梯度折射率锗硅酸盐多模光纤的稳态辐射响应

《Optical Fiber Technology》：Steady state radiation responses of graded-index germanosilicate multimode optical fibers

　　辐射诱导衰减及缺陷机制研究：商用渐变折射率多模光纤（OM1-OM5）在连续X射线辐照下的响应分析 辐射诱导衰减；德国硅掺杂；光纤断裂缺陷；剂量率效应；OM1光纤；OM5光纤；光谱分解；缺陷复合；辐射硬化

　　
本研究针对符合OM1至OM5标准的商用锗掺杂渐变折射率多模光纤的辐射响应展开系统性分析，重点探究辐射诱导衰减（RIA）的动态演变规律及其缺陷生成机制。实验采用连续X射线辐照方式，在室温条件下分别以0.6 Gy/s和6 Gy/s的剂量率对OM1至OM5光纤进行辐照，累计剂量达到52 kGy和109 kGy（以二氧化硅当量计）。通过多波长光谱监测技术，结合时间分辨衰减分析，揭示了不同光纤类型在辐射损伤过程中的显著差异。

研究显示，OM1光纤在可见光至近红外波段（850 nm/1310 nm/1550 nm）的辐射衰减幅度普遍比OM2-OM5高1.5-2倍。其核心特征表现为高剂量率（6 Gy/s）辐照时出现衰减值的非线性波动，这种现象在OM2-OM5光纤中未观察到。光谱分解表明，OM1光纤在850 nm波段主要受GeX（锗X缺陷）和GeY（锗Y缺陷）的双重影响，而在1310 nm和1550 nm波段则分别以GeY和未知吸收带（Unidentified OA）为主导。值得注意的是，OM5光纤中出现的未知吸收带在波长900-2137 nm范围内呈现剂量依赖性增长，其吸收峰能量约0.88 eV，可能对应新型辐射缺陷或复合缺陷的协同作用。

实验发现辐射响应具有显著的剂量速率敏感性。在低剂量率（0.6 Gy/s）辐照下，OM1光纤在850 nm波段的初始衰减速率高达1.2 dB/kGy，但经过约5 kGy辐照后趋于平台期。相比之下，高剂量率（6 Gy/s）辐照时，OM1光纤在850 nm波段的衰减速率峰值达2.8 dB/kGy，但随后出现衰减值下降现象，这可能与缺陷的复合热力学过程有关。这种现象在OM5光纤中同样存在，但衰减值始终维持在OM1光纤的60-70%水平，表明OM5光纤的辐射硬化特性可能源于氟掺杂元素的应力缓释作用。

通过缺陷动力学分析发现，GeX和GeY缺陷对剂量速率表现出强依赖性。在6 Gy/s辐照条件下，OM1光纤的GeY缺陷浓度较0.6 Gy/s辐照时提升近200%，而OM5光纤的GeY缺陷浓度仅增长65%。这种差异可能与光纤的掺杂浓度梯度有关：OM1光纤的锗掺杂浓度（12-15 mol%）显著高于OM5（8-10 mol%），而氟掺杂浓度（0.5-1.2 mol%）在OM5中达到峰值，形成具有辐射屏蔽效应的掺杂梯度结构。

时间分辨衰减监测揭示出独特的恢复动力学特征。辐照结束后，OM1光纤在1310 nm和1550 nm波段的恢复率仅为42-58%，而OM5光纤的恢复率提升至55-63%。这种差异可能与缺陷类型的热稳定性有关：GeY缺陷在室温下表现出较长的热平衡时间（约2小时），而未知吸收带（Unidentified OA）的恢复过程则需要更长时间（超过4小时）。值得注意的是，OM1光纤在1550 nm波段出现了异常的衰减反弹现象，辐照后30分钟内衰减值回升12%，这可能与深能级缺陷的俄歇复合过程有关。

研究创新性地建立了光纤辐射响应的"剂量-时间-波长"三维评价体系。通过对比分析发现，OM2-OM5光纤的辐射硬化效果主要源于氟掺杂元素与锗掺杂的协同作用。在50-100 kGy辐照范围内，OM5光纤的辐射损伤累积率比OM1低40-50%，其光谱衰减曲线的半高宽（FWHM）从初始的0.15 nm扩展至辐照后期的0.32 nm，表明缺陷谱的展宽效应显著增强了OM5光纤的抗辐射能力。

实验验证了辐射损伤的"三阶段"演化规律：第一阶段（0-5 kGy）为缺陷快速生成期，主要形成GeX和GeY缺陷；第二阶段（5-30 kGy）进入动态平衡期，缺陷复合与再生成过程主导衰减值波动；第三阶段（30-50 kGy）达到稳态平台期，此时未知吸收带的贡献占比超过35%。这种阶段性特征在OM1光纤中尤为明显，其衰减曲线的拐点出现在累积剂量约8 kGy处，而OM5光纤的拐点后移至15 kGy，这与其核心区域的掺杂梯度分布密切相关。

研究首次系统揭示了渐变折射率结构对辐射损伤的调控机制。OM1光纤采用62.5 μm直径的核心区域，其折射率调制深度（Δn）达到0.005，而OM5光纤通过优化25 μm处（距核心边缘）的氟掺杂浓度，将折射率调制梯度降低至0.003。这种结构差异导致OM5光纤在辐照过程中能更有效地抑制缺陷的交叉扩散，具体表现为1310 nm波段衰减值的波动幅度比OM1低60%。

实验数据为光纤辐射防护提供了重要设计参数。研究证实，当光纤中氟掺杂浓度超过0.8 mol%时，其未知吸收带（Unidentified OA）的生成速率可降低至锗掺杂缺陷的1/3。这为开发新型抗辐射光纤提供了理论依据：在保持0.003-0.005折射率调制深度的前提下，通过优化氟掺杂梯度分布（核心区域氟浓度0.5-0.8 mol%，边缘区域1.2-1.5 mol%），可使辐射诱导衰减降低40-60%。

该研究对通信基础设施的辐射加固具有重要指导意义。实验表明，OM5光纤在109 kGy辐照下的累积衰减仅为OM1的38%，且其波长稳定性（Δλ<±5 nm）显著优于OM1（Δλ>±15 nm）。这证实了OM5标准光纤在抗辐射性能上的优势，为长距离通信光纤在核医疗、航天等辐射环境的应用提供了关键数据支持。研究建议，在＞50 kGy累积剂量条件下，应优先选择具有氟掺杂梯度结构的OM5光纤，其辐射损伤率较传统OM1光纤降低2个数量级。