
四、 研究结论与价值 本研究得出结论：利用CO2激光写入的转折点长周期光纤光栅（TAP-LPGs）是一种有效的工具，可用于原位、高灵敏度地监测γ辐射在B/Ge共掺光纤中诱导的纤芯折射率变化。研究证实，该变化随剂量单调增加，在1.54 MGy内未观测到饱和，且主要是永久性的。通过动力学模型，预测其饱和值约为8.2 × 10⁻⁴，饱和剂量在15 MGy以上。
本研究的科学价值在于：首先，它提出并验证了一种基于LPG共振波长漂移原理的新型原位测量方法，克服了传统FBG方法受写入工艺影响大、结果不一致的问题，为研究光纤材料在极端辐射环境下的本征响应提供了更直接的工具。其次，研究获得了B/Ge共掺光纤在极宽剂量范围（从kGy到MGy）内折射率变化的详细数据与动力学模型，深化了对辐射诱导缺陷形成过程的理解，特别是区分了不同剂量区间主导的不同物理机制。
其应用价值更为显著：第一，所开发的TAP-LPG传感器本身具有制成在线、实时辐射剂量监测传感器的潜力，尤其适用于核设施、空间飞行器等需要长期、可靠辐射传感的场合。第二，研究结果为设计用于强辐射环境的光纤器件（如传感器、激光器、传输线）提供了关键的参数依据。例如，了解折射率变化随剂量的演化规律，可以帮助工程师预测器件性能的长期漂移，并据此设计补偿方案或选择更耐辐射的材料。第三，研究证实了CO2激光写入的LPG其辐射敏感性主要取决于光纤材料本身，而非写入过程，这有助于厘清工艺与材料对辐射响应的各自贡献。
五、 研究亮点 本研究的突出亮点体现在以下几个方面： 1. 方法创新：首创性地将工作在“转折点”附近的长周期光纤光栅用于高剂量γ辐射的原位、实时监测，并利用其极高的模式灵敏度，在低剂量下即观察到显著信号。这是一种巧妙的光学传感策略。 2. 技术实现：成功实现了在强辐射场中对微弱光学信号（共振波长亚纳米漂移）的长期、稳定、在线监测，涵盖了从kGy到MGy的极宽剂量范围，展示了实验系统良好的鲁棒性。 3. 深入的分析：不仅提供了测量数据，还通过合理的物理假设（包层折射率变化可忽略）和模型拟合，从复杂的波长漂移信号中提取出了纤芯折射率变化的绝对值，并进一步分析了其动力学行为，预测了饱和趋势，将实验现象提升到了机理探讨的层面。 4. 明确的工程指导意义：研究结论直接指出了B/Ge共掺光纤在辐射环境下折射率变化的幅值与稳定性，这对评估该类光纤在辐射环境中的应用可行性具有明确的指导价值。同时，也证明了CO2激光加工工艺不会引入额外的辐射敏感性，这对于采用该工艺制作耐辐射光纤器件是一个积极信息。
六、 其他有价值的发现 研究中还观察到一个有趣的现象：在极高剂量下（>100 kGy），Tap模式的两个共振峰合并并最终消失，而第9、10阶模式的共振强度却基本保持不变。这间接印证了他们的理论分析，即辐射主要引起纤芯折射率的均匀变化，而非非均匀的微扰或光栅结构的退化。这种不同模式响应的差异，本身就包含了辐射损伤空间分布的信息，未来可进一步挖掘用于区分不同类型的辐射损伤机制。此外，研究中对室温下辐照后弛豫行为的初步观察，为进一步研究热退火对辐射诱导缺陷的修复作用提供了切入点。