CN113381275A - 高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，该光纤光源为多泵浦双程后向结构，采用自制备的掺铒光子晶体光纤作为增益介质。系统光路包括：980nm激光器、665nm激光器、第一波分复用器、掺铒光子晶体光纤、第二波分复用器、第一光谱滤波器、第二光谱滤波器、光纤隔离器。本发明光纤光源利用特殊波长激光器同时泵浦来实现有效的光褪色，从而保证了在空间辐照环境下，掺铒光纤光源的平均波长和输出功率的稳定性；同时采用平坦谱滤波器对输出光谱进行滤波整形使光源具有大带宽，从而保证光源具有较低的相对强度噪声特性，特别适合于高精度光纤陀螺的空间应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带光纤光源，尤其涉及一种针对空间高精度光纤陀螺用的抗辐照掺铒光子晶体光纤光源。
背景技术
作为一种有源光纤器件的增益和传输介质，掺铒光纤已经广泛的应用于陆地和海底长线或者高分布式通信系统。随着空间技术的不断发展，基于掺铒光纤的有源器件在空间的应用潜力已受到人们越来越多的关注。但太空充满宇宙射线的特殊环境必须引起人们重视。研究表明，在采用特殊的工艺技术时，泵浦激光器、普通光纤器件和器件尾纤已经具备较好的抗辐照能力，而掺铒光纤作为有源光纤器件的增益和传输介质，与普通光纤不同，除了掺Ge外，还根据需要掺杂了较高浓度的Al、Er和P等离子，这种材料结构使得掺铒光纤对辐照具有很高的敏感度。辐照射线能改变掺铒光纤的工作特性，甚至使之失效，这会对掺铒光纤光源与系统的可靠性和寿命造成严重影响，因此对掺铒光纤光源的防护技术的研究是空间应用必须解决的一项重要课题。
目前对掺铒光纤光源抗辐照问题的解决大都采用被动防护的方法，没有从本质上探索解决其抗辐照问题。被动防护法虽然能通过加重金属屏蔽来提高掺铒光纤光源的抗辐照性能，但在空间应用中过多的质量增加是不允许的。
掺铒光纤中，辐照引起的损耗是由于色心的产生；色心是由材料中的带电结构缺陷以及本身的掺杂和不纯俘获高能射线电离的电子和空穴形成的，在热、光等作用下辐照产生的损伤会得到恢复，这一过程这被称为褪色效应。基于褪色效应的抗辐照技术主要有两种，一种是热褪色，另一种是光褪色。对于热褪色这种方法，需要加热到很高的温度（300℃）才能产生明显的褪色效应，而如此高的温度会对其它光学器件造成伤害，因此不适合空间应用。光褪色抗辐射技术具有方法简单、适用性强、褪色效率高的独特优点，对于空间应用而言，是一种具有广阔发展潜力的方法。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供一种空间高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，该光纤光源为多泵浦双程后向结构；光路结构中掺铒光纤采用掺铒光子晶体光纤作为增益介质，该掺铒光子晶体光纤经过特殊结构的设计，具有较低的截止波长，能保证多波长的光在所述掺铒光子晶体光纤中有效地传输。
本发明提供如下技术方案：高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，所述光纤光源为多泵浦双程后向结构，所述光纤光源包括980nm激光器、665nm激光器、第一波分复用器、掺铒光子晶体光纤、第二波分复用器、第一光谱滤波器、第二光谱滤波器、光纤隔离器；所述980nm激光器和所述665nm激光器两个泵浦激光器作为泵浦光源，它们既是泵浦激光器，又是褪色用激光器，泵浦功率均可调；
采用所述掺铒光子晶体光纤作为增益介质，所述光纤光源具有第一光路走向、第二光路走向和褪色效应光路走向，褪色效应光路走向是第一光路走向和第二光路走向的综合；
所述掺铒光子晶体光纤的制备方法包括以下步骤：
1）采用外径为15mm-20mm、内径为10mm-13mm、壁厚为1mm-2mm的石英管，在1300℃-1500℃下将清洗过的纯二氧化硅玻璃衬管的内壁沉积8层-10层的二氧化硅，然后采用石墨炉于80℃-100℃下对石英管进行熔缩；
2）对所述步骤1）得到的石英管于40℃-50℃下沉积二氧化硅芯层，然后将其放入至含有铒离子和金属离子的共掺杂离子溶液中浸泡1h-2h；
3）将步骤2）得到的石英管于80℃-100℃下烘干，去除衬管并拉丝制得用于形成所述A有源纤芯（41）的第一玻璃丝；
4）另取2根石英管，重复步骤1），然后将得到的石英管放入至含有铈离子的掺杂离子溶液中浸泡1h-2h；
5）将步骤4）得到的1根石英管于50℃-60℃下烘干，去除衬管并拉丝制得用于形成所述第一包层的第二玻璃丝，将步骤4）得到的第2根石英管于80℃-100℃下烘干，去除衬管并拉丝制得用于第二包层的第三玻璃丝；
6）将所述步骤3）形成的第一玻璃丝与所述步骤5）形成的第二玻璃丝和第三玻璃丝由内之外依次捆扎，成玻璃丝束，使得所述用于形成所述A有源纤芯（41）的第一玻璃丝处于中心，将获得的玻璃丝束与内套管、外套管同心嵌套，于2000℃-2200℃下熔缩，然后冷却后涂覆一层聚四氟乙烯层，于30℃-35℃下烘干形成实心的所述掺铒光子晶体光纤。
进一步地，所述980nm激光器与第一波分复用器的第一端熔接，所述第二光谱滤波器的入纤端与第一波分复用器的第二端熔接，第一波分复用器的第三端与掺铒馆子晶体光纤的第一端熔接，掺铒馆子晶体光纤的第二端与第二波分复用器的第一端熔接，第二波分复用器的第二端与第一光谱滤波器的一端熔接，第二波分复用器的第三端与所述665nm激光器的一端熔接；
所述第二光谱滤波器的出纤端与所述光纤隔离器的入纤端熔接，所述光纤隔离器（8）的出纤端作为光输出端；
所述第一波分复用器的第一端和第二端位于所述第一波分复用器的同一侧，所述第一波分复用器的第三端与所述第一波分复用器的第一端分别位于所述第一波分复用器的两侧；
所述第二波分复用器的第二端和第三端位于所述第二波分复用器的同一侧，所述第二波分复用器的第一端与所述第二波分复用器的第二端分别位于所述第二波分复用器的两侧。
进一步地，所述掺铒光子晶体光纤的截面由内至外依次包括A有源纤芯（41）、第一包层、第二包层、涂覆层；所述第一包层围绕所述A有源纤芯四周按照六角形均匀分布有空气孔；
所述涂覆层的材质为聚四氟乙烯，所述A有源纤芯材质为掺杂金属离子和铒离子的二氧化硅，所述第一包层和第二包层的材质为掺杂有铈离子的二氧化硅；
所述掺铒光子晶体光纤的A有源纤芯与所述第一包层和第二包层形成的芯包层为0.5～1.0mm:5～10mm，所述A有源纤芯的直径为5μm～8μm。
进一步地，所述A有源纤芯材质中二氧化硅掺杂的金属离子为铝离子、铈离子、磷离子中的一种。
进一步地，所述步骤2）中的共掺杂离子溶液中的铒离子浓度为4M～5M，金属离子浓度为2M～3M。
进一步地，所述步骤4）的掺杂离子溶液中铈离子的浓度为3M-6M。
进一步地，所述第一光路走向为：所述980nm激光器输出的980nm激光经所述第一波分复用器后，由掺铒光子晶体光纤的第一端进入所述掺铒光子晶体光纤中；
所述掺铒光子晶体光纤对980nm激光进行放大自发辐射，生成前向光和后向光；所述前向光经所述第二波分复用器后，由第一光谱滤波器的一段进入所述第一光谱滤波器中；
所述第一光谱滤波器对所述前向光进行反射，成为反射光；
所述反射光再次折返进入所述第二波分复用器后，由所述掺铒光子晶体光纤的第二端进入所述掺铒光子晶体光纤中；
所述掺铒光子晶体光纤对所述反射光进行光放大，生成放大光；所述后向光与所述放大光在所述掺铒光子晶体光纤中生成混合光；所述混合光经第一波分复用器的第二端输出至所述第二光谱滤波器中。
进一步地，所述第二光路走向为：所述665nm激光器输出的665nm激光经所述第二波分复用器后，由所述掺铒光子晶体光纤的第二端进入所述掺铒光子晶体光纤中；
所述掺铒光子晶体光纤对所述665nm激光进行放大自发辐射，生成前向光和后向光；所述后向光经所述第二波分复用器后，由所述第一光谱滤波器的一端进入所述第一光谱滤波器中；
所述第一光谱滤波器对所述后向光进行反射，成为反射光；所述反射光经所述第二波分复用器后，由所述掺铒光子晶体光纤的第二端进入所述掺铒光子晶体光纤中；
所述掺铒光子晶体光纤对所述反射光进行光放大，生成放大光；所述前向光与所述放大光在掺铒光子晶体光纤中生成混合光；所述混合光经所述第一波分复用器的第二端输出至所述第二光谱滤波器中。
进一步地，所述褪色效应光路走向为：在所述掺铒光子晶体光纤中，一方面接收所述980nm激光器输出的980nm激光、前向光、经所述第一光谱滤波器反射的反射光、所述665nm激光器输出的665nm激光、后向光经所述第一光谱滤波器反射的反射光；
另一方面输出反射光放大后的放大光、后向光、反射光放大后的放大光、前向光；
所述掺铒光子晶体光纤被980nm激光，665nm激光泵浦，掺铒光子晶体光纤中的铒离子产生前向光、前向光、和后向光、后向光的同时，由于其泵浦能态的激发态吸收效应，会在前后两个方向上产生545nm的绿色超荧光。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源包括有三路光路走向，其中前两路产生信号光，第三路光走向即光褪色效应光路走向，利用光褪色效应对掺铒光子晶体光纤4在辐照环境下形成的色心进行光褪色，保证输出光平均波长和功率在辐照环境下的稳定性。
2、本发明提供的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源中980nm激光器1出射980nm激光101、665nm激光器2出射665nm激光201，在本发明提供的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源中，两种激光既是泵浦光又是褪色光；当外界环境辐照条件（辐照总剂量，辐照剂量率）一定时，通过调节980nm激光器1、665nm激光器2的泵浦或褪色光功率，使本发明提供的光源具有很好的抗辐射性能，输出平均波长和光功率稳定的宽谱光。
3、本发明提供的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源中掺铒光子晶体光纤4的截止波长较低，传播各种波段泵浦激光的同时，能将铒离子泵浦能态的激发态吸收效应产生的短波长的超荧光（545nm绿色超荧光901）限制在纤芯中传播用于主动光褪色，另外，该掺铒光子晶体光纤4纤芯中掺杂了较低浓度的含铝的化合物和适当浓度的可变价不着色阳离子，自身具有一定的抗辐照能力。
4、本发明提供的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源中的第一光谱滤波器6具有光谱选择性反射功能，反射掺铒光子晶体光纤4产生的前向光102、后向光204，在调节输出光谱的同时增强光源输出超荧光功率。
5、本发明提供的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源中的第二光谱滤波器7对ASE信号光起增益平坦作用，增大光源输出谱宽，降低光纤相对强度噪声。
6、本发明的掺铒光子晶体光纤的制备过程中由于不需要选择合适的石英管在进行套管，所以减少了制备步骤，可以大幅度节约制作周期。
7、本发明的的掺铒光子晶体光纤的制备过程中A有源纤芯和第一包层和第二包层均为先熔缩石英管，然后再放入掺杂溶液中浸泡，由于石英管内径和外径都先通过熔缩缩小，进而节省了昂贵的稀土掺杂溶液。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源的结构图；
图2为本发明高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源采用的掺铒光子晶体光纤端面图；
图3为本发明高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源第一光路走向示意图；
图4为本发明高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源第二光路走向示意图；
图5为本发明高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源褪色效应光路走向示意图；
图6为本发明高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源原始输出光谱；
图7为本发明高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源第二光谱滤波器的滤波光谱；
图8为本发明高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源中第二光谱滤波器输出的平坦光谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，如图1所示，为一种高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，其特征在于，光纤光源为多泵浦双程后向结构，光纤光源包括980nm激光器1、665nm激光器2、第一波分复用器3、掺铒光子晶体光纤4、第二波分复用器5、第一光谱滤波器6、第二光谱滤波器7、光纤隔离器8；
980nm激光器1与第一波分复用器3的第一端31熔接，第二光谱滤波器7的入纤端与第一波分复用器3的第二端32熔接，第一波分复用器3的第三端31与掺铒馆子晶体光纤4的第一端41熔接，掺铒馆子晶体光纤4的第二端42与第二波分复用器5的第一端51熔接，第二波分复用器5的第二端52与第一光谱滤波器6的一端61熔接，第二波分复用器5的第三端53与665nm激光器2的一端熔接；
第二光谱滤波器7的出纤端与光纤隔离器8的入纤端熔接，光纤隔离器8的出纤端作为光输出端；
第一波分复用器3的第一端31和第二端32位于第一波分复用器3的同一侧，第一波分复用器3的第三端33与第一波分复用器3的第一端31分别位于第一波分复用器3的两侧；
第二波分复用器5的第二端52和第三端53位于第二波分复用器5的同一侧，第二波分复用器5的第一端51与第二波分复用器5的第二端52分别位于第二波分复用器5的两侧；
采用掺铒光子晶体光纤4作为增益介质，光纤光源具有第一光路走向、第二光路走向和褪色效应光路走向，褪色效应光路走向是第一光路走向和第二光路走向的综合。
如图2所示，掺铒光子晶体光纤的截面由内至外依次包括A有源纤芯41、第一包层42、第二包层43、涂覆层44；第一包层42围绕A有源纤芯41四周按照六角形均匀分布有空气孔421；
空气孔421用于调制第一包层42的折射率，使光沿A有源纤芯41传输；第二包层43中不设有空气孔，是为了保护第一包层42中折射率调制的稳定性
涂覆层44的材质为聚四氟乙烯，A有源纤芯41材质为掺杂金属离子和铒离子的二氧化硅，第一包层42和第二包层43的材质为掺杂有铈离子的二氧化硅；
掺铒光子晶体光纤的A有源纤芯41与第一包层42和第二包层43形成的芯包层为0.5～1.0mm:5～10mm，A有源纤芯41的直径为5μm～8μm。
A有源纤芯41和其与芯包层的比例可以根据实际的所需要得到的抗辐照效果以及发出的褪色光光谱而进行选择。
A有源纤芯41材质中二氧化硅掺杂的金属离子为铝离子、铈离子、磷离子中的一种。
掺铒光子晶体光纤的制备方法包括以下步骤：
1）采用外径为15mm-20mm、内径为10mm-13mm、壁厚为1mm-2mm的石英管，在1300℃-1500℃下将清洗过的纯二氧化硅玻璃衬管的内壁沉积8层-10层的二氧化硅，然后采用石墨炉于80℃-100℃下对石英管进行熔缩；
2）对步骤1）得到的石英管于40℃-50℃下沉积二氧化硅芯层，然后将其放入至含有浓度为4M～5M的铒离子和浓度为2M～3M金属离子的共掺杂离子溶液中浸泡1h-2h；
3）将步骤2）得到的石英管于80℃-100℃下烘干，去除衬管并拉丝制得用于形成A有源纤芯41的第一玻璃丝；
4）另取2根石英管，重复步骤1），然后将得到的石英管放入至含有浓度为3M-6M的铈离子的掺杂离子溶液中浸泡1h-2h；
5）将步骤4）得到的1根石英管于50℃-60℃下烘干，去除衬管并拉丝制得用于形成第一包层42的第二玻璃丝，将步骤4得到的第2根石英管于80℃-100℃下烘干，去除衬管并拉丝制得用于第二包层43的第三玻璃丝；
6）将步骤3）形成的第一玻璃丝与步骤5形成的第二玻璃丝和第三玻璃丝由内之外依次捆扎，成玻璃丝束，使得用于形成A有源纤芯41的第一玻璃丝处于中心，将获得的玻璃丝束与内套管、外套管同心嵌套，于2000℃-2200℃下熔缩，然后冷却后涂覆一层聚四氟乙烯层，于30℃-35℃下烘干形成实心的掺铒光子晶体光纤。
掺铒光纤中，为了增加掺铒光纤中铒离子的溶解度，避免铒离子团簇效应需要共掺一定浓度的铝离子、磷离子、铈离子，而这种掺杂极大地增强了掺铒光纤的辐照敏感性，本发明的掺铒光子晶体光纤4中仅掺杂很低浓度的铝,在一定程度上抑制了其辐照敏感性；另外，为了提高掺铒光子晶体光纤4的抗辐照能力，纤芯中掺杂少量可变价不着色阳离子铈离子，因此本发明的掺铒光子晶体光纤4自身具有一定的抗辐射能力。
制作步骤中的各参数可以根据实际所要达到的抗辐照效果以及掺饵光子晶体光纤所要达到的优化输出光谱的性能而进行实际选择。
辐照引起的光纤损耗是由于色心的产生，掺铒光子晶体光纤4是特制的实心掺铒光纤，具有小于500nm的截止波长，能把泵浦光和由于铒离子泵浦能态的激发态吸收效应产生的短波段超荧光限制在纤芯中，增强自身光褪色效应。
如图3所示，本发明提供的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源第一光路走向为：980nm激光器1输出的980nm激光101经第一波分复用器3后，由掺铒光子晶体光纤4的第一端41进入掺铒光子晶体光纤4中；
掺铒光子晶体光纤4对980nm激光101进行放大自发辐射，生成前向光102和后向光104；前向光102经第二波分复用器5后，由第一光谱滤波器6的一段61进入第一光谱滤波器6中；
第一光谱滤波器6对前向光102进行反射，成为反射光103；
反射光103再次折返进入第二波分复用器5后，由掺铒光子晶体光纤4的第二端42进入掺铒光子晶体光纤4中；
掺铒光子晶体光纤4对反射光103进行光放大，生成放大光105；后向光104与放大光105在掺铒光子晶体光纤4中生成混合光106；混合光106经第一波分复用器3的第二端32输出至第二光谱滤波器7中。
如图4所示，本发明提供的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源的第二光路走向为：665nm激光器2输出的665nm激光201经第二波分复用器5后，由掺铒光子晶体光纤4的第二端42进入掺铒光子晶体光纤4中；
掺铒光子晶体光纤4对665nm激光201进行放大自发辐射，生成前向光202和后向光204；后向光204经第二波分复用器5后，由第一光谱滤波器6的一端进入第一光谱滤波器6中；
第一光谱滤波器6对后向光204进行反射，成为反射光203；反射光203经第二波分复用器5后，由掺铒光子晶体光纤4的第二端42进入掺铒光子晶体光纤4中；
掺铒光子晶体光纤4对反射光203进行光放大，生成放大光205；前向光202与放大光205在掺铒光子晶体光纤4中生成混合光206；混合光206经第一波分复用器3的第二端32输出至第二光谱滤波器7中。
如图5所示，本发明提供的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源的褪色效应光路走向为：在掺铒光子晶体光纤4中，一方面接收980nm激光器1输出的980nm激光101、前向光102、经第一光谱滤波器6反射的反射光103、665nm激光器2输出的665nm激光201、后向光204经第一光谱滤波器6反射的反射光203；
另一方面输出反射光103放大后的放大光105、后向光104、反射光203放大后的放大光205、前向光202；
掺铒光子晶体光纤4被980nm激光101，665nm激光201泵浦，掺铒光子晶体光纤4中的铒离子产生前向光102、前向光202、和后向光104、后向光204的同时，由于其泵浦能态的激发态吸收效应也称为泵浦能态上转换效应，会在前后两个方向上产生545nm的绿色超荧光901。
本发明提供的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源在掺铒光纤器件抗辐射技术中，光褪色抗辐照技术具有方法简单、适用性强、褪色效率高的独特优点，因此对于空间应用而言，是一种具有广阔发展潜力的抗辐照方法。本发明利用主动抗辐射技术实现掺铒光纤光源在辐射环境中的稳定输出，保证输出的自发辐射超荧光具有很高的平均波长和输出功率稳定性。
当掺铒光纤被980nm光泵浦时，可以观察到它不断地向外辐照绿色荧光，这是由铒离子泵浦能态的激发态吸收效应也称为泵浦能态上转换效应产生的。泵浦吸收发生在泵浦能态和一个非常短暂的能态之间，通过一个辐射可见和红外光的中间能态无辐射地自发跃迁回泵浦态。在545nm可见绿光附近，能态辐射最强寿命约为0.7。受一般掺铒光纤截止波长的限制，大部分光功率不能集中在纤芯中，会通过光纤包层溢出，但这部分波长的光却具有很高的光褪色效率。
考虑到光子晶体光纤的无限单模传输特性，通过仿真优化制作具有适当截止波长的掺铒光子晶体光纤，使各种波段的泵浦激光和铒离子泵浦能态上转换效应所产生的绿光波长大于光子晶体光纤的截止波长，这部分光在光纤纤芯中仅能以基模的形式传播，能量集中，这样就将光功率限制在光纤纤芯中，增强掺铒光纤褪色效应。
另外经研究，665nm有源区短波长的光具有很高的光褪色效率，该抗辐射掺铒光纤光源利用980nm激光器1和665nm激光器2两个泵浦激光器作为泵浦光源，它们即是泵浦激光器，又是褪色用激光器，泵浦功率均可调。当外界环境辐照条件辐照总剂量，辐照剂量率一定时，通过控制980nm激光器1、665nm激光器2的泵浦或褪色光功率，两个激光器共同作用，使光源具有与辐照环境相匹配的光褪色效率。
这样便大大提高了输出光谱的辐照稳定性，最终形成具有稳定平均波长和输出功率的抗辐射掺铒光纤光源。
泵浦吸收发生在泵浦能态和一个非常短暂的能态之间，通过一个辐射可见和红外光的中间能态无辐射地自发跃迁回泵浦态；在545nm可见绿光附近，能态辐射最强寿命约为0.7。这种545nm的绿色超荧光901具有很高的褪色效率。由于掺铒光子晶体光纤4具有较低的截止波长，这种545nm绿色超荧光901协同980nm激光101， 665nm激光201共同参与掺铒光子晶体光纤4中色心的褪色作用，达到很好的光褪色效果。
掺铒光子晶体光纤4的A有源纤芯41的制备过程中，通过共掺一定浓度的铝离子、磷离子、铈离子，可以增加掺铒光纤中铒离子的溶解度和优化输出光谱特性，这种掺杂极大地增强了掺铒光纤的辐照敏感性。在伽玛射线辐照下，这种掺杂缺陷会吸收高能粒子电离出的电子和空穴形成色心，从而造成光纤光源光功率和光谱特性的下降。光褪色效应是指辐照条件下形成的色心在一定波长和功率的光的作用下色心逐渐消退的过程。
褪色效应光路走向是第一光路走向和第二光路走向的综合，其中第二光路走向中665nm激光具有很高的光煺色效率，该抗辐照掺铒光子晶体光纤光源的光褪色效应主要发生在掺铒光子晶体光纤4中。
当外界环境辐照条件辐照总剂量，辐照剂量率一定时，通过控制980nm激光器1、665nm激光器2的泵浦或褪色光功率，两个激光器共同作用，使光源具有与辐照环境相匹配的光褪色效率。
在本发明中，本发明高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源原始输出光谱如图6所示，980nm激光器1用于输出980nm的激光101，该980nm激光101一方面泵浦铒离子产生前向光102和后向光104，另一方面对掺铒光子晶体光纤4辐照环境下产生的色心进行光褪色。665nm激光器2用于输出665nm的激光201，该665nm激光201一方面泵浦铒离子产生前向光202和后向光204，另一方面对掺铒光子晶体光纤4辐照环境下产生的色心进行光褪色。第一波分复用器3一方面把980nm激光101耦合进掺铒光子晶体光纤4；另一方面把掺铒光子晶体光纤4所产生的ASEamplified spontaneous emission 放大的自发辐射后向光104，放大光105，前向光202，放大光205传输给第二光谱滤波器7。第二波分复用器5将665nm激光器2产生的665nm激光201，反射光103、反射光203传输给掺铒光子晶体光纤4。另一方面，将前向光102、后向光204传输给第一光谱滤波器6。第一光谱滤波器6反射掺铒光子晶体光纤4产生的前向光102、后向光204，第一光谱滤波器6起调节光谱作用，同时增强光源输出光功率，提高泵浦效率。第二光谱滤波器7增益平坦滤波作用，使铒源输出光谱宽度达40nm以上，光源输出的超荧光具有较低的相对强度噪声。
在本发明中，第二光谱滤波器7选用ADF公司GFF002-BH滤波器。
第二光谱滤波器7的滤波谱和滤波后得到的输出光谱如图7和图8。光纤隔离器8保证稳定的信号光单向传输的同时消除反馈光对光源系统的影响，降低掺铒光纤的放大噪声，输出稳定的宽谱光。
在本发明中，各个光学器件均采用尾纤熔接方式连接。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (9)
1.高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，其特征在于，所述光纤光源为多泵浦双程后向结构，所述光纤光源包括980nm激光器（1）、665nm激光器（2）、第一波分复用器（3）、掺铒光子晶体光纤（4）、第二波分复用器（5）、第一光谱滤波器（6）、第二光谱滤波器（7）、光纤隔离器（8）；所述980nm激光器（1）和所述665nm激光器（2）两个泵浦激光器作为泵浦光源，它们既是泵浦激光器，又是褪色用激光器，泵浦功率均可调；
采用所述掺铒光子晶体光纤（4）作为增益介质，所述光纤光源具有第一光路走向、第二光路走向和褪色效应光路走向，褪色效应光路走向是第一光路走向和第二光路走向的综合；
所述掺铒光子晶体光纤的制备方法包括以下步骤：
1）采用外径为15mm-20mm、内径为10mm-13mm、壁厚为1mm-2mm的石英管，在1300℃-1500℃下将清洗过的纯二氧化硅玻璃衬管的内壁沉积8层-10层的二氧化硅，然后采用石墨炉于80℃-100℃下对石英管进行熔缩；
2）对所述步骤1）得到的石英管于40℃-50℃下沉积二氧化硅芯层，然后将其放入至含有铒离子和金属离子的共掺杂离子溶液中浸泡1h-2h；
3）将步骤2）得到的石英管于80℃-100℃下烘干，去除衬管并拉丝制得用于形成所述A有源纤芯（41）的第一玻璃丝；
4）另取2根石英管，重复步骤1），然后将得到的石英管放入至含有铈离子的掺杂离子溶液中浸泡1h-2h；
5）将步骤4）得到的1根石英管于50℃-60℃下烘干，去除衬管并拉丝制得用于形成所述第一包层（42）的第二玻璃丝，将步骤4）得到的第2根石英管于80℃-100℃下烘干，去除衬管并拉丝制得用于第二包层（43）的第三玻璃丝；
6）将所述步骤3）形成的第一玻璃丝与所述步骤5）形成的第二玻璃丝和第三玻璃丝由内之外依次捆扎，成玻璃丝束，使得所述用于形成所述A有源纤芯（41）的第一玻璃丝处于中心，将获得的玻璃丝束与内套管、外套管同心嵌套，于2000℃-2200℃下熔缩，然后冷却后涂覆一层聚四氟乙烯层，于30℃-35℃下烘干形成实心的所述掺铒光子晶体光纤。
2.根据权利要求1所述的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，其特征在于，所述980nm激光器（1）与第一波分复用器（3）的第一端（31）熔接，所述第二光谱滤波器（7）的入纤端与第一波分复用器（3）的第二端（32）熔接，第一波分复用器（3）的第三端（31）与掺铒馆子晶体光纤（4）的第一端（41）熔接，掺铒馆子晶体光纤（4）的第二端（42）与第二波分复用器（5）的第一端（51）熔接，第二波分复用器（5）的第二端（52）与第一光谱滤波器（6）的一端（61）熔接，第二波分复用器（5）的第三端（53）与所述665nm激光器（2）的一端熔接；
所述第二光谱滤波器（7）的出纤端与所述光纤隔离器（8）的入纤端熔接，所述光纤隔离器（8）的出纤端作为光输出端；
所述第一波分复用器（3）的第一端（31）和第二端（32）位于所述第一波分复用器（3）的同一侧，所述第一波分复用器（3）的第三端（33）与所述第一波分复用器（3）的第一端（31）分别位于所述第一波分复用器（3）的两侧；
所述第二波分复用器（5）的第二端（52）和第三端（53）位于所述第二波分复用器（5）的同一侧，所述第二波分复用器（5）的第一端（51）与所述第二波分复用器（5）的第二端（52）分别位于所述第二波分复用器（5）的两侧。
3.根据权利要求1所述的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，其特征在于，所述掺铒光子晶体光纤的截面由内至外依次包括A有源纤芯（41）、第一包层（42）、第二包层（43）、涂覆层（44）；所述第一包层（42）围绕所述A有源纤芯（41）四周按照六角形均匀分布有空气孔（421）；
所述涂覆层（44）的材质为聚四氟乙烯，所述A有源纤芯（41）材质为掺杂金属离子和铒离子的二氧化硅，所述第一包层（42）和第二包层（43）的材质为掺杂有铈离子的二氧化硅；
所述掺铒光子晶体光纤的A有源纤芯（41）与所述第一包层（42）和第二包层（43）形成的芯包层为0.5～1.0mm:5～10mm，所述A有源纤芯（41）的直径为5μm～8μm。
4.根据权利要求3所述的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，其特征在于，所述A有源纤芯（41）材质中二氧化硅掺杂的金属离子为铝离子、铈离子、磷离子中的一种。
5.根据权利要求1所述的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，其特征在于，所述步骤2）中的共掺杂离子溶液中的铒离子浓度为4M～5M，金属离子浓度为2M～3M。
6.根据权利要求1所述的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，其特征在于，所述步骤4）的掺杂离子溶液中铈离子的浓度为3M-6M。
7.根据权利要求1所述的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，其特征在于，所述第一光路走向为：所述980nm激光器（1）输出的980nm激光（101）经所述第一波分复用器（3）后，由掺铒光子晶体光纤（4）的第一端（41）进入所述掺铒光子晶体光纤（4）中；
所述掺铒光子晶体光纤（4）对980nm激光（101）进行放大自发辐射，生成前向光（102）和后向光（104）；所述前向光（102）经所述第二波分复用器（5）后，由第一光谱滤波器（6）的一段（61）进入所述第一光谱滤波器（6）中；
所述第一光谱滤波器（6）对所述前向光（102）进行反射，成为反射光（103）；
所述反射光（103）再次折返进入所述第二波分复用器（5）后，由所述掺铒光子晶体光纤（4）的第二端（42）进入所述掺铒光子晶体光纤（4）中；
所述掺铒光子晶体光纤（4）对所述反射光（103）进行光放大，生成放大光（105）；所述后向光（104）与所述放大光（105）在所述掺铒光子晶体光纤（4）中生成混合光（106）；所述混合光（106）经第一波分复用器（3）的第二端（32）输出至所述第二光谱滤波器（7）中。
8.根据权利要求7所述的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，其特征在于，所述第二光路走向为：所述665nm激光器（2）输出的665nm激光（201）经所述第二波分复用器（5）后，由所述掺铒光子晶体光纤（4）的第二端（42）进入所述掺铒光子晶体光纤（4）中；
所述掺铒光子晶体光纤（4）对所述665nm激光（201）进行放大自发辐射，生成前向光（202）和后向光（204）；所述后向光（204）经所述第二波分复用器（5）后，由所述第一光谱滤波器（6）的一端进入所述第一光谱滤波器（6）中；
所述第一光谱滤波器（6）对所述后向光（204）进行反射，成为反射光（203）；所述反射光（203）经所述第二波分复用器（5）后，由所述掺铒光子晶体光纤（4）的第二端（42）进入所述掺铒光子晶体光纤（4）中；
所述掺铒光子晶体光纤（4）对所述反射光（203）进行光放大，生成放大光（205）；所述前向光（202）与所述放大光（205）在掺铒光子晶体光纤（4）中生成混合光（206）；所述混合光（206）经所述第一波分复用器（3）的第二端（32）输出至所述第二光谱滤波器（7）中。
9.根据权利要求8所述的高精度光纤陀螺用抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，其特征在于，所述褪色效应光路走向为：在所述掺铒光子晶体光纤（4）中，一方面接收所述980nm激光器（1）输出的980nm激光（101）、前向光（102）、经所述第一光谱滤波器（6）反射的反射光（103）、所述665nm激光器（2）输出的665nm激光（201）、后向光（204）经所述第一光谱滤波器（6）反射的反射光（203）；
另一方面输出反射光（103）放大后的放大光（105）、后向光（104）、反射光（203）放大后的放大光（205）、前向光（202）；
所述掺铒光子晶体光纤（4）被980nm激光（101），665nm激光（201）泵浦，掺铒光子晶体光纤（4）中的铒离子产生前向光（102）、前向光（202）、和后向光（104）、后向光（204）的同时，由于其泵浦能态的激发态吸收效应，会在前后两个方向上产生545nm的绿色超荧光（901）。
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| CN201132815Y (zh) * | 2007-11-09 | 2008-10-15 | 长飞光纤光缆有限公司 | 用于光纤预制棒制造的熔缩炉装置 |
| CN102751648A (zh) * | 2012-06-25 | 2012-10-24 | 北京航空航天大学 | 一种基于光褪色的抗辐射宽谱光纤光源 |
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