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实验所用的光纤预制棒及掺铒光纤均采用螯合物MCVD沉积法制备,纤芯直径3.5 µm,内包层直径 125 µm。光纤预制棒样品的厚度为 3 mm,选取三种掺铒光纤,其中高掺Ce掺铒光纤为,低掺Ce掺铒光纤为LCe,非掺Ce掺铒光纤为NCe,对应的预制棒切片编号为-g,LCe-g,NCe-g,样品名-ra代表辐照后的样品。为了阐明光纤中的各物质组分,利用电子探针对光纤的组分进行了表征。其中电子探针测试使用西安地质科技创新创新中心的JXA-8230设备,点扫描使用电流10 nA。表1 为三种光纤的电子探针测试结果。
Components HCe LCe NCe Al2O3 1.89 wt% 1.93 wt% 1.98 wt% SiO2 85.7 wt% 83.876 wt% 84.376 wt% GeO2 12.303 wt% 14.12 wt% 13.6 wt% Ce2O3 0.055 wt% 0.027 wt% 0 wt% Er2O3 0.052 wt% 0.047 wt% 0.044 wt% Table 1. Component table for electronic probe testing of three optical fibers
损耗吸收谱测试,使用光纤综合参数测试仪(Photonic Kenetics 2500),测试中选取辐照前后的适宜光纤长度,利用截断法实现对光纤损耗谱的测试,在光纤综合参数测试仪上实现对光纤吸收及损耗值的读取。光谱范围为90~1600 nm,步进为5 nm。
透过率测试,使用Jasco V5750 紫外-可见-红外透过率测试仪测试了200~850 nm波段的预制棒切片纤芯透过率,测试步进为1 nm。
荧光寿命测试,使用MDL-Ⅲ激光器产生980 nm连续光,通过调制器将光调制为脉冲光,对预制棒切片进行测试,使用光谱仪和示波器测试荧光的强度与时间的对应关系。脉冲光频率为10 Hz,占空比为0.05%。
电子顺磁共振波谱测试,使用BRUKER公司的ELEXSYS-II E500设备,测试中将预制棒切片芯层研磨成粉,装入测试样品用的顺磁管中,在100 K下对光纤的纤芯材料开展EPR测试。微波功率20 mW,磁场范围为3200~3600 Gauss。
增益性能测试示意图如图1所示,使用的信号光为1550 nm,功率为−20 dBm,泵浦光波长为980 nm,功率为100 mW。测试中使用的光纤长度为10 m。光纤长度从10 m开始裁剪,每次裁剪长度为0.5 m。
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利用甘肃兰州天辰辐照站的60Co辐照源对光纤及预制棒开展离线辐照试验,在辐照前、后分别对光纤的性能参数开展测试。根据空间辐射效应评估软件SEREAT预测,地球同步轨道,在10 mm铝球屏蔽下,空间辐射环境在硅中产生的剂量每年不大于10 krad[13],可以作为航天器内部辐照剂量的参考;辐射剂量率决定了单位时间辐射到光纤的能量,在相同总剂量条件下,辐照剂量率越低,色心缺陷越少,辐致增益衰减越小[14],随着剂量率的增大,对应的辐致缺陷数量对应增多[15]。文中主要研究Ce掺杂对辐照光纤内部缺陷的影响,选用较高的剂量率有助于光纤内部色心缺陷的产生与测试分析。因此,结合实际试验条件选取的辐照累积剂量为100 krad,剂量率为6.17 rad/s,辐照时间为4.5 h。
Effect of Ce doping on radiation resistance of erbium-doped fiber for space laser communication
doi: 10.3788/IRLA20220871
- Received Date: 2022-12-05
- Rev Recd Date: 2023-01-05
- Publish Date: 2023-03-25
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Key words:
- radiation effects /
- radiation-resistant reinforcement /
- erbium-doped fiber characterization tests /
- space laser communications
Abstract: