【现货速发】国产保偏光纤辐照效应及其机理研究

第1章 绪论·

1.1课题背景及意义

1.2石英保偏光纤的分类及其衰减系数变化的影响因素

1.2.1石英保偏光纤的分类

1.2.2石英光纤衰减系数的影响因素

1.3石英光纤在空间环境中的适应性

1.3.1航天器运行环境

1.3.2石英光纤的空间环境效应

1.3.3空间实用石英光纤的基本要求

1.3.4辐照粒子与石英光纤的相互作用

1.4石英光纤在辐照环境下性能退化规律与机理研究现状

1.4.1石英光纤在辐照环境下性能退化规律

1.4.2石英光纤自身因素对辐照环境下性能退化规律的影响

1.4.3石英光纤损伤机理研究

1.4.4石英光纤辐照诱导损耗变化数学模型

1.5本书的研究目的和内容

第2章试验样品、设备及研究方法

2.1试验样品

2.1.1石英保偏光纤

2.1.2石英保偏光纤材料

2.2辐照设备与试验方法

2.2.1辐照设备

2.2.2辐照方案

2.2.3测量和分析设备及方法

第3章 石英保偏光纤辐照诱导损耗变化规律

3.1“熊猫”型石英保偏光纤辐照诱导损耗变化规律

3.1.1伽马射线辐照诱导损耗变化规律

3.1.2电子辐照诱导损耗变化规律

3.1.3质子辐照诱导损耗变化规律

3.2“一”字型石英保偏光纤辐照诱导损耗变化规律

3.2.1伽马射线辐照诱导损耗变化规律

3.2.2电子辐照诱导损耗变化规律

3.2.3质子辐照诱导损耗变化规律

3.3辐照诱导损耗变化规律比较

第4章石英保偏光纤辐照损伤机理

4.1光纤中的辐照缺陷

4.1.1Si-OH缺陷

4.1.2NBO缺陷

4.1.3OHC和E心缺陷

4.1.4C=C缺陷和H粒子

4.2光纤中辐照缺陷的形成机制

4.2.1涂覆层中H的扩散

4.2.2SiO2中缺陷的形成机制

4.2.3Si-OH缺陷累积过程

4.3辐照导致缺陷在光纤中的分布

4.3.1质子辐照导致缺陷在光纤中的分布

4.3.2电子辐照导致缺陷在光纤中的分布

4.4石英保偏光纤辐照效应比较及机理分析

4.4.1石英保偏光纤辐照效应比较

4.4.2辐照效应差异的机理分析

第5章石英保偏光纤辐照诱导损耗数学模型

5.1伽马射线辐照诱导损耗数学模型

5.1.1假设条件

5.1.2模型的建立和求解

5.1.3Si-OH浓度与辐照诱导损耗关系

5.1.4模型的参数设定

5.1.5模型结果与试验结果的比较

5.2带电粒子辐照诱导损耗数学模型

5.2.1模型的假设条件和建立

5.2.2模型的参数设定

5.2.3模型结果与试验结果的比较

参考文献・

1.1课题背景及意义

光纤陀螺仪能够为航天器提供精确定位和导航，与激光陀螺仪和机械陀螺仪相比，具有可靠性高、精度高、装配工艺简便、结构紧凑、质量轻、耗能低和强度大等优点。石英保偏光纤是光纤陀螺仪的关键部件之一，为光信号传输提供载体。因为保偏光纤具有内在的、完全确定的内部高双折射，外部扰动所引起的双折射通常被内部高双折射所“湮灭”，由此导致在普通单模光纤中简并的偏振模式可以分开，当光信号在保偏光纤中传输时，能够保持光的偏振状态不变，所以被称为保偏光纤。

因为航天器主要通过遥控和预先编制的程序工作，空间环境又是一种完全不同的工作环境，航天用器件和材料又需要具有长期稳定的工作性能，所以，与地面上应用的普通保偏光纤相比，人们对航天用保偏光纤性能指标提出更高的要求。航天器在空间飞行过程中，受到包括带电粒子辐照、真空、温度、原子氧和空间碎片等诸多空间环境因素的影响，其中，对于舱内器件和材料来说，主要受到带电粒子辐照因素的影响。空间带电粒子辐照环境极其复杂，在不同轨道上，带电粒子能量、注量和通量的分布有所差异，即使是同一轨道上，由于受到地磁场、太阳活动等诸多因素的影响，带电粒子能量、注量和通量的分布也存在很大幅度的变动21。

在空间辐照环境中，带电粒子主要由电子和质子构成，大量的试验和理论研究结果表明，电子辐照[-0]和质子辐照[]导致器件和材料光学性能严重下降。决定石英保偏光纤性能的主要参数包括衰减系数和偏振系数，其中辐照对偏振系数的影响甚微，衰减系数受辐照因素影响最大，辐照导致衰减系数增大，即形成辐照诱导损耗（°.。以Co“为放射源产生的伽马射线，因为其剂量率稳定、可在空气中进行试验、剂量率调节方便等优点，所以，利用伽马射线辐照是评价材料和器件抗辐照特性与研究电离损伤机理应用最为广泛的方法.。辐照导致在光纤内部形成缺陷，在损耗谱中表现为产生新的吸收峰，或者原有吸收峰增高和变宽，从而光纤对光信号的吸收增强、产生辐照诱导损耗，由此输出功率严重降低，直接导致光纤陀螺仪的精度下降甚至失效。

石英保偏光纤属于各国重点技术保护项目，一些航天强国诸如美国和俄罗斯等国家一直禁止向我国出口这项技术。近年来，我国成功研制出“熊猫”型和“一”字型石英保偏光纤，弥补了这项技术空白。其中，“一”字型石英保偏光纤的结构特征是国际上独创“。由于工业基础和技术的限制，我国研制的“熊猫”型石英保偏光纤的生产工艺和掺杂等细节与其他国家生产的同类石英保偏光纤有所差异。到目前为止，我国自行研制的石英保偏光纤在空间辐照环境下的性能退化规律和损伤机理还没有得到深人、系统的研究，为了能够正确评价空间辐照环境下石英保偏光纤的在轨服役行为，需要深人和系统地研究辐照导致国产石英保偏光纤的性能退化规律及其损伤机理。国际上针对光纤的辐照效应主要集中在伽马射线辐照的研究工作上，虽然关于电子和质子的辐照效应也有一些研究，但是多是关于高能粒子辐照的研究，关于低能电子和质子辐照的研究工作未见报道。而在空间粒子辐照环境中，低能带电粒子注量比高能带电粒子注量高几个数量级。所以，开展低能带电粒子对光纤辐照效应的研究很有必要。采用科学有效的地面模拟试验，系统地研究石英保偏光纤在不同空间辐照环境因素下的性能退化规律和损伤机理，有着非常重要的科学意义和工程应用价值。

本书以工作波长为1310nm的国产“熊猫”型和“一”字型石英保偏光纤为研究对象，采用不同能量电子、质子和不同剂量率伽马射线辐照，通过辐照诱导损耗试验测量和辐照前后微观结构分析，借助辐照模拟软件计算，研究其性能退化规律，揭示导致性能退化的损伤机理，闸述辐照诱导缺陷的类型和演化规律，建立辐照诱导损耗变化的数学模型。本项研究工作不但可为国产石英保偏光纤在轨服役行为奠定基础，而且，对提高光纤陀螺仪在轨运行的可靠性和推动新型抗辐照石英保偏光纤的研制有着极其重要的意义。

1.2石英保偏光纤的分类及其衰减系数变化的影响因素

1.2.1石英保偏光纤的分类

20世纪80年代以前，由于缺少对常规单模光纤偏振态的控制技术，所以，利用光纤偏振性能比较困难。随着光纤陀螺仪等高精度光纤传感器技术的发展，对光纤偏振态控制技术的应用要求越来越迫切[）。近30年以来，国内外许多厂家和科研单位对石英保偏光纤进行了深人的研究，到目前为止，已经成功研制出多种类型和型号的石英保偏光纤，基本可以满足在当前工程技术中应用的要求。

根据包层、应力区和纤芯的结构与形状进行分类，国际上通用的石英保偏光纤可以分为椭圆纤芯型、椭圆包层型、领结型和“熊猫”型四种类型，这四种类型石英保偏光纤结构如图1-1所示*