Uvod
Na številnih vrhunskih-področjih sodobne tehnologije, kot so letalstvo, jedrska energija, visoko{1}}energetski fizikalni poskusi in obramba, morajo elektronske naprave pogosto delovati v ekstremnih okoljih, polnih ionizirajočega sevanja. Sevanje lahko povzroči drastično poslabšanje ali celo odpoved delovanja običajnih optičnih vlaken in komponent. Med njimi je še posebej ranljiv optični ojačevalnik, ki je ključna komponenta v optičnih komunikacijskih in laserskih sistemih. Ojačevalnik z optičnimi vlakni, odpornimi na sevanje, je specializirana optoelektronska naprava, ki je bila ustvarjena prav za spopadanje s tem resnim izzivom, saj zagotavlja stabilno in zanesljivo ojačanje optičnih signalov v okoljih z močnim sevanjem.
Izziv sevanja in mehanizem njegovega vpliva
V okoljih s sevanjem visoko{0}}energijski delci (npr. žarki gama, nevtroni, protoni) bombardirajo osrednjo komponento ojačevalnika vlaken-dopirano vlakno (običajno erbijevo-dopirano vlakno EDFA ali iterbijevo-dopirano vlakno YDFA). To obstreljevanje ustvari veliko število strukturnih napak, kot so "barvna središča", znotraj steklene matrice vlakna.
Te napake delujejo kot nove "energijske pasti", ki poslabšajo delovanje ojačevalnika na dva glavna načina:
Povečana izguba absorpcije: barvna središča močno absorbirajo svetlobo pri določenih valovnih dolžinah, vključno s signalno in črpalno svetlobo. To povzroči znatno izgubo energije, ko svetloba potuje skozi vlakno, kar povzroči močno povečanje slabljenja prenosa.
Dušenje fluorescence: okvare,-ki jih povzroči sevanje, lahko medsebojno delujejo z dopiranimi ioni redkih{1}}zemelj (npr. Er3+, Yb3+), črpajo energijo iz svojih vzbujenih stanj. To preprečuje, da bi ioni učinkovito oddajali svetlobo s stimulirano emisijo, kar ima za posledico znaten padec ojačanja in učinkovitosti ojačevalnika.
Preprosto povedano, sevanje je kot ustvarjanje neštetih "cestninskih postaj" in "zapor" na čisti avtocesti. "Vozila" s signalnimi lučkami morajo plačati cestnino (absorbirajo energijo) ali pa ne morejo doseči cilja (ni jih mogoče učinkovito ojačati).
Zasnova-odporna na sevanje in ključne tehnologije
Ojačevalnik vlaken,-odporen na sevanje, ni posamezen izdelek, temveč celovita rešitev, ki vključuje materiale v sisteme. Njegove osnovne tehnologije vključujejo:
Posebna dopirana vlakna: To je srce odpornosti proti sevanju. Z optimizacijo kemične sestave gostiteljskega stekla vlaken (npr. z uporabo fosforjevega ali aluminijevega ko-dopiranja ali posebnih stekel na osnovi fluorida-) je mogoče znatno zmanjšati tvorbo-barvnih središč, ki jih povzroča sevanje. Poleg tega je mogoče ta vlakna oblikovati za hitro "žarjenje" (samo-celjenje) pri sobni temperaturi, kar poveča njihovo odpornost.
Radiacijsko-utrjene prevleke: polimerna prevleka na zunanji strani vlakna se lahko tudi razgradi in postane krhka pod sevanjem. Uporaba posebej oblikovanih premazov,-odpornih na sevanje, ščiti mehansko trdnost vlaken in preprečuje zlom pod dolgotrajno-izpostavljenostjo sevanju.
Utrjene optične komponente in sistemi: Druge optične komponente v ojačevalniku, kot so laserji s črpalko, multiplekserji z delitvijo valovnih dolžin in izolatorji, morajo biti prav tako pregledane in posebej zasnovane za zagotavljanje stabilnega delovanja v okolju sevanja.
Optimizacija-na ravni sistema: Zanesljivost in življenjsko dobo je mogoče povečati na ravni sistema z optimizacijami, kot je uporaba večje moči črpalke za kompenzacijo izgub-povzročenih s sevanjem, ali oblikovanje redundantnih rezervnih sistemov.
Primarna področja uporabe
Ojačevalniki vlaken,-odpornih na sevanje, igrajo nepogrešljivo vlogo na številnih visoko-tehnoloških področjih:
Vesoljske aplikacije: satelitske komunikacije, daljinsko zaznavanje, med-satelitske laserske povezave. Van Allenovi sevalni pasovi in sončni izbruhi v vesolju ustvarjajo intenzivno sevanje tam, kjer običajni ojačevalniki ne morejo delovati dolgoročno-.
Jedrska industrija: Sistemi za spremljanje znotraj jedrskih elektrarn in objektov za obdelavo jedrskih odpadkov. Ti sistemi se zanašajo na zaznavanje z optičnimi vlakni za spremljanje temperature, tlaka in napetosti, pri čemer so ojačevalniki ključni za razširitev obsega zaznavanja in izboljšanje razmerja med-in-šumom.
Eksperimenti -fizike visoke energije: sistemi za zaznavanje delcev in prenos podatkov znotraj objektov, kot je veliki hadronski trkalnik (LHC), kjer so ravni sevanja v bližini detektorjev izjemno visoke.
Obramba in vojska: uporablja se v laserskem radarju (LIDAR), komunikacijskih in senzorskih sistemih na mornariških plovilih, letalih ali v okoljih s potencialno jedrsko nevarnostjo.
Zaključek
Ojačevalnik vlaken,-odporen na sevanje, je izjemen dosežek, ki izhaja iz kombinacije sodobnega optičnega inženirstva in znanosti o materialih. Z nenehnimi inovacijami na ravni materiala, dizajna in sistema uspešno premaguje kritično grožnjo, ki jo sevanje predstavlja za ojačanje optičnega signala. Ker se človeštvo pospešuje pri raziskovanju vesolja, uporabi jedrske energije in mejnih znanstvenih poskusih, bo povpraševanje po visoko-zmogljivih, zelo zanesljivih-ojačevalnikih vlaken, odpornih na sevanje, vedno bolj nujno. Ti bodo še naprej služili kot »prožni varuhi« informatizacije in intelektualizacije teh kritičnih področij ter zagotavljali neoviran pretok optičnih signalov.