本研究由Antonino Alessi（法国圣艾蒂安Laboratoire H. Curien）、S. Girard（法国CEA）、M. Cannas及S. Agnello（意大利巴勒莫大学）等学者合作完成，论文发表于2011年6月6日出版的*Optics Express*第19卷第12期。该研究聚焦于锗掺杂光纤及其预制棒中辐射诱导点缺陷——Ge(1)与Ge(2)——的生成机制，特别关注拉丝工艺对光纤辐射响应行为的影响。

锗掺杂二氧化硅是光纤制造中的关键材料体系。锗的引入能有效提高二氧化硅的折射率，由此满足光波导中纤芯与包层间的折射率差要求；此外，锗掺杂光纤还表现出良好的光敏性以及电离辐射下诱导非线性效应的能力。理解锗掺杂玻璃在辐射作用下的缺陷演化，对于评估光纤器件在空间辐射、核辐射等苛刻环境中的性能稳定性具有直接意义。长期以来，研究者提出了两类模型来解释锗掺杂材料的辐射响应：一类是“色心模型”，认为辐射释放锗氧缺陷中的电子，电子随后被其它锗位点俘获形成吸收型点缺陷；另一类是“压实效应模型”，强调辐照导致的材料结构致密化引起的折射率变化。本研究针对光纤与预制棒的对比实验，旨在厘清拉丝过程中引入的结构或缺陷变化如何影响辐射诱导Ge(1)与Ge(2)缺陷的动力学行为。

研究使用的光纤（FGe）与原预制棒（PGe）由iXFiber SAS公司通过改进的化学气相沉积工艺制备，光纤拉丝速度约为40 m/min，张力约70 g，炉温约为1600 ℃。光纤直径约125 μm，预制棒与光纤直径比为80.4。预制棒采用四阶锗掺杂径向分布，分为四个区域：Zone 1（约2.5 wt% Ge）、Zone 2（约4.5 wt%）、Zone 3（约8 wt%）与Zone 4（约11 wt%）。实验利用X射线（10 keV）在室温下对光纤与预制棒样品进行辐照，剂量率为0.02 kGy/s（除0.05 kGy剂量点以0.002 kGy/s累积）。光学吸收光谱在2.5–6.0 eV范围内测量。预制棒不同掺杂区的光吸收分别用直径小于0.5 mm的光束选择性探测。锗孤对中心（GLPC，germanium lone pair center）的径向分布通过共聚焦显微发光技术（CML）在3.2 eV发射带处测量，激发光源为He–Cd激光（3.8 eV），空间分辨率约2 μm。电子顺磁共振（EPR）谱在室温下使用9.8 GHz的Bruker EMX-micro Bay谱仪记录。Ge(1)、Ge(2)及Ge E′缺陷的浓度通过EPR谱分解获得，参照已知浓度的Si E′信号进行定量。

未辐照预制棒的光吸收谱显示在5.15 eV附近存在明显的GLPC吸收带，证实该批材料中GLPC是主要的本征缺陷。通过Smakula公式估算，Zone 2与Zone 4中GLPC浓度分别约为(1.9 ± 0.5)×10¹⁸ cm⁻³与(8.0 ± 2.6)×10¹⁸ cm⁻³。光纤芯部中心处的GLPC浓度估计约为(5.0 ± 1.6)×10¹⁹ cm⁻³，为预制棒Zone 4中浓度的约6.2 ± 2.2倍。辐照前EPR谱表明光纤与预制棒中均只有Ge E′信号，其浓度在光纤中约3×10¹⁶ cm⁻³、在预制棒中约3×10¹⁵ cm⁻³。辐照后，Ge(1)与Ge(2)缺陷被显著诱导。EPR数据表明，Ge(2)浓度与Ge(1)浓度之间存在近似线性的关系，比例系数约为1.25 ± 0.15，近似为1。这一相关性支持生成过程：Ge + GLPC ⇌ Ge(1) + Ge(2)，即一个四配位锗原子俘获一个来自GLPC的电子形成Ge(1)，同时GLPC失去电子离化形成Ge(2)。在此基础上建立了缺陷浓度随剂量变化的动力学模型，采用饱和形式的正切函数拟合剂量响应曲线。拟合结果显示，Ge(1)在光纤与预制棒中的饱和浓度分别为(6.3 ± 1.6)×10¹⁷ cm⁻³与(3.2 ± 1.1)×10¹⁷ cm⁻³；Ge(2)的饱和浓度则分别为(8.6 ± 2.2)×10¹⁷ cm⁻³与(4.9 ± 1.7)×10¹⁷ cm⁻³。光纤中两种缺陷饱和前的增长速率均显著高于预制棒。在低剂量区（约0.05–2 kGy），光纤中诱导缺陷浓度约为预制棒的8倍，该比值与两者间GLPC浓度比值（约6倍）相当，说明低剂量下光纤的较高辐射敏感性主要来源于拉丝过程中引入的GLPC数量增加。在模型参数提取中，计算得到产生概率c约为10⁻²⁴ kGy⁻¹ cm³数量级，而破坏概率b约为10⁻¹⁹ kGy⁻¹ cm³数量级，表明辐照过程中缺陷的产生概率远低于其破坏概率，因此即便前驱体浓度较高，诱导缺陷的总浓度也维持在有限水平。模型计算同时表明，光纤与预制棒中Ge(1)/Ge(2)的产生概率c相差不大（c_f ≈ 1.3 c_p），但破坏概率b在光纤中约为预制棒的2倍。这解释了为何在低剂量时光纤中缺陷浓度增长更快，而在高剂量时两者差距缩小：因为光纤中GLPC浓度更高使得初始产生速率更大，但更高的破坏概率使得最终饱和浓度未按GLPC比例等比放大。

进一步的分析还考虑了一个不强制Ge(1)与Ge(2)浓度相等的动力学模型。在该模型下，Ge(1)的产生概率q在光纤中约为预制棒的9.8倍，Ge(2)的产生概率s在两种材料中接近。前者与GLPC浓度比一致，支持GLPC作为电子供体导致Ge(1)生成；后者则可能源于Ge(2)生成的不确定性或不同前驱体通道。该研究所揭示的Ge(1)与GLPC间的定量关联，也将折射率变化与色心形成的两类研究联系到一起：折射率变化既与Ge(1)相关，也与GLPC间接相关，因为在GLPC增加的情况下Ge(1)生成被促进，折射率变化增强。

总体而言，本研究通过将共聚焦显微发光与电子顺磁共振技术相结合，系统比较了锗掺杂光纤及其原始预制棒在X射线辐照下的Ge(1)与Ge(2)缺陷生成机制。实验证明了光纤具有更高的辐射敏感性，并明确了GLPC作为电子供体、四配位锗作为电子陷阱的缺陷生成路径。通过动力学建模，研究揭示了光纤中缺陷破坏概率高于预制棒、而生成概率相近的重要差异。这意味着拉丝工艺主要通过增加GLPC浓度而非显著改变缺陷生成效率来提升光纤的辐射敏感性。此外，该研究还说明低剂量下的辐射响应差异主要由初始缺陷群体决定，而在高剂量下由于饱和效应，光纤与预制棒的行为趋于一致。这项研究为理解锗掺杂二氧化硅光纤在辐射环境中的稳定性、优化拉丝工艺以控制光纤辐射响应、以及阐释辐射诱导折射率变化的微观机理提供了直接实验依据，对光通信、空间光学器件以及辐射环境下光纤传感应用具有实际参考价值。