本研究的作者为A. Fernandez Fernandez、B. Brichard和F. Berghmans，他们均来自比利时核研究中心（SCK·CEN）。其中，A. Fernandez Fernandez同时与布鲁塞尔自由大学（Université libre de Bruxelles）有关联，F. Berghmans同时与布鲁塞尔自由大学（Vrije Universiteit Brussel）有关联。这项研究发表于2003年10月的《IEEE光子技术快报》（IEEE Photonics Technology Letters）第15卷第10期。
本研究属于光纤光学与辐射效应交叉的科学领域。随着光纤技术在空间应用、核工业以及高能物理实验中的引入，评估电离辐射对各种光纤元器件特性的影响变得至关重要。过去几十年的研究主要集中在块体石英玻璃和光纤中的辐射诱导衰减（Radiation-Induced Attenuation）和发光现象，而对于伽马辐射引起的折射率变化，尽管其在光纤陀螺仪、空间激光测距系统和星内高速光链路等系统的设计中具有关键重要性，但相关数据却相当缺乏。此前的研究要么是通过块体样品测量进行外推，要么是在辐照后离线测量，难以在强辐射场中进行原位（in situ）实时动力学研究。因此，本研究旨在开发并应用一种能够在伽马辐照过程中原位测量单模光纤折射率变化的技术，并以锗硅酸盐光纤为研究对象，量化其在不同剂量下的辐射诱导折射率变化动力学行为，填补该领域的数据空白和方法学缺陷。
本研究的工作流程主要包含以下几个紧密衔接的步骤：原理确立、实验装置搭建、原位辐照与测量、以及数据分析与折射率计算。
首先，研究团队确立了基于窄通道波分复用（Wavelength-Dision-Multiplexing, WDM）耦合器的测量原理。他们借鉴了Orazi等人利用紫外光曝光调谐偏振不敏感窄通道（Polarization Insensitive Narrow Channel, PINC）WDM耦合器波长的技术。其核心原理是：当耦合器耦合区域的折射率发生变化时，会导致其通道峰值波长发生漂移。具体关系由公式 Δλ/λ = Δn_eff / n_eff 描述，其中Δλ是观测到的波长漂移量，λ是初始波长，Δn_eff是有效折射率的变化量，n_eff是初始有效折射率。通过测量辐照过程中耦合器透射谱峰值波长的漂移，即可反推出光纤纤芯材料折射率的相对变化。这种方法的关键优势在于，信息编码在狭窄的光谱通道（约20纳米）内，使其对光纤中常见的宽谱辐射诱导衰减（约100纳米带宽）不敏感，且无需独立的参考臂，简化了在恶劣辐照环境下的干涉测量。
其次，搭建了专门用于强辐射场中原位测量的实验装置。研究使用的器件是一个由FOCI公司制造的PINC WDM耦合器，其标称通道间隔为10.3纳米，温度敏感性低于3皮米/摄氏度。为了确保测量稳定性，将耦合器和一个用作内部参考的光纤环置于专用烘箱中，温度控制在25±0.1°C。整个实验装置（包括耦合器和参考光纤）被置于比利时核研究中心（SCK·CEN）的钴-60池式辐照设施（Core Mock-up Facility, CMF）中，接受均匀的伽马射线辐照，剂量率高达25 kGy[H2O]/小时。测量系统采用安立（Anritsu）MG9637A可调谐激光源（Tunable Laser Source, TLS）和安藤（Ando）A2105光功率计来记录耦合器的透射光谱。为了补偿辐射引起的整体光功率波动，系统通过一个Dicon GP700光开关轮询测量耦合器各端口和内部参考光纤的信号，并将测量结果相减以消除共模衰减的影响。在辐照开始前，研究团队进行了24小时的稳定性测试，确定了波长测量的重复性为15皮米，这对应于折射率变化Δn的测量精度约为1.5×10^(-7)。
第三，执行了系统的原位辐照与光谱测量程序。实验总剂量达到13 MGy[H2O]。测量策略根据剂量阶段进行了优化：在最初30小时（低剂量阶段），以50皮米的步进和2纳米的扫描范围精细测量通道峰值附近的波长漂移，以聚焦于低剂量效应。在更高剂量水平，则采用0.5纳米的步进在20纳米范围内扫描，然后通过多项式拟合精确确定峰值位置。在整个实验过程中，耦合器仅在测量时被激光照亮，以避免可能的光漂白（photobleaching）效应干扰辐射诱导的固有变化。
第四，进行数据处理与折射率计算。所有测得的光谱数据均使用内部参考光纤的信号进行了辐射诱导衰减校正。通过追踪每个辐照剂量点对应的通道峰值波长λ，利用预先标定的公式计算出每个剂量下的有效折射率相对变化Δn_eff / n_eff，该值即近似为纤芯材料折射率的相对变化Δn/n。
本研究取得了一系列明确且重要的结果。首先，实验成功观测到了伽马辐射导致的PINC WDM耦合器通道峰值波长向长波方向（红移）的连续漂移，且耦合器在整个13 MGy的辐照过程中保持完全正常工作，通道间隔和隔离度在测量精度范围内保持稳定。这直接验证了所述测量技术的可行性和器件的辐射耐受性。
其次，也是最主要的结果，是获得了锗硅酸盐光纤折射率变化随累积伽马剂量的完整动力学曲线。计算得到的相对折射率变化Δn/n与剂量的关系清晰地显示：在低剂量区域（约0-600 kGy），折射率变化随剂量近似线性增加，其斜率约为5×10^(-6) / kGy[H2O]。这一数值与Gutierrez等人和Vasiliev等人通过其他方法估计或测量得到的结果具有可比性，间接验证了本方法的准确性。随着剂量继续增加，折射率变化的增长率放缓，进入一个变化速率较低的阶段，此阶段的斜率约为5×10^(-7) / kGy[H2O]。至关重要的是，在整个实验所达到的13 MGy极高剂量下，未观察到折射率变化的饱和现象。在辐照结束时，折射率的总变化量达到5.7×10^(-5)。辐照停止后，观察到小于10%的轻微恢复，这表明辐射诱导的折射率变化在很大程度上是永久性的。
这些结果逻辑连贯：原理部分确立了从波长漂移到折射率变化的定量关系；实验部分通过精密的原位测量获得了波长漂移的原始数据；数据分析部分将原始数据转化为折射率变化量；最终呈现的Δn/n ~ 剂量曲线直接回答了研究的核心问题——揭示了锗硅酸盐光纤在伽马辐射下折射率变化的幅度、剂量依赖关系及非饱和特性。这些具体的数据为理论模型提供了关键的实验约束，例如，变化的非饱和特性提示了缺陷产生机制可能不同于某些会饱和的色心模型。
本研究的结论是，利用PINC WDM耦合器可以实现对伽马辐射诱导的单模光纤折射率变化进行高精度的原位测量。对于所研究的锗硅酸盐光纤，在高达13 MGy[H2O]的剂量下，辐射诱导的折射率变化未出现饱和，总变化量达到5.7×10^(-5)。这一结论具有重要的科学价值和应用价值。在科学上，它首次揭示了锗硅酸盐光纤在极高剂量下折射率变化的动力学行为，为理解辐射与玻璃态材料相互作用的微观机制（如缺陷产生、结构致密化等）提供了关键数据。在应用上，该研究为在空间、核反应堆、高能物理探测器等强辐射环境中工作的光纤系统（如光纤陀螺、传感网络、通信链路）的设计和可靠性评估提供了至关重要的参数。工程师可以利用这些数据来预测辐射环境如何影响基于干涉或波长调制的光纤器件的性能，从而进行辐射硬化设计或制定补偿策略。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：第一，方法新颖。创造性地将商用WDM耦合器作为一种“内嵌式”干涉仪，用于强辐射场中的原位、实时折射率测量，解决了传统干涉测量法在恶劣辐照环境下难以保持参考臂稳定的难题。第二，数据独特。首次获得了锗硅酸盐光纤在高达兆戈瑞（MGy）剂量范围内折射率变化的连续、原位测量数据，并明确了其非饱和特性，这是先前研究未能达到的。第三，技术巧妙。利用窄通道光谱编码规避宽谱辐射衰减干扰的思路，显示了研究者对问题本质的深刻理解和巧妙的问题解决能力。第四，实验设计严谨。包括精确的温度控制、内部参考补偿、测量重复性验证以及针对不同剂量阶段的优化扫描策略，确保了在高剂量率辐照环境下数据的可靠性和高精度。
此外，研究中还有一些有价值的细节。例如，实验观察到辐射诱导衰减在参考光纤中小于5 dB，这侧面反映了所用连接光纤的辐射耐受性尚可，但更重要的是，通过差分测量法有效抑制了这种衰减对核心测量参数（波长）的影响，进一步证明了所选方法的鲁棒性。同时，研究也暗示了这种基于耦合器的测量技术具有应用于其他类型光纤或辐射源（如质子、中子）研究的潜力。