CN109708846A - 空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析方法 - Google Patents

Abstract

为了解决光纤激光器的辐照实验存在实验费用比较昂贵、辐射环境单一的问题，本发明提供了一种空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析方法，抓住辐致损耗这一空间辐射对光纤激光器的主要影响因素，建立了辐射环境表征参数与光纤激光器功率和温度的数学联系，实现定量分析评估辐射环境对空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度的影响程度，可用于提前预估或事后评价空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度的变化情况，缩短了器件辐照实验考核时间，降低了辐照实验成本。本发明不仅可以对在确定辐射条件下的光纤激光器的功率特性和纤芯温度进行分析，还能够对光纤激光器在空间环境应用时，功率特性和纤芯温度受空间辐射影响情况进行预估。

Description

空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析 方法

技术领域

本发明属于激光技术和辐射物理技术领域，具体涉及一种空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析方法。

背景技术

随着光纤激光技术的发展，光纤激光器的应用领域不断拓展。然而，当光纤激光器在太空环境中使用时，由于受到空间辐射，辐射总剂量效应会导致激光器系统性能退化甚至失效。其中，激光功率是光纤激光器最重要的性能参数之一，而增益光纤的辐致损耗是导致空间用光纤激光器输出功率下降的主要因素。同时，辐致损耗的引入，成为了光纤激光器增益光纤内新的热量来源，会导致增益光纤温度的升高，而普通增益光纤涂覆层安全许可温度为80℃。此外，增益光纤中过高的温度会使高功率光纤激光器的稳定性下降，并导致激光器中光束质量的退化及模式不稳定现象发生。为了空间用光纤激光器的安全和稳定运行，很有必要知道光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的情况。

目前国内外已对光纤激光器的辐射效应开展了相关研究，但主要是通过进行辐照实验，获得在一定辐射条件下，光纤激光器输出功率退化的实验数据。但是，辐照实验存在实验费用比较昂贵、辐射环境单一、难以再现激光器所处的复杂辐射环境等问题，并且目前尚未有具体的分析空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度的方法提出。

发明内容

为了解决光纤激光器的辐照实验存在实验费用比较昂贵、辐射环境单一的问题，本发明提供了一种空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析方法，能够实现定量分析评估辐射环境对空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度的影响程度，可用于提前预估或事后评价空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度的变化情况，同时可缩短器件辐照考核时间、降低辐照实验成本、解决复杂辐射环境器件辐射损伤评估问题。

本发明的技术方案是：

空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

[1]对激光器所处的空间辐射环境进行分析，确定辐射粒子种类或射线种类，获得等效辐射剂量D；

[2]获取增益光纤在信号光和泵浦光波长处的辐致损耗数据；

[3]获取光纤激光器的功率特性：

将增益光纤辐致损耗作为新引入的背景损耗项考虑，对光纤激光速率方程求解，获得光纤激光器增益光纤中信号光和泵浦光功率沿光纤纵向的分布和z表示光纤纵向位置，也即获得了光纤激光器的功率特性；

[4]获取增益光纤纤芯温度的变化：

将辐致损耗作为光纤激光器增益光纤内新的热量来源考虑，对光纤的热传导方程求解，获得增益光纤纤芯温度的变化ΔT(0,z)。

进一步地，所述步骤[2]具体为：

[2.1]通过地面模拟辐照实验获得在2个以上确定辐射剂量下，任一波长处的增益光纤辐射损耗实验数据；

[2.2]通过实验数据反推出光纤辐致损耗幂律模型实验常数a和b，即可获得该波长处增益光纤辐射损耗与辐射剂量参数之间的关系曲线；

光纤辐致损耗幂律模型的表达式为α(D)＝a·D^b，

其中：

α(D)是光纤辐致损耗，单位是dB·Km^-1；

D是辐射剂量，单位是Gy；

a和b是实验常数，a的单位是dB·km^-1·Gy^-1。

进一步地，所述步骤[3]具体为：

[3.1]确定空间用光纤激光器的激光速率方程；

光纤激光速率方程为：

其中，

z表示增益光纤内沿轴向任一点的坐标；

N和N₂分别为总的掺杂粒子数密度和激发态粒子数密度；

λ_p与λ_s分别为泵浦光和信号光的波长；

分别为z处前、后向传输的泵浦光λ_p与信号光λ_s处功率；σ_ep和σ_ap分别表示泵浦光波长处的发射截面和吸收截面；

σ_es和σ_as分别表示信号光波长处的发射截面和吸收截面；

Γ_p和Γ_s分别为泵浦光和信号光波长处的填充因子；

A_c为纤芯有效模场面积；

A_in为光纤内包层面积；h为普朗克常数；

c是光速；

τ为激发态粒子寿命；

α_p，α_s分别为泵浦光、信号光波长处在光纤中的本征吸收损耗系数；所述光纤激光器的激光速率方程满足的边界条件为：

其中：

R₁、R₂分别为信号光在激光器两侧的反射率，其中信号光的反射率主要取决于光纤光栅对的反射率；

泵浦光已知，分别为光纤激光器增益光纤两端入射的泵浦光初值；

L为增益光纤长度；

[3.2]在考虑空间辐射环境中的光纤激光器时，假设初始条件及边界条件不变，将增益光纤辐致损耗作为新引入的背景损耗项考虑，也即公式(2)和(3)中泵浦光和信号光波长处的损耗系数应修正为α'_pα'_s，α'_p＝α_p(D)+α_p，α'_s＝α_s(D)+α_s，联立公式(1)-(3)进行求解，可以得到和也即可获得光纤激光器在受到不同辐射剂量辐照时的功率特性。

进一步地，所述步骤[4]具体为：

[4.1]计算增益光纤总的热负载；

将辐致损耗作为光纤激光器增益光纤内新的热量来源考虑，则空间用光纤激光器增益光纤内的热量来自于泵浦光的量子亏损Q_QD(z)，信号光和泵浦光的背景传输损耗Q_PL(z)，以及信号光和泵浦光的辐致损耗Q_R(z)三部分，各部分的具体表达式如下：

则增益光纤总的热负载为：

Q(z)＝Q_QD(z)+Q_PL(z)+Q_R(z) (7)

[4.2]根据光纤的热传导方程，增益光纤纤芯温度的变化ΔT(0,z)可以通过下面的公式进行计算获得：

其中：

H为对流/覆层材料的热传递系数；

r为极坐标半径；

r₁是纤芯半径；

r₂是内包层半径；

r₃是外包层半径；

k₁为纤芯导热系数；

k₂为内包层导热系数；

k₃为外包层导热系数。

进一步地，所述步骤[1]中，辐射粒子种类包括质子、电子、重离子、中子；射线种类包括γ射线和X射线；等效辐射剂量D需根据器件所处的具体辐射环境进行分析获取。

进一步地，步骤[3]中所述的光纤激光器包括掺稀土离子光纤激光器。

进一步地，所述掺稀土离子光纤激光器包括掺镱光纤激光器、掺铒光纤激光器、掺铥光纤激光器、掺钕光纤激光器、掺钬光纤激光器。

进一步地，步骤[2.1]中通过地面模拟辐照实验获得在5个以上确定辐射剂量下，任一波长处的增益光纤辐射损耗实验数据。

本发明具有的有益效果：

1、本发明提供了一种分析空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的方法，抓住辐致损耗这一空间辐射对光纤激光器的主要影响因素，建立起辐射环境表征参数与光纤激光器功率和温度的数学联系，实现定量分析评估辐射环境对空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度的影响程度，缩短了器件辐照实验考核时间，降低了辐照实验成本。

2、本发明不仅适用于单一辐射粒子或射线环境，而且适用于各种辐射粒子或射线均存在的复杂辐射环境。

3、本发明不仅可以在某一确定辐射条件下对光纤激光器的功率特性和纤芯温度进行分析，还能够对光纤激光器在空间环境应用时，功率特性和纤芯温度受空间辐射影响情况进行预估。

4、本发明不依赖于具体光纤激光器类型，可以评估不同掺稀土离子光纤的功率特性及纤芯温度受空间辐射影响的程度。

5、本发明通过地面模拟辐照实验获得5个以上确定辐射剂量下，任一波长处的增益光纤辐射损耗实验数据，提高了该波长处增益光纤辐射损耗与辐射剂量参数之间的关系曲线的拟合精度。

附图说明

图1为本发明方法的步骤流程图；

图2为掺镱光纤在976nm和1064nm处辐射损耗曲线；

图3为不同辐射剂量辐照时增益光纤中的信号光功率分布情况；

图4为不同辐射剂量辐照时增益光纤中的泵浦光功率分布情况；

图5为掺镱光纤激光器输出功率与辐射剂量的关系曲线；

图6为受到不同辐射剂量辐照时增益光纤中纤芯温度的变化。

具体实施方式

如图1所示，本发明所提供的空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析方法，包括以下步骤：

[1]对激光器所处的空间辐射环境进行分析，确定辐射粒子或射线种类，获得等效辐射剂量D，(等效辐射剂量D的获取方法可以通过查阅空间辐射环境工程方面的文献获得，如《空间辐射环境工程》，沈自才，中国宇航出版社，2013；《空间辐射对CMOS像感器性能影响的研究》,靳浩，硕士学位论文,哈尔滨工业大学，2012)。具体来说，空间辐射环境中的粒子种类包括质子、电子、重离子、中子，射线种类包括γ射线和X射线；等效辐射剂量参数D需根据器件所处的具体辐射环境进行分析。

[2]获取增益光纤在信号光和泵浦光波长处辐致损耗数据。

由于空间用光纤激光器所受的空间辐射具有小剂量率、长时间作用的特点，光纤激光器所受的辐射剂量与在轨工作时间成正比。通过地面模拟辐照实验获得在2个以上(5个以上为佳)确定辐射剂量下，任一波长处的增益光纤辐射损耗实验数据；通过实验数据反推出光纤辐致损耗幂律模型(Power-Law定律)实验常数a和b，即可获得该波长处增益光纤辐射损耗与辐射剂量参数之间的关系曲线。光纤辐致损耗幂律模型的具体表达式如下：

α(D)＝a·D^b，

其中：

α(D)是光纤辐致损耗，单位是dB·Km^-1；

D是辐射剂量，单位是Gy；

a和b是实验常数，a的单位是dB·km^-1·Gy^-1。

[3]将增益光纤辐致损耗作为新引入的背景损耗项考虑，对光纤激光速率方程求解，获得光纤激光器增益光纤中信号光功率沿光纤纵向的分布和泵浦光功率沿光纤纵向的分布也即获得了光纤激光器的功率特性；其中，z表示光纤纵向位置。具体的光纤激光器包括掺稀土离子光纤激光器，即掺镱光纤激光器、掺铒光纤激光器、掺铥光纤激光器、掺钕光纤激光器、掺钬光纤激光器。

获得光纤激光器的功率特性的具体方法为：

[3.1]确定空间用光纤激光器的激光速率方程；

光纤激光速率方程为：

其中，

z表示增益光纤内沿轴向某点的坐标；

N和N₂分别为总的掺杂粒子数密度和激发态粒子数密度；

λ_p与λ_s分别为泵浦光和信号光的波长；

分别为z处前、后向传输的泵浦光λ_p与信号光λ_s处功率；

σ_ep和σ_ap分别表示泵浦光波长处的发射截面和吸收截面；

σ_es和σ_as分别表示信号光波长处的发射截面和吸收截面；

Γ_p和Γ_s分别为泵浦光和信号光波长处的填充因子；

A_c为纤芯有效模场面积；

A_in为光纤内包层面积；

h为普朗克常数；

c是光速；

τ为激发态粒子寿命；

L为增益光纤长度；

α_p，α_s分别为泵浦光、信号光波长处在光纤中的本征吸收损耗系数；

光纤激光速率方程满足的边界条件为：

P_s ⁺(0)＝R₁P_s ^-(0)，P_s ⁺(L)＝R₂P_s ^-(L)，

其中：

R₁、R₂分别为信号光在激光腔两端的反射率，信号光的反射率主要取决于光纤光栅对的反射率；

泵浦光已知，分别为光纤激光器增益光纤两端入射的泵浦光初值。

[3.2]在考虑空间辐射环境中的光纤激光器时，假设初始条件及边界条件不变，将增益光纤辐致损耗作为新引入的背景损耗项考虑，也即上述公式(2)和(3)中泵浦光和信号光波长处的损耗系数应修正为α'_p(α'_p＝α_p(D)+α_p)和α'_s(α'_s＝α_s(D)+α_s)，联立公式(1)-(3)进行求解，可以得到和也即可获得光纤激光器在受到不同辐射剂量辐照时的功率特性。

[4]将辐致损耗作为光纤激光器增益光纤内新的热量来源考虑，对光纤的热传导方程求解，获得增益光纤纤芯温度的变化ΔT(0,z)，具体方法为：

[4.1]计算增益光纤总的热负载；将辐致损耗作为光纤激光器增益光纤内新的热量来源考虑，则空间用光纤激光器增益光纤内的热量来自于泵浦光的量子亏损Q_QD(z)，信号光和泵浦光的背景传输损耗Q_PL(z)，以及信号光和泵浦光的辐致损耗Q_R(z)三部分，各部分的具体表达式如下：

则增益光纤总的热负载为：

Q(z)＝Q_QD(z)+Q_PL(z)+Q_R(z) (7)

[4.2]根据光纤的热传导方程，增益光纤纤芯温度的变化ΔT(0,z)可以通过下面的公式进行计算获得：

其中：

H为对流/覆层材料的热传递系数；

r为极坐标半径；

r₁是纤芯半径；

r₂是内包层半径；

r₃是外包层半径；

k₁为纤芯导热系数；

k₂为内包层导热系数；

k₃为外包层导热系数。

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步描述

本实施例提供某掺镱光纤激光器在低轨道空间辐射环境中使用时，利用本发明方法测量掺镱光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的过程。本实施例包括以下步骤：

1)对掺镱光纤激光器所处的空间辐射环境进行分析，确定辐射粒子或射线的种类及等效辐射剂量D。

在低轨道空间辐射环境中，主要辐射源为质子和电子，质子的能量范围为0.1～400MeV，电子能量范围为0.1～10MeV。在使用0.1英寸厚铝板屏蔽后，位于低轨道的空间飞行器内的等效电离辐射剂量D大约为1Gy/year。

2)获取掺镱光纤在976nm(泵浦光)和1064nm(信号光)波长处辐致损耗数据。

对于搭建空间用光纤激光器的同类型掺镱光纤，通过地面模拟辐照实验，获得辐射剂量分别为0Gy、200Gy、400Gy、600Gy、800Gy、1000Gy时，976nm或1064nm处的掺镱光纤辐射损耗实验数据，通过实验数据反推出光纤辐致损耗幂律模型实验常数a和b，即可获得该波长处掺镱光纤辐射损耗曲线。图2所示为某掺镱光纤按照该方法获得的976nm和1064nm处掺镱光纤辐射损耗曲线，该图显示了掺镱光纤辐致损耗与辐射剂量之间的关系。

3)该掺镱光纤激光器采用前向泵浦结构，与该掺镱光纤激光器速率方程相关的参数取值如下：泵浦光波长λ_p＝976nm，信号光波长λ_p＝1064nm；增益光纤尺寸为纤芯半径r₁＝10μm，内包层半径r₂＝200μm，外包层半径r₃＝275μm；泵浦光的填充因子Γ_p＝0.0025和信号光的填充因子Γ_s＝0.88；增益光纤掺杂浓度N＝5×10²⁵cm^-3；泵浦光的发射截面σ_ep＝4.42×10^-24m²和吸收截面σ_ap＝4.37×10^-24m²，信号光的发射截面σ_es＝3.31×10^-25m²和吸收截面σ_as＝3.93×10^-27m²；普朗克常数h＝6.626×10^-34J·s；光速c＝3×10⁸m·s^-1；激发态粒子寿命τ＝9×10^-4s；泵浦光、信号光在增益光纤中的本征吸收损耗系数分别为α_p＝13dB·Km^-1，α_s＝21.6dB·Km^-1；增益光纤长度L＝8m；高反光栅的反射率R₁＝99.9％，低反光栅的反射率R₂＝4％；初始泵浦条件

在考虑空间辐射环境中的光纤激光器时，假设初始条件及边界条件不变，设泵浦光和信号光波长处的损耗系数应修正为α'_p和α'_s[α'_p＝α_p(D)+α_p，α'_s＝α_s(D)+α_s，通过步骤2)已经获得了α_p(D)和α_p(D)]，并带入掺镱光纤激光速率方程[公式(1)-(3)]进行求解，获得和与辐照剂量D之间的关系，即可以得到掺镱光纤激光器受到不同辐射剂量辐照时，增益光纤中不同位置处的信号光和泵浦光功率分布情况，分别如图3和图4所示。进而可以得到P_s(L)与辐照剂量D之间的关系，即掺镱光纤激光器输出功率与辐射剂量的关系曲线，如图5所示。

4)将辐致损耗作为光纤激光器增益光纤内新的热量来源考虑，则空间用光纤激光器增益光纤内的热量来自于泵浦光的量子亏损Q_QD(z)，信号光和泵浦光的背景传输损耗Q_PL(z)，以及信号光和泵浦光的辐致损耗Q_R(z)三部分，增益光纤总的热负载为：Q(z)＝Q_QD(z)+Q_PL(z)+Q_R(z)。通过步骤2)和3)已经获得了α_p(D)和α_p(D)，以及和基于公式(4)-(7)可以得到Q(z)。对于所用增益光纤，对流/覆层材料的热传递系数H＝1000W·m^-2·k^-1；纤芯导热系数k₁＝1.38W·m^-1·k^-1；内包层导热系数k₂＝1.38W·m^-1·k^-1，外包层导热系数k₃＝0.2W·m^-1·k^-1。根据公式(8)，可以计算获得ΔT(0,z)与辐照剂量D之间的关系，即不同辐射剂量辐照时，增益光纤中纤芯温度的变化情况，如图6所示。

本发明不局限上述具体实施方式，譬如光纤激光器类型、辐射粒子或射线类型、部分无次序要求的步骤调整、光纤辐致损耗获取方式可以超出实施例中列举的类型，以上变化均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

[1]对激光器所处的空间辐射环境进行分析，确定辐射粒子种类或射线种类，获得等效辐射剂量D；

[2]获取增益光纤在信号光和泵浦光波长处的辐致损耗数据；

[3]获取光纤激光器的功率特性：

将增益光纤辐致损耗作为新引入的背景损耗项考虑，对光纤激光速率方程求解，获得光纤激光器增益光纤中信号光和泵浦光功率沿光纤纵向的分布和z表示光纤纵向位置，也即获得了光纤激光器的功率特性；

[4]获取增益光纤纤芯温度的变化：

将辐致损耗作为光纤激光器增益光纤内新的热量来源考虑，对光纤的热传导方程求解，获得增益光纤纤芯温度的变化ΔT(0,z)。

2.根据权利要求1所述的空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析方法，其特征在于：所述步骤[2]具体为：

[2.1]通过地面模拟辐照实验获得在2个以上确定辐射剂量下，任一波长处的增益光纤辐射损耗实验数据；

[2.2]通过实验数据反推出光纤辐致损耗幂律模型实验常数a和b，即可获得该波长处增益光纤辐射损耗与辐射剂量参数之间的关系曲线；

光纤辐致损耗幂律模型的表达式为α(D)＝a·D^b，

其中：

α(D)是光纤辐致损耗，单位是dB·Km^-1；

D是辐射剂量，单位是Gy；

a和b是实验常数，a的单位是dB·km^-1·Gy^-1。

3.根据权利要求1所述的空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析方法，其特征在于：所述步骤[3]具体为：

[3.1]确定空间用光纤激光器的激光速率方程；

光纤激光速率方程为：

其中，

z表示增益光纤内沿轴向任一点的坐标；

N和N₂分别为总的掺杂粒子数密度和激发态粒子数密度；

λ_p与λ_s分别为泵浦光和信号光的波长；

分别为z处前、后向传输的泵浦光λ_p与信号光λ_s处功率；

σ_ep和σ_ap分别表示泵浦光波长处的发射截面和吸收截面；

σ_es和σ_as分别表示信号光波长处的发射截面和吸收截面；

Γ_p和Γ_s分别为泵浦光和信号光波长处的填充因子；

A_c为纤芯有效模场面积；

A_in为光纤内包层面积；h为普朗克常数；

c是光速；

τ为激发态粒子寿命；

α_p，α_s分别为泵浦光、信号光波长处在光纤中的本征吸收损耗系数；

所述光纤激光器的激光速率方程满足的边界条件为：

其中：

R₁、R₂分别为信号光在激光器两侧的反射率，其中信号光的反射率主要取决于光纤光栅对的反射率；

泵浦光已知，分别为光纤激光器增益光纤两端入射的泵浦光初值；

L为增益光纤长度；

[3.2]在考虑空间辐射环境中的光纤激光器时，假设初始条件及边界条件不变，将增益光纤辐致损耗作为新引入的背景损耗项考虑，也即公式(2)和(3)中泵浦光和信号光波长处的损耗系数应修正为α'_pα'_s，α'_p＝α_p(D)+α_p，α'_s＝α_s(D)+α_s，联立公式(1)-(3)进行求解，可以得到和也即可获得光纤激光器在受到不同辐射剂量辐照时的功率特性。

4.根据权利要求1所述的空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析方法，其特征在于：所述步骤[4]具体为：

[4.1]计算增益光纤总的热负载；

将辐致损耗作为光纤激光器增益光纤内新的热量来源考虑，则空间用光纤激光器增益光纤内的热量来自于泵浦光的量子亏损Q_QD(z)，信号光和泵浦光的背景传输损耗Q_PL(z)，以及信号光和泵浦光的辐致损耗Q_R(z)三部分，各部分的具体表达式如下：

则增益光纤总的热负载为：

Q(z)＝Q_QD(z)+Q_PL(z)+Q_R(z) (7)

[4.2]根据光纤的热传导方程，增益光纤纤芯温度的变化ΔT(0,z)可以通过下面的公式进行计算获得：

其中：

H为对流/覆层材料的热传递系数；

r为极坐标半径；

r₁是纤芯半径；

r₂是内包层半径；

r₃是外包层半径；

k₁为纤芯导热系数；

k₂为内包层导热系数；

k₃为外包层导热系数。

5.根据权利要求1所述的空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析方法，其特征在于：所述步骤[1]中，辐射粒子种类包括质子、电子、重离子、中子；射线种类包括γ射线和X射线；等效辐射剂量D需根据器件所处的具体辐射环境进行分析获取。

6.根据权利要求1所述的空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析方法，其特征在于：步骤[3]中所述的光纤激光器包括掺稀土离子光纤激光器。

7.根据权利要求6所述的空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析方法，其特征在于：所述掺稀土离子光纤激光器包括掺镱光纤激光器、掺铒光纤激光器、掺铥光纤激光器、掺钕光纤激光器、掺钬光纤激光器。

8.根据权利要求2所述的空间用光纤激光器功率特性及纤芯温度受辐射影响的分析方法，其特征在于：步骤[2.1]中通过地面模拟辐照实验获得在5个以上确定辐射剂量下，任一波长处的增益光纤辐射损耗实验数据。