辐射作用下高Verdet常数氧化铅纳米掺杂石英光纤研究

The magneto-optical optical fibers, based on the magneto-optical effect, are used to make magneto-optical switches, magneto-optical modulators, magneto-optical current sensors, and other devices and systems, etc. In particular the current sensing is a research topic at home and abroad, currently. It is of great application values in the smart grid construction, larger power transmission, power system safety operation and monitoring. So far, the all-optical fiber current sensor is not used, the key issue is that the sensitivity of magneto-optical optical fiber is low, and the resistance to external environmental interference is poor. Therefore, it is necessary and urgent to research magneto-optical silica fibers with high sensitivity and anti-interferences in the communication and sensors. This project researches the influenence of irradiation on the magneto-optical properties of lead oxide nanomaterials doped silica fiber from the microscopic structure level, and elaborates the relationship between the irradiation and density of state of the internal electron in the dopant ions, and to improve the susceptibility characteristics of the doped optical fiber materials; Researches a new technology combining nanomaterials-doping, drawing with annealing process, and analyzes the relationship between particle size of nano-matericals doped optical fibers, microstructure changes of doping material, stress distribution characteristics in fibers, and Faraday effect, Faraday magneto-optical effect, stress birefringence, and performance parameters of the optical fibers, and so on. Then combining irradiation method, fabricates a lead oxide nano-doped silica optical fiber with high-Verdet constant.

基于磁光效应的磁光光纤可用于制成磁光调制器、磁光开关、磁光电流传感器等器件和系统，尤其是电流传感更是当前国内外研究热点，在智能电网建设、大型输电、供电系统的安全运行与监控等方面具有重要的应用价值。而全光纤的光纤电流传感器到目前为止仍不能应用，其核心问题就是应用的磁光光纤的灵敏度低,抗外部环境干扰性差。因此，研究应用于通信与传感的高灵敏度、抗干扰的磁光光纤是亟需和必要的。 本项目从材料微观结构入手，研究辐射对石英基质光纤材料内掺杂纳米氧化铅磁光特性的影响和作用机理，阐述辐射与掺杂离子内部电子态密度分布关系，提高掺杂光纤材料的磁敏感特性；研究纳米掺杂、光纤拉丝与退火处理结合的新技术，分析纳米掺杂粒子尺寸大小、掺杂材料微结构变化、光纤应力分布与掺杂光纤的旋光特性、法拉第磁光效应、双折射特性，以及光纤性能参数的关系；同时，结合辐射技术，研制具有高Verdet常数的氧化铅纳米掺杂石英光纤。

具有磁光效应的磁光光纤可用于制成磁光调制器、磁光开关、磁光电流传感器等器件和系统，尤其是电流传感更是当前国内外研究热点，在智能电网建设、大型输电、供电系统的安全运行与监控等方面具有重要的应用价值。首先，本项目主要利用MCVD与ALD技术相结合制备了氧化铅掺杂石英光纤，同时，利用MCVD与高温蒸发加热方式制备了EuF3掺杂光纤；并搭建磁光效应的Verdet常数测量系统，测量了掺铅光纤和掺铕光纤的Verdet常数。实验测得掺铅光纤的Verdet常数比单模光纤增大了27.8 %；而掺铕光纤的Verdet常数（4.56 rad/(T.m)）比单模光纤、掺铒光纤分别增加了89.2 % 和34.9 %。实验结果充分说明，掺杂光纤的磁光效应优于单模光纤，其原因可能是掺杂光纤的磁光效应与掺杂离子的外电子层结构有密切关系。其次，通过旋转拉丝制造工艺技术，研究不同节距的旋转氧化铅掺杂石英光纤与单模光纤的双折射变化情况，以及对Verdet常数特性的影响，实验结果表明氧化铅掺杂材料相比较未掺杂光纤Verdet常数可以提高10%左右，并且具有节距的旋转氧化铅掺杂石英光纤的Verdet常数高于未旋转氧化铅掺杂光纤2%左右，从而得出通过掺杂元素和旋转的方式能更进一步提高掺杂光纤的磁光灵敏度。最后，经伽马射线辐照处理后，掺铅石英光纤样品的Verdet常数随着辐照剂量的增加而增大，尤其在5 kGy剂量，其Verdet常数增加了41.94%，而单模光纤仅增加了33.04%。通过掺杂与辐照手段可以提高Verdet常数，并研制出具有高Verdet常数的磁光光纤，将其应用于光纤电流传感、磁光开关、磁光调制等，尤其在大电流传感应用研究领域具有非常重要的实际应用价值。