抗辐射石英基光纤的制作方法

本发明涉及石英(silica)基光纤领域，并且更具体地说，涉及意图用于诸如空间介质或核环境中的辐射环境中的石英基光纤。本发明涉及用于传输光信号的未掺杂、抗辐射光纤。本发明还可涉及掺杂、抗辐射光纤，尤其是用于放大器、放大自发发射源或光纤激光器应用。

背景技术：

1、本发明涉及一种石英基光纤。遍及本说明书，表述“石英基光纤”(简单地称为“光纤”)被理解为意指还可以包括除硅之外的元素(锗、磷、铝、硼、氟等)和/或氮且可以掺杂或未掺杂的光纤。

2、光纤有两大类，即所谓的“无源”未掺杂光纤和所谓的“有源”掺杂光纤。

3、无源光纤是指传输光信号而不修改光信号的光纤。

4、相反，有源光纤被定义为通过修改光信号(例如通过放大光信号)来传输光信号的光纤。有源光纤的可能应用是掺铒光纤放大器(edfa)、放大自发发射(“ase”)源或光纤激光器。

5、当光纤暴露于电离辐射(诸如电子、中子、x射线和/或γ辐射)时，观察到其光学性能水平的退化，特别是光纤每单位长度的衰减(指定为“辐射引起的衰减”或甚至“ria”)的增大，其可达到每延米(line meter)若干db。这种衰减可以是每延米1到10db的量级，例如对应于50％的损耗的3db。

6、发生了功率损失，因为构成光纤的芯的化学链受到辐射的能量的干扰，其导致出现新的电子跃迁态，从而在与所述电子跃迁相关联的波长区域中产生额外的吸收。

7、这种现象极大地限制了某些光纤在辐射介质中的应用中的使用，特别是在核或空间介质中的应用中，这对于edfa(例如用作卫星间通信激光器)、ase源(例如用于卫星中的光纤陀螺仪)或光纤激光器尤其关键。

8、为了限制这种现象，光纤通常被设计为组成和光谱操作范围最适合其意图的介质。

9、对于无源光纤，可以选择芯(光束传输矢量)由杂质率非常低的超纯石英制成的光纤。此外，低氟掺杂可有助于限制辐射引起的衰减，如以下公开中所述：“radiationresistance of fluorine-doped silica-core fibers”，k.sanada、n.shamoto和k.inada，proc.first pac rim meet.glass opt.mater.，第179卷，第339–344页，1994年11月，doi：10.1016/0022-3093(94)90714-5。

10、然而，尽管采取了这些预防措施，性能损失，特别是在核或空间领域，在某些光谱范围内甚至更大。

11、对于有源光纤，可以选择磷和/或铝(共)掺杂的光纤，以使光纤具有高的光学效率并使其为有源的。然而，这种掺杂使得光纤比上述无源光纤对辐射敏感得多(在红外(ir)和可见光中的若干数量级的额外损失)。现在，我们已经提出这样一个事实，即这种有源光纤在核和空间领域具有大的重要性，它们特别是构成光纤激光器和空间导航和通信系统中使用的光放大器的基础。因此，在辐射的影响下，它们必须能够保持其特性。

12、因此，即使硬化解决方案已经存在，它们仍然不足以满足高辐射率的要求，并且有时也难以应用。

13、减少辐射的影响的另一种已知解决方案是在光纤中掺入氢。例如，在如下公开中描述了在具有纯石英芯以及可由氟化石英制成的护套的所谓无源光纤的情况下，氢的这种正面影响：“improvement of radiation resistance of pure silica core fibers byhydrogen treatment”，kaya nagasawa、yutaka hoshi、yoshimichi ohki和kichinosukeyahagi，日本，journal of applied physics，第24卷，第1部分，第9期(1985)。氢在光纤中的存在允许将在可见和近红外光中具有吸收带的缺陷转化为具有约1380nm的吸收带的oh缺陷。这大大减少了光纤在可见和近红外光中的辐射引起的衰减，如图1(来自上述公开)所示。

14、氢的这种正面影响也针对所谓的有源放大光纤(例如芯与铈和铒共掺杂的铝石英光纤)在以下公开中进行了描述：“optimized radiation-hardened erbium doped fiberamplifiers for long space missions”a.ladaci等，journal of applied physics，2017。因此，氢的存在对光放大器中使用的诸如有源光纤的硬化高度有益，如图2(来自上述公开)所示。

15、然而，氢是一种高挥发性气体。在光纤或包括这种光纤的系统的整个操作过程中，将其保持在光纤的芯中是非常复杂的。

16、针对该问题，专利申请fr3008194描述了一种用于制造抗辐射光纤的方法，该方法包括以下步骤：

17、a)制造石英光纤预制件；

18、b)在预制件中形成纵向腔；

19、c)所述预制件的光纤生产以形成光纤(1)，所述光纤(1)包括芯(2)、光护套(6)和至少一个纵向腔(3)，所述纵向腔(3)在所述光纤(1)的端部具有至少一个孔(13)；

20、d)在光纤生产步骤c)中，施加气密涂层(4)；

21、e)将光纤(1)暴露于气体物质(优选包含气态氢和/或气态氘)，以便通过所述孔(13)将所述气态物质并入石英中；

22、f)封闭光纤(1)两端的每个孔(13)。

23、图3a和3b中所示的获得的石英光纤包括：

24、-芯(2)；

25、-光学护套(6)；

26、-至少一个纵向腔(3)，设置在光学护套(6)内，该纵向腔(3)在光纤(1)的两端封闭；

27、-气体扩散密封涂层(4)，其通常是薄碳层或金属薄层。

28、所述石英光纤在所述至少一个腔(3)中包含确定浓度的气体，优选来自气态氢和/或气态氘。

29、然而，这种制造方法和获得的光纤存在某些缺点。

30、一方面，不能保证纳米到若干十纳米量级的碳或金属薄层在辐射和温度的影响下保持密封，特别是在长时间使用时。

31、另一方面，不能在所有类型的光纤(诸如具有聚合物护套的光纤或双护套光纤)上产生由薄碳层或金属薄层形成的涂层。实际上，在聚合物护套上产生金属涂层可能会产生熔化和损坏护套的风险，并且在聚合物护套上保持碳涂层是困难的，甚至是不可能的。

32、此外，在该方法中，控制光纤的芯中所含氢的量是复杂的。

33、该解决方案还存在另一个缺陷(并非最不重要)，即氢具有双重影响：当光纤受到辐射时，有益的影响，但只要光纤尚未受到辐照或受到非常低的辐照，就为负面影响。实际上，一开始光纤中存在的氢增加了尚未受到辐照的光纤(称为“原始光纤”)中的额外损耗(光扩散损耗)。因此，在光纤受到辐射之前，只有原始光纤中附加损耗的负面影响。事实上，从图2中可以看出，在辐照前以及在非常低的剂量下，不含氢的光纤比含氢的光纤具有更高的增益。

34、本发明旨在克服现有技术的上述缺点。

35、更具体地说，本发明旨在增强经受辐射的光纤的性能，同时在光纤经受辐射之前保持其性能，并且在尽可能长的使用周期内这样做。本发明具体旨在能够在辐射介质中使用光纤。本发明还旨在增强任何类型的石英基光纤的性能，无论其是掺杂的还是未掺杂的，并且无论掺杂剂(单种或多种)以及芯和护套的材料如何。

技术实现思路

1、能够弥补这些缺点的本发明的主题是一种抗辐射石英光纤，其包括：

2、-芯；

3、-围绕芯的护套；

4、-包裹护套的聚合物涂层，所述涂层能够在辐射的影响下通过辐解形成氢，从而将形成的所述氢扩散到所述光纤中。

5、辐解是一种已知的现象，其包括在某些材料(特别是聚合物)中，在电离辐射的影响下释放氢。每单位重量和每辐照剂量是氢产生率取决于材料的类型，但也取决于剂量率、剂量和辐照类型。

6、辐解通常是一种需要避免的现象，因为如果辐解发生在密封封闭介质中，其伴随着压力升高的风险。因此，它可以通过某些材料功能质量的恶化来反映。

7、相反，本发明利用此现象以便向暴露于辐射通量的光纤中添加由辐解形成的氢的量。因此，根据本发明的光纤包括涂层，其材料包括聚合物或聚合物组合，该聚合物或聚合物组合能够在辐射的影响下形成氢并将氢释放到光纤中。

8、在实施大量聚合物的情况下，辐解可产生显著风险，这不是实施小的量(几克量级)的本发明的情况。

9、本发明的优点是：

10、-能够根据光纤的硬化需求调整释放的氢的量的能力：因此可以根据计划使用光纤的环境(剂量率、总剂量、温度等)选择聚合物材料；

11、-随着时间的推移，可靠性更高：事实上，不必像先前充氢的光纤的情况那样担心氢气随时间的泄漏风险。

12、此外，由于氢是通过辐照产生的，并且它先前不存在于光纤中，因此避免了当光纤尚未经受辐射时由于氢的存在而引起的上述不期望影响。这可称为光纤的硬化机制的自激活。

13、“硬化”应理解为旨在保护光纤免受辐射的机制。

14、可基于光纤的辐照条件，并且因此基于光纤中所需氢的量，来选择聚合物材料的类型，以及其物理状态(固体、小厚度的外套中所含的凝胶等)及其厚度。

15、根据本发明的光纤还可以包括以下特征单独或所有技术上可能的组合中的一个或多个。换句话说，下文所示的实施例可以彼此组合。

16、根据第一变体实施例，涂层为聚合物材料的固体层。

17、根据第二变体实施例，涂层包括聚合物材料的凝胶层和外套，外套能够在护套和所述外套之间包含所述凝胶。外套可由聚合物或金属制成。

18、根据第一实施例，聚合物涂层在护套周围形成环形涂层。

19、根据第二实施例，芯和围绕芯的护套(芯和护套形成标准光纤)嵌入聚合物涂层(其可以是固体聚合物或凝胶形式)中。特别是，标准光纤可以具有若干绕组，所述绕组嵌入聚合物涂层中。

20、聚合物材料包括以下中的一种或多种元素：聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、聚氯乙烯、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚甲醛。

21、聚合物材料优选具有高辐解率。

22、光纤的芯可以包括硅、锗、磷、铝、硼、氟、甚至氮中的一种或多种元素。

23、光纤的芯可以包括镧、铈、铒、镱、钕、铥和/或钬中的一种或多种稀土掺杂剂。

24、光纤的护套可以包括硅、锗、磷、铝、硼、氟、甚至氮中的一种或多种元素。

25、应注意，芯和/或护套中至少一者包括石英。

26、本发明还涉及包括至少一根根据本发明的石英光纤的光纤装置。

27、本发明特别有利地适用于制造掺杂或未掺杂的光纤，以及基于该光纤的装置和系统，其旨在用于诸如空间介质、核和科学仪器领域或甚至在使用辐射的医疗器械中的辐射环境中。