CN116859503A - 一种抗辐照光纤及其制备方法 - Google Patents

一种抗辐照光纤及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗辐射光纤及其制备方法，在光纤中掺杂重金属离子形成一层或多层抗辐射掺杂层，其中重金属离子掺杂于光纤的纤芯中、外包层中或涂覆层中。光纤内部通过原子层沉积技术、外层沉积技术或等离子外部气相沉积技术掺杂重金属离子形成抗辐射掺杂层，光纤外包层中利用套管法、SOOT法、等离子喷涂法或溶胶‑凝胶法掺杂重金属离子形成抗辐射掺杂层，掺杂的重金属离子为铅、铈、铋中的一种或几种。利用这些重金属离子具有较大的康普顿效应截面和丰富的价态的特点，能够更大程度的吸收和消耗γ射线，进而减少有源活性离子因为辐照而导致的发光劣化，借此降低有源光纤的辐照敏感性，提高了光纤的耐辐照性能。

Description

一种抗辐照光纤及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种抗辐照光纤及其制备方法，属于特种光纤技术领域。
背景技术：
近年来随着光纤技术的发展，有源光纤作为光纤放大器和光纤激光器中的关键器件，在海底及长距离光纤通信领域、医疗、工业和国防等领域中获得了广泛地应用。与传统的有源器件相比，具有可靠性好、损耗低、光束质量高、体积小、质量轻和抗电磁干扰等优势，特别适合作为空间通信、地球观测及深空探测系统中进行数据采集和传输控制的理想器件。然而，在太空环境中存在大量辐射源，例如γ射线、电子、中子等高能粒子束辐照，太空中长时间的空间辐照环境会对光学器件造成的损耗急剧增加，造成光学器件的性能降低或者失效。近些年，辐照对光纤性能的影响得到广泛的研究，一般认为导致光纤性能下降的主要原因是，高能辐照使得光纤材料中产生了自由电子对和空穴对，被光纤本身的初始原子缺陷俘获而形成了色心。辐照导致有源活性离子价态和能级结构发生明显变化，产生了新的吸收或荧光带，严重影响了有源光纤的传输和发光特性。因此，需提供一种抗辐照性能更好且光纤损耗低的光纤。
2016年，中国专利201610014925.0，提出了一种低损耗抗辐照的光子晶体光纤，该发明通过空气孔的优化设计形成了由空气孔组成的四层环圈结构均呈正六边形排列、纯硅纤芯及深掺氟下凹内包层的设计使得光子晶体光纤在实现双折射的同时具备良好的低损耗和抗辐照性能。但是此种光纤制作工艺非常复杂，很难实现工业化。2020年，中国专利202010317704.7，提出了一种空间用耐辐照掺铒光纤，该发明在掺铒光纤纤芯中引入Ce、F，降低掺铒光纤在高能辐照条件下色心的产生，在光纤纤芯和包层中间过渡层中掺杂P、Ge、F可以作为辐照屏蔽层，并在耐辐照掺铒光纤包层中引入羟基化碳纳米管层，起到辐射屏蔽的作用，从而大大提高掺铒光纤的耐辐照性能，但是光纤中环绕芯棒的凹槽以及在凹槽内碳纳米管层的羟基化等的制作工艺都是相当复杂的，该方法的广泛应用会受到一定的限制。2021年，中国专利202110328471.5，提出了抗γ射线辐照暗化的锗酸盐玻璃及其制备方法与应用，通过在锗酸盐玻璃掺杂合适的可变价离子，包括铌离子、铈离子或锑离子，显著减少γ射线辐照玻璃诱导的玻璃结构缺陷，从而降低了锗酸盐玻璃的光吸收损耗。目前提高光纤耐辐照特性的方法主要是改变光纤结构和在纤芯中掺杂铌离子、铈离子或锑离子，但这些掺杂离子的康普顿效应截面较小和价态不够丰富，吸收伽马辐照的能力较弱，对长时间高剂量的抗辐照能力较弱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：本发明的首要目的在于解决在辐照条件下光纤性能下降甚至失效的问题，同时满足太空恶劣环境下抗辐照光纤放大器和抗辐照光纤激光器的应用。
本发明的技术方案：
一种抗辐射光纤，其特征在于：在光纤中掺杂重金属离子形成抗辐射掺杂层，其中重金属离子掺杂于光纤的纤芯中、外包层中或涂覆层中。
所述重金属离子为铈、铋、铅单掺杂或它们之间共掺杂，重金属离子的掺杂浓度在0.5-15.0wt％。
光纤为无源光纤或有源光纤，对于无源光纤，重金属离子掺杂于涂覆层；对于有源光纤，在纤芯、外包层和涂覆层中均有重金属离子掺杂。
有源光纤包括单包层光纤、多包层光纤和反谐振空心光纤或高阶涡旋有源光纤；无源光纤包括单包层光纤、多包层光纤、反谐振空心光纤，光子晶体光纤、晶体衍生光纤、少模光纤、多模光纤、传能光纤或高阶涡旋无源光纤。
所述有源光纤的掺杂材料活性离子为铽、铈、镱、钕、铋、铅、铒、钬、铥、镨单掺杂或它们之间共掺杂，有源活性离子的掺杂浓度在0.5-15.0wt％，覆盖的波段为紫外及近紫外波段，可见光及近红外波段，近红外及中红外波段。
光纤芯层直径为3-300μm，内包层直径为30-800μm，包层直径为60-2000μm，涂覆层厚度为50-1000μm。
所述光纤在300～3000Gy辐照剂量下，作为增益介质应用于紫外、近红外以及200nm-20.0μm中红外波段的抗辐照光纤放大器或抗辐照光纤激光器中。
一种抗辐照光纤的制备方法，在光纤的纤芯和外包层中掺杂重金属离子形成抗辐射掺杂层，光纤纤芯中通过原子层沉积技术、外层沉积技术或等离子外部气相沉积技术掺杂重金属离子形成抗辐射掺杂层，光纤外包层中利用套管法、SOOT法、等离子喷涂法或溶胶-凝胶法掺杂重金属离子形成抗辐射掺杂层。
具体步骤包括：
第一步，采用改进的化学气相沉积即MCVD技术在石英玻璃管中沉积一定厚度的SiO2疏松层；
第二步，使用原子层沉积即ALD技术将有源活性离子、共掺杂剂及重金属离子通入到玻璃管中，让它们与去离子水发生反应，获得相应的氧化物，通过检测沉积的厚度来控制共掺离子的浓度；
第三步，使用MCVD技术在上述石英管中沉积出一定厚度的SiO2和GeO2，再将其高温烧制成石英预制棒；
第四步，使用ALD技术在石英预制棒表面沉积重金属离子，形成辐射阻挡层；
第五步，利用光纤拉丝塔将上述光纤预制棒拉制成光纤，在拉制成型后在外部涂覆上含有重金属离子的涂覆层材料，获得抗辐照光纤。
所述重金属离子为铅、铈、铋中的一种或几种。
与现有的抗辐照光纤相比，本发明具有以下有优点和有益效果：
(1)本发明所述的抗辐照有源光纤在纤芯、外包层或涂覆层中掺杂重金属离子，重金属离子可以为铈、铋、铅单掺杂或它们之间共掺杂，这些重金属离子有更加丰富的价态，利用这些价态变化较多的原子序数较大的离子更大的康普顿效应截面的特点，能够更多的与γ射线相互作用，可以为纤芯中掺杂的有源活性离子提供一个辐照“缓冲”的作用，从而减少有源活性离子因为辐照而产生的价态变化，并借此降低有源光纤的辐照敏感性，极大地提高了光纤的耐辐照性能；本发明提出的在光纤纤芯中掺杂铋离子，铋离子具有较大的康普顿效应截面和丰富的价态，吸收伽马辐照的能力较强，会有更强的抗辐照能力。
(2)本发明所述的抗辐照有源光纤的结构、尺寸以及基质材料都与目前的传统光纤相当，因此避免了背景技术中所述的提高光纤所用的复杂而精致的工艺带来的相应问题。
附图说明
图1是本发明的抗辐照有源光纤的截面图；
其中：(1)外包层重金属离子掺杂区、(2)光纤纤芯、(3)内包层(4)涂覆层(5)纤芯重金属离子掺杂区(6)涂覆层重金属离子掺杂区。
图2是本发明的抗辐照无源光子晶体光纤的截面图；
其中：(1)涂覆层重金属离子掺杂区。
图3是本发明的实施例二中0μm和5.0μm厚度的掺杂抗辐照铋离子涂覆层的两种光纤经过1500Gy辐照前后的吸收光谱。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
所述有源光纤包括单包层光纤、多包层光纤和反谐振空心光纤，及高阶涡旋有源光纤(如1-6阶涡旋有源光纤)等；所述无源光纤包括单包层光纤、多包层光纤、反谐振空心光纤，光子晶体光纤、晶体衍生光纤、少模光纤、多模光纤、传能光纤，及高阶涡旋无源光纤(如1-6阶涡旋无源光纤)等。
所述有源光纤的掺杂材料活性离子可以为铽、铈、镱、钕、铋、铅、铒、钬、铥、镨单掺杂或它们之间共掺杂，有源活性离子的掺杂浓度在0.5-15.0wt％，覆盖的波段为紫外及近紫外波段(160-400nm)，可见光及近红外波段(380-2500nm)，近红外及中红外波段(2000-10000nm)。
所述纤芯、外包层或涂覆层有重金属离子掺杂区，其特征在于，所述重金属离子可以为铈、铋、铅单掺杂或它们之间共掺杂，重金属离子的掺杂浓度在0.5-15.0wt％。
所述纤芯和外包层有重金属离子掺杂区，其特征在于，所述纤芯中掺杂重金属离子的制备方法为原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)掺杂技术，外层沉积技术(Out Vapor Deposition,OVD)或等离子外部气相沉积技术(Plasma Chemical VaporDeposition,PCVD)，掺杂区的厚度为0.01-10.0μm；外包层中掺杂重金属离子的制备方法包括套管法，SOOT法，等离子喷涂法和溶胶-凝胶法。
一种抗辐照有源光纤的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，采用改进的化学气相沉积(MCVD)在石英玻璃管中沉积一定厚度的SiO2疏松层；
第二步，使用原子层沉积(ALD)技术将有源活性离子、共掺杂剂及重金属离子铋或铈通入到玻璃管中，让它们与去离子水发生反应，得到相应的氧化物，通过检测沉积的厚度来控制共掺离子的浓度；
第三步，使用MCVD技术在上述石英管中沉积出一定厚度的SiO2和GeO2，再将其高温烧制成石英预制棒；
第四步，使用原子层沉积(ALD)技术在石英预制棒表面沉积具有辐射吸收和阻挡能力的重金属离子铅或铋；
第五步，利用光纤拉丝塔将上述光纤预制棒拉制成光纤，在拉制过程中，在外部涂覆上含有重金属铅离子或铋离子涂覆层材料，获得抗辐照有源或无源光纤。
所述的一种抗辐照有源光纤，其特征在于，光纤芯层直径为3-300μm，内包层直径为30-800μm，包层直径为60-2000μm，涂覆层厚度为50-1000μm。
所述的一种抗辐照有源光纤，其特征在于，所述光纤在300～300Gy辐照剂量下，可作为增益介质用于紫外、以及中红外波段(200nm-20.0μm)的抗辐照光纤放大器或抗辐照光纤激光器中。
一种抗辐照有源光纤，如图所示，由内向外依次包括：光纤纤芯、内包层和涂覆层，所述纤芯的直径为9.0μm，内包层的直径为125.0μm和涂覆层的厚度为；其中纤芯中掺杂不同浓度的重金属铋离子，通过ALD掺杂技术掺杂，掺杂区的厚度为0.5μm，掺杂不同浓度的有源活性离子铒离子，发光波段为1000～1600nm。
上述光纤按如下步骤制备：
第一步，采用改进的化学气相沉积(MCVD)在石英玻璃管中沉积一定厚度的SiO2疏松层；
第二步，使用原子层沉积(ALD)技术将有源活性铒离子、共掺杂剂及抗辐照重金属铋离子通入到玻璃管中，让它们与去离子水发生反应，得到相应的氧化物，通过检测沉积的厚度来控制共掺离子的浓度；
第三步，使用MCVD技术在上述石英管中沉积出一定厚度的SiO2和GeO2，再将其高温烧制成石英预制棒；
第四步，利用光纤拉丝塔将上述光棒拉制成光纤，拉制完成后，在外部涂上一层涂覆层，得到抗辐照有源光纤。
测试制得的六种不同掺杂浓度的光纤在1500Gy辐照后，在1200nm处的损耗，如下表所示：
由结果可以看出，当1号光纤中未掺杂重金属Bi离子时，掺铒光纤经过1500Gy辐照后光纤的背景损耗很大为4.78dB/m。2号光纤中掺杂重金属Bi离子，相对于1号光纤，经过相同剂量辐照之后2号光纤中产生的损耗低了1.13dB/m。同时我们发现光纤中掺杂不同浓度的Er和Bi时，光纤的抗辐照效果也有不同。当Er和Bi质量占比为2:1时，光纤的抗辐照效果最好。
可将该种抗辐照有源光纤作为增益介质用于辐照环境下的光纤激光器和放大器，可以使其稳定和长寿命的工作。
实施例二：
一种抗辐照有源光纤，如图所示，由内向外依次包括：光纤纤芯、内包层和涂覆层，所述纤芯的直径为9.0μm，内包层的直径为125.0μm和涂覆层的厚度为；其中纤芯中的重金属离子为铋离子，通过ALD掺杂技术掺杂，掺杂区的厚度为0.5μm级；涂覆层中的重金属离子为铋离子，纤芯内掺杂的有源活性离子为铒离子，铒离子掺杂浓度为0.5wt％，发光波段为1000-1600nm。
上述光纤按如下步骤制备：
第一步，采用改进的化学气相沉积(MCVD)在石英玻璃管中沉积一定厚度的SiO2疏松层；
第二步，使用原子层沉积(ALD)技术将有源活性铒离子和共掺杂剂通入到玻璃管中，让它们与去离子水发生反应，得到相应的氧化物，通过检测沉积的厚度来控制共掺离子的浓度；
第三步，使用MCVD技术在上述石英管中沉积出一定厚度的SiO2和GeO2，再将其高温烧制成石英预制棒；
第四步，利用光纤拉丝塔将上述光棒拉制成光纤，拉制完成后，在外部涂上一层含重金属离子铋离子的涂覆层，得到抗辐照有源光纤。
测试制得的六种掺杂重金属铋离子的不同涂覆层厚度的光纤在1500Gy辐照后，在1200nm处的损耗，如下表所示：
由结果可以看出，当1号光纤涂覆层中未掺杂重金属Bi离子时，掺铒光纤经过1500Gy辐照后光纤的背景损耗很大为4.78dB/m。2号光纤涂覆层中掺杂重金属Bi离子，相对于1号光纤，经过相同剂量辐照之后2号光纤中产生的损耗低了1.26dB/m。同时我们发现光纤涂覆层中掺杂不同厚度的Bi离子时，光纤的抗辐照效果也有不同，随着涂覆层厚度的增加，辐照后光纤中产生的损耗呈现先减少后增加的变化趋势，在涂覆层厚度为5.0μm时，光纤抗辐照效果最好。当涂覆层厚度大于5.0μm时，涂覆层中的Bi离子与射线反应所产生的二次粒子不断增多，产生的二次粒子从涂覆层飞入纤芯中，导致纤芯中受到二次粒子的影响上升，从而降低了光纤的抗辐照效果。
可将该种抗辐照有源光纤作为增益介质用于辐照环境下的光纤激光器和放大器，可以使其稳定和长寿命的工作。

Claims (10)

1.一种抗辐射光纤，其特征在于：在光纤中掺杂重金属离子形成一层或多层抗辐射掺杂层，其中重金属离子掺杂于光纤的纤芯中、外包层中或涂覆层中。
2.根据权利要求1所述抗辐射光纤，其特征在于：所述重金属离子为铈、铋、铅单掺杂或它们之间共掺杂，重金属离子的掺杂浓度在0.5-15.0wt％。
3.根据权利要求2所述抗辐射光纤，其特征在于：光纤为无源光纤或有源光纤，对于无源光纤，重金属离子掺杂于涂覆层；对于有源光纤，在纤芯、外包层和涂覆层中均有重金属离子掺杂。
4.根据权利要求3所述抗辐射光纤，其特征在于：有源光纤包括单包层有源光纤、多包层有源光纤、保偏有源光纤和反谐振空心有源光纤或高阶涡旋有源光纤等；无源光纤包括单包层光纤、多包层光纤、保偏光纤、反谐振空心光纤、光子晶体光纤、晶体衍生光纤、少模光纤、多模光纤、传能光纤或高阶涡旋无源光纤。
5.根据权利要求3所述抗辐射光纤，其特征在于：所述有源光纤的掺杂材料活性离子为铽、铈、镱、钕、铋、铅、铒、钬、铥、镨单掺杂或它们之间共掺杂，有源活性离子的掺杂浓度在0.5-15.0wt％，覆盖的波段为紫外及近紫外波段，可见光及近红外波段，近红外及中红外波段。
6.根据权利要求5所述抗辐射光纤，其特征在于：光纤芯层直径为3-300μm，内包层直径为30-800μm，外包层直径为60-2000μm，涂覆层厚度为50-1000μm，掺杂区的厚度为0.01-10.0μm。
7.根据权利要求6所述抗辐射光纤，其特征在于：所述光纤在300～10000Gy辐照剂量下，作为增益介质应用于紫外、近红外以及200nm-20.0μm中红外波段的抗辐照光纤放大器或抗辐照光纤激光器中。
8.一种抗辐照光纤的制备方法，其特征在于：在光纤的纤芯和外包层中掺杂重金属离子形成抗辐射掺杂层，光纤纤芯中通过原子层沉积技术、外层沉积技术或等离子外部气相沉积技术掺杂重金属离子形成抗辐射掺杂层，光纤外包层中利用套管法、SOOT法、等离子喷涂法或溶胶-凝胶法掺杂重金属离子形成抗辐射掺杂层。
9.根据权利要求8所述抗辐照光纤的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
第一步，采用改进的化学气相沉积即MCVD技术在石英玻璃管中沉积一定厚度的SiO2疏松层；
第二步，使用原子层沉积即ALD技术将有源活性离子、共掺杂剂及重金属离子通入到玻璃管中，让它们与去离子水发生反应，获得相应的氧化物，通过检测沉积的厚度来控制共掺离子的浓度；
第三步，使用MCVD技术在上述石英管中沉积出一定厚度的SiO2和GeO2，再将其高温烧制成石英预制棒；
第四步，使用ALD技术在石英预制棒表面沉积重金属离子，形成辐射阻挡层；
第五步，利用光纤拉丝塔将上述光纤预制棒拉制成光纤，在拉制成型后在外部涂覆上含有重金属离子的涂覆层材料，获得抗辐照光纤。
10.根据权利要求8所述抗辐照光纤的制备方法，其特征在于：所述重金属离子为铅、铈、铋中的一种或几种。
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