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γ射线对光纤波导的辐射效应分析

2015-02-26刘福华刘卫平谢红刚陈绍武武俊杰

现代应用物理 2015年3期
关键词:吸收剂量光波色散

刘福华,王 平,刘卫平,谢红刚,冯 刚,陈绍武,武俊杰

(西北核技术研究所,西安710024;激光与物质相互作用国家重点实验室,西安710024)

γ射线对光纤波导的辐射效应分析

刘福华,王 平,刘卫平,谢红刚,冯 刚,陈绍武,武俊杰

(西北核技术研究所,西安710024;激光与物质相互作用国家重点实验室,西安710024)

依据光纤波导中的电磁场传输基本理论,计算了光纤波导中的电磁场分布、约束系数及色散系数随折射率的变化关系,开展了γ射线对融石英材料及色散位移光纤的辐射实验。实验验证了理论计算结果,得到了折射率及色散系数随吸收剂量的变化关系。计算及实验结果均表明:1)光纤的折射率随吸收剂量的增加而增大,辐射效应使电子密度增大是折射率改变的主要因素。2)折射率的变化会引起传输模式的场强分布变化,从而导致光纤的辐射感生波导损耗;在吸收剂量0~2 000Gy内,光纤仍满足弱导边界条件,能够维持对传输模式的约束。3)光纤的色散系数随吸收剂量的增加而增大,在吸收剂量0~500Gy内,光纤色散增加量呈逐渐饱和趋势;暴露在核辐射环境中的长距离光纤,其快脉冲光波信号将产生展宽畸变。

γ辐射;光纤波导;折射率;电磁场分布;约束系数;色散系数

γ射线对普通融石英光纤的辐射作用以康普顿效应为主,其次还有光电效应、电子对效应和散射效应等[1-3]。康普顿效应会导致光纤产生感生损耗,使利用光纤作为传输、传感介质的系统性能随之恶化,因此,感生损耗是评价光纤核辐射效应的主要性能参数。

人们一直在探索研究光纤的辐射感生损耗。主要目的是利用这些研究成果,预估在核辐射环境下光纤系统的性能变化及使用寿命,并试图利用光纤辐射感生损耗的变化监测近地面核爆炸辐射、空间辐射以及反应堆等核设施的辐射[4-12]。然而,针对γ辐射引起光纤波导性能变化的研究则相对较少。

本文主要分析了光纤波导性能在γ射线辐射作用下的变化,计算了光纤波导中的电磁场分布、约束系数及色散系数随折射率的变化情况,开展了稳态γ射线对技术指标分别符合ITU-T(international telecommunication union telecommunication sector)G.652和G.655规范的融石英材料和色散位移光纤的辐照实验,分析了辐射效应的产生机制及其对光波信号传输的影响。目的是探索光纤波导中的电磁场分布,研究模式的约束系数和色散系数等主要性能参数随吸收剂量的变化关系,这对以波导耦合理论为基础的光纤器件,如分路器、波分复用器、环路器、光纤光栅等在核辐射环境中的应用,具有重要的参考价值,对快脉冲信号的长距离传输性能分析,也具有积极意义。

1 光纤中的电磁场基本理论

1.1 光纤中的电场分布

光纤传输中的光波电磁场矢量(E、D、B、H、J)随时间和空间的变化关系满足Maxwell方程组[13-19]:

结合光纤的边界条件,可以精确求解光纤中的电磁场分布。如果光纤的纤芯和包层均为各向同性、均匀的介质,且满足自由电荷密度σ=0、面电流密度矢量J=0、介电常数梯度Δε=0,则单色光波在纤芯和包层中的横向电场分别为

式中,Jm为第一类Bessel函数;J′m为Jm的导数;Km为第二类Bessel函数;K′m为Km的导数;A,B,C,D均为常数;a为纤芯半径;r为光纤横截面上径向尺寸变量其中,n1,n2分别为纤芯和包层的折射率;β,ω,k0分别为光波传输常数、角频率和真空中的波数;m为导波模式的阶数。由式(2)和式(3)可见,在光纤横向线径一定的情况下,光纤导波模电场分布随光纤的折射率分布而变化。

1.2 光纤对电磁波的约束系数

在光纤的横截面上,纤芯中的光功率占总功率的比例称为约束系数。它表示光纤对光波的约束能力,是由光纤的边界条件决定的。根据Poynting定理,对阶跃型折射率分布,光纤的约束系数可表示为[18]

对设定为均匀阶跃型折射率分布的光纤,折射率分布为

此时,约束系数可以简化为[16]

如果约束系数减小,说明光纤对波导模的约束能力降低,波导模所含光功率向包层泄漏,波导损耗相应增加。

当两种不同模场直径的光纤直接耦合时,纵向耦合损耗可表示为[16]

式中,D1,D2分别为两种单模光纤的模场直径。

1.3 光纤的色散

色散的大小取决于光纤的折射率分布,并与光纤的波长特性相关。光波信号沿光纤纵向传输单位长度产生的延迟时间称为群延时。群速度、群延时分别为[17]

对折射率分布为式(5)的单模光纤,其波长色散系数为

式中,λ为真空中的光波波长;k0为真空中波数,k0=2π/λ;c为真空中的光速。如果定义模式的有效折射率

则归一化传输常数为[17]

推导得到传输常数为

则波长色散系数为[17-19]

2 γ射线对光纤波导的辐射效应

2.1 γ射线对光纤折射率的影响

光纤的折射率由光纤中材料分子(原子)的极化率和体积决定,表征物质的折射率与分子(原子)极化率关系的洛伦兹-洛伦茨公式为[21]

分子(原子)折射度与物质折射率的关系为

式中,R为分子(原子)折射度;M为分子(原子)量;N为单位体积中的分子(原子)数;εr为物质的相对介电常数;ρ为物质的密度;α为分子的极化率;ε0为真空介电常数。

γ射线辐射光纤时,主要发生康普顿效应,康普顿电子数密度为[22-23]

式中,Edep为γ辐射光子在光纤中的平均沉积能量;Nγ为光纤吸收的γ辐射光子总数;Vo为受辐射的光纤体积。

当光纤受到γ辐射时,由于自由电子及极化电荷数密度随着辐射剂量的增加而增加,必然导致折射率的变化,光纤波导边界条件将改变,即ρ=0,J=0,Δε=0均不满足,此时,求解光纤中传输模式电磁场的解析解将非常困难。可以认为,γ辐射光纤时,康普顿效应对光纤波导的影响是对折射率的扰动。

2.2 电磁场性能随折射率的变化

利用Matlab程序计算当光纤受到γ辐射时,纤芯和包层折射率的微扰对电场幅值和约束系数的影响[24],计算结果分别如图1和图2所示。图1纵坐标为归一化电场强度,横坐标为r/a比值。图2纵坐标为约束系数,横坐标为折射率的变化量Δn。

从计算结果可知,光纤中的电场强度曲线随纤芯折射率的增大而收缩,随包层折射率的增大而扩散;约束系数在折射率负向变化时受纤芯影响较大,在折射率正向变化时受包层影响较大。

2.3 色散系数随折射率的变化

由上述的理论分析可知,引起光纤波导色散性能变化的关键参数是光纤的归一化频率V和折射率。计算光纤的色散变量项、约束系数、模式的归一化传输常数随V的变化,结果如图3所示。

计算结果表明:光纤的约束系数、模式的归一化传输常数随V的增大而增大,并趋于稳定。波导色散变量项在V为0.6~4.0范围内变化较大,曲线较陡;在V为1.1~1.2附近达到最大值;当V超过4.0后,随V值的继续增大而变化缓慢。材料色散变量项在V为0.6~2.0内变化较大,曲线较陡;随V值继续增大而变化缓慢;在V为2.95附近达到最大值。通过上述分析可以预测,核辐射导致普通光纤的纤芯和包层的折射率增大,光纤的V值相应变化,光纤的色散将发生变化。

光纤的材料色散和波导色散随光波信号波长的变化关系如图4所示。计算结果表明:随着信号波长的变化,材料色散系数相对变化较大,而波导色散在能够维持单模边界条件情况下,变化非常小。

3 实验结果

3.1 吸收剂量对光纤折射率的影响

实验测得辐照前后融石英材料折射率的改变量Δn随γ吸收剂量的变化,如图5所示。由图5可见,计算得到吸收剂量为2 000Gy时,光纤的归一化频率V<2.405,仍能满足单模工作边界条件。

3.2 光纤的模场测量

为了验证光纤折射率在发生改变的情况下对光波模式的约束能力,分别采用横向扫描法和CCD图像法对相同剂量辐照后单模光纤的模场分布及远场光强分布进行了测量,结果分别如图6和图7所示。

结果表明,吸收剂量为2 000Gy时,光纤波导中的光波仍是单模传输模式,但其模场直径较辐照前缩小了10%。根据式(7)计算可得,这一变化量将会导致光纤产生0.1dB的附加波导损耗。

3.3 光纤的色散测量

采用时域法[24]测量融石英光纤和色散位移光纤的色散系数,结果如表1所示。表中,L为光纤长度;D—为该长度光纤的平均色散系数。实验的γ总吸收剂量为500Gy。

表1结果表明:γ辐射导致两型光纤的色散系数绝对值均有增加,即辐射感生色散,远离零色散波长处的色散系数比零色散附近波长处的色散系数绝对值要大些,该测量结果与图4模拟计算结果相符。

在中心波长1 306nm附近,对色散位移光纤的色散系数随吸收剂量的变化进行了测量,实验数据及拟合曲线如图8所示。

结果表明,该型光纤的色散系数在0~500Gy范围内随吸收剂量的增加而增大,并逐渐趋于饱和。

4 结论

从电磁理论出发,分析并计算了光纤折射率变化对波导中电磁场分布、约束系数及色散系数的影响,实验验证了γ辐射对光纤折射率、电场分布的影响和色散效应,理论分析及实验结果均表明:γ辐射会导致光纤折射率发生变化,从而导致光纤波导中的电磁场分布扩散、波导对模式的约束能力降低及色散系数增加,并产生因纵向模式耦合引起的附加波导损耗。γ辐射光纤产生的康普顿电子数密度增大是辐射致折射率改变的主要因素;光纤的折射率随吸收剂量的增加而增大,折射率的变化会引起波导中传输模式的场强分布的变化,从而导致光纤的辐射感生波导损耗;在吸收剂量为0~2 000Gy内,融石英材料光纤仍满足弱导边界条件,能够维持对传输模式的约束能力,辐射感生波导损耗较小;而在吸收剂量为0~500Gy内,色散位移光纤的色散系数随吸收剂量增加较为明显,会使快脉冲光波信号长距离传输时产生由于脉冲展宽而引起的波形畸变。

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Analysis of Gamma-Ray Radiation Effects on Optical Fiber Waveguides

LIU Fu-hua,WANG Ping,LIU Wei-ping,XIE Hong-gang,FENG Gang,CHEN Shao-wu,WU Jun-jie
(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi'an 710024,China;State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter,Xi'an 710024,China)

Based on the basic theory describing the electromagnetic wave transmission in optical fiber waveguides,the electromagnetic field distribution,confinement factor,and dispersion coefficient,which change with the refractive index of the optical fiber,were calculated.Theγ-ray radiation experiments on fused silica and dispersion-shifted fiber were carried out,demonstrating the calculation results.The refractive index and dispersion coefficient varying with the absorbed dose of the fiber irradiated by theγ-rays were obtained.The experimental and theoretical results show that:1)the refractive index of the optical fiber increase with the absorbed doses,and the main causes for its increase is the increase of the electron density induced byγ-ray radiation;2)the changes in the refractive index would cause the variations in the field distribution of the transmission mode,resulting in radiationinduced waveguide losses;and within the dose range of 0~2 000Gy,the optical fiber would still meet the weakly guiding boundary conditions and maintain the confining ability on thetransmission mode;3)fiber dispersion coefficient increases with the absorbed dose,and within the dose range of 0~500Gy,the fiber dispersion coefficient exhibits a gradual increase in the amount of saturated trends,and therefore leading to distortion of the fast pulsed signals resulted from pulse period spreading.

gamma-ray radiation;optical fiber waveguide;refractive index;distribution of electromagnetic field;confinement factor;dispersion coefficient

TN253;TL814

A

2095 6223(2015)03 202 07

2015 04 07;

2015 06 02

国家自然科学基金资助项目(11275148)

刘福华(1967-),男,湖北孝感人,研究员,博士,主要从事激光测量和光纤应用技术研究。

E-mail:liufuhua@nint.ac.cn

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