高灵敏度光纤辐照监测装置和方法

本发明属于核辐射监测，更具体地，涉及一种高灵敏度光纤辐照监测装置和方法。

背景技术：

1、在现代科学和工业领域，高灵敏度光纤激光探测器因其独特的探测能力而备受关注。这些探测器利用光纤作为传感介质，能够对温度、压力、应变和辐射等物理量进行精确测量。目前，光纤探测器已广泛应用于环境监测、医疗诊断、航空航天以及核工业等领域。

2、尽管光纤探测器具有许多优势，如抗电磁干扰能力强、尺寸小、重量轻、可远程传感等，但其在实际应用中仍面临一些挑战。首先，现有的光纤探测器在高辐射或极端环境下的稳定性和可靠性仍有待提高。其次，探测器的灵敏度和分辨率在某些应用场景下尚未达到预期要求，限制了其在高精度测量领域的应用。

3、随着科技的不断进步和应用需求的日益增长，发展具有更高灵敏度、更好稳定性和更强环境适应性的光纤激光探测器变得尤为重要。特别是在核能监测、环境安全以及医疗成像等关键领域，对探测器的性能提出了更高的要求。因此，研究和开发新一代高灵敏度光纤激光探测器对于满足这些需求具有重要意义。

4、开发高灵敏度光纤激光探测器不仅能够提升现有探测技术的性能，还能够开拓新的应用领域。例如，在核工业中，高灵敏度探测器可以提高辐射监测的准确性，保障设施安全；在医疗领域，高分辨率探测器有助于进行更精细的成像，从而提高疾病诊断的准确率。此外，高灵敏度探测器的研究成果还能够促进相关领域的技术进步，带动整个产业链的发展。

5、目前，公开号为cn 112684485 b的专利申请中公开了一种光纤辐照监测装置及方法，该方案提到多模光纤在高能射线作用下会产生色心，而色心的产生会导致多模光纤的折射率发生变化并且造成瑞利散射增强，从而导致在纤芯传输的信号激光会被泄露到石英包层中，包层光在经过包层光滤除器时，会被包层光滤除器滤出至金属封装层，从而导致金属封装层的温升，通过温度传感器和温度数据处理器监控金属封装层的温升量和温升速度，便可计算出辐射场的总剂量和剂量率。公开号为cn 107631796 b的专利申请中提出了一种通过分析辐照前后光谱谱型和强度变化的方法来测量辐照光纤所受的总剂量和剂量率，并且辐照漂白激光光源用于漂白辐照后的辐照光纤，提高辐照光纤使用寿命。但是上述方法对辐照的敏感度都不高，其中公开号为cn 112684485 b的专利申请中公开了一种光纤辐照监测装置及方法利用测量温度变化进行间接测量，用于长时间监测。公开号为cn107631796 b的专利申请中提出了一种通过分析辐照前后光谱谱型和强度变化的方法是直接测量光谱损耗，但是由于光谱测量误差较大，测量精度也不高。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供提出了一种高灵敏度光纤辐照监测装置和方法。

2、为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

3、一方面，本发明提供一种高灵敏度光纤辐照监测方法，包括以下步骤：

4、（1）确定第 i次工作的光纤激光振荡器在无辐照环境下的模式不稳定阈值p1,i；

5、（2）确定第 i次工作对应的辐照环境，在当前辐照环境中启动光纤激光振荡器，将光纤振荡器在当前辐照环境中的工作功率p2,i设置在小于p1,i的状态，持续采集并记录光纤激光振荡器的输出功率，并使用高性能示波器在光纤激光振荡器的输出端测量输出激光时域特性，根据当前辐照环境下光纤激光振荡器的输出激光时域特性判断光纤激光振荡器在当前辐照环境下是否达到模式不稳定阈值；

6、（3）当光纤激光振荡器在当前辐照环境下达到模式不稳定阈值且当前辐照环境下达到模式不稳定阈值为p2,i，则关闭光纤激光振荡器，说明此时光纤振荡器已承受一定总剂量的射线辐照；

7、（4）根据δpi=p1,i-p2,i判断光纤振荡器承受的辐照总剂量大小，δpi越大则表示第 i次工作对应的辐照环境中光纤振荡器承受的辐照总剂量越大；

8、（5）令 i=i+1，重复步骤（1）～步骤（4），光纤激光振荡器进行第 i+1次工作，对每次工作中的光纤激光振荡器的辐照总剂量进行监测。

9、进一步地，还包括设定工作次数阈值 n，当光纤激光振荡器工作 n次后，利用光漂白或者热漂白对辐照导致的光纤激光振荡器的损耗进行一定恢复，延长光纤激光振荡器的使用时长。

10、进一步地，本发明提供一种用于所述光纤辐照监测方法的光纤辐照监测装置，包括光纤激光振荡器、探测激光光源、激光接收装置、功率测量装置和功率测量装置，光纤激光振荡器的输出端设置有激光接收装置，光纤激光振荡器输出的激光信息经过激光接收装置后通过功率测量装置和功率测量装置测量；

11、探测激光光源为可见光半导体激光器，用于检测光纤激光器是否通光，以及激光器输出系统和测试系统之间的光路矫正；探测激光光源从远离光纤激光振荡器的输出端的光纤激光振荡器的另一端注入光纤激光振荡器。

12、本发明中，所述光纤激光振荡器的类型不限，可以是前向泵浦结构、后向泵浦结构或者双向泵浦结构。

13、本发明基于光纤振荡器中的模式不稳定效应阈值对辐照敏感，因此可以用模式不稳定效应阈值作为光纤辐照监测的判断依据，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

14、本发明先测量第 i次工作前光纤激光振荡器在无辐照环境下的初始模式不稳定阈值p1,i；然后根据第 i次工作对应的辐照环境，根据辐照总剂量的响应需求，设置在第 i次工作对应的辐照环境下光纤激光振荡器的工作功率p2,i，p2,i<p1,i，工作功率p2,i与初始模式不稳定阈值p1,i越接近，光纤激光振荡器对辐照总剂量越敏感。光纤激光振荡器在第 i次工作对应的辐照环境下工作，实时监测光纤激光振荡器在当前辐照环境下是否达到模式不稳定阈值，通过监测光纤振荡器是否发生模式不稳定就能判断光纤激光振荡器在当前辐照环境下是否达到了一定总剂量的辐照。本发明提出了利用光纤激光振荡器的模式不稳定阈值对辐照极为敏感的原理进行辐照总剂量监测，具有高灵敏度的监测效果，同时可以利用增长增益光纤长度、使用更大吸收系数增益光纤等方式进一步提高灵敏度。

技术特征：

1.高灵敏度光纤辐照监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤辐照监测方法，其特征在于，还包括，设定工作次数阈值n，当光纤激光振荡器工作n次后，利用光漂白或者热漂白对辐照导致的光纤激光振荡器的损耗进行一定恢复，延长光纤激光振荡器的使用时长。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤辐照监测方法，其特征在于，步骤（3）中根据能够计算得到当前的辐照总剂量，其中表示在当前辐照环境下的第i次工作中光纤振荡器承受的辐照总剂量，a是与光纤激光振荡器结构、材料特性相关的参数，d是与光纤激光振荡器量子亏损有关的参数，a和d通过标定得到。

4.用于如权利要求1所述高灵敏度光纤辐照监测方法的光纤辐照监测装置，其特征在于，包括光纤激光振荡器、探测激光光源（1）、激光接收装置（9）、功率测量装置（10）和功率测量装置（11），光纤激光振荡器的输出端设置有激光接收装置（9），光纤激光振荡器输出的激光信息经过激光接收装置（9）后通过功率测量装置（10）和功率测量装置（11）测量；

5.根据权利要求4所述的光纤辐照监测装置，其特征在于，光纤激光振荡器为前向泵浦结构，包括前向泵浦合束器（2）、光纤耦合半导体激光器（3）、高反射率光纤光栅（4）、增益光纤（5）、低反射率光纤光栅（6）、包层滤除器（7）、光纤输出端（8）；所述探测激光光源（1）的输出光纤与所述前向泵浦合束器（2）的信号臂连接；多个光纤耦合半导体激光器（3）的输出光纤分别与所述前向泵浦合束器（2）的泵浦臂连接；所述前向泵浦合束器（2）的合束端与所述高反射率光纤光栅（4）的第一端连接；所述增益光纤（5）的两端分别与所述高反射率光纤光栅（4）的第二端和所述低反射率光纤光栅（6）的第一端熔接；所述包层滤除器（7）的两端分别与所述低反射率光纤光栅（6）的第二端和所述光纤输出端（8）连接。

6.根据权利要求4所述的光纤辐照监测装置，其特征在于，光纤激光振荡器为后向泵浦结构，包括光纤耦合半导体激光器（3）、高反射率光纤光栅（4）、增益光纤（5）、低反射率光纤光栅（6）、包层滤除器（7）、光纤输出端（8）、后向泵浦合束器（13）；所述探测激光光源（1）的输出光纤与所述高反射率光纤光栅（4）的第一端连接，所述增益光纤（5）的两端分别与所述高反射率光纤光栅（4）的第二端和所述低反射率光纤光栅（6）的第一端熔接；多个光纤耦合半导体激光器（3）的输出光纤分别与所述后向泵浦合束器（13）的泵浦臂连接；所述低反射率光纤光栅（6）的第二端连接所述后向泵浦合束器（13）的合束端，所述包层滤除器（7）的两端分别与所述后向泵浦合束器（13）的信号臂和所述光纤输出端（8）连接。

7.根据权利要求4所述的光纤辐照监测装置，其特征在于，光纤激光振荡器为双向泵浦结构，包括前向泵浦合束器（2）、光纤耦合半导体激光器（3）、高反射率光纤光栅（4）、增益光纤（5）、低反射率光纤光栅（6）、后向泵浦合束器（13）、包层滤除器（7）、光纤输出端（8）；所述探测激光光源（1）的输出光纤与所述前向泵浦合束器（2）的信号臂连接；多个光纤耦合半导体激光器（3）的输出光纤分别与所述前向泵浦合束器（2）的泵浦臂连接；所述前向泵浦合束器（2）的合束端与所述高反射率光纤光栅（4）的第一端连接；所述增益光纤（5）的两端分别与所述高反射率光纤光栅（4）的第二端和所述低反射率光纤光栅（6）的第一端熔接；多个光纤耦合半导体激光器（3）的输出光纤分别与所述后向泵浦合束器（13）的泵浦臂连接；所述低反射率光纤光栅（6）的第二端连接所述后向泵浦合束器（13）的合束端，所述包层滤除器（7）的两端分别与所述后向泵浦合束器（13）的信号臂和所述光纤输出端（8）连接。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的光纤辐照监测装置，其特征在于，所述探测激光光源(1)为中心波长位于400nm-700nm的可见光半导体激光器；

9.根据权利要求5或7所述的光纤辐照监测装置，其特征在于，所述前向泵浦合束器（2）为（n+1）1前向泵浦合束器，2≤n≤18, 具有n个泵浦臂，一个信号臂和一个合束端。

10.根据权利要求6或7所述的光纤辐照监测装置，其特征在于，所述后向泵浦合束器（13）为（n+1）1后向泵浦合束器，2≤n≤18, 具有n个泵浦臂，一个信号臂和一个合束端。

技术总结
一种高灵敏度光纤辐照监测装置和方法，包括：先测量第i次工作前光纤激光振荡器在无辐照环境下的初始模式不稳定阈值P<subgt;1,i</subgt;；根据第i次工作对应的辐照环境，根据辐照总剂量的响应需求，设置在第i次工作对应的辐照环境下光纤激光振荡器的工作功率P<subgt;2,i</subgt;，P<subgt;2,i</subgt;<P<subgt;1,i</subgt;，工作功率P<subgt;2,i</subgt;与初始模式不稳定阈值P<subgt;1,i</subgt;越接近，光纤激光振荡器对辐照总剂量越敏感。光纤激光振荡器在第i次工作对应的辐照环境下工作，实时监测光纤激光振荡器在当前辐照环境下是否达到模式不稳定阈值。本发明通过监测光纤振荡器是否发生模式不稳定就能判断光纤激光振荡器在当前辐照环境下是否达到了一定总剂量的辐照，具有高灵敏度的监测效果。

技术研发人员：张汉伟,相广彪,张江彬,王小林,周琼,刘文广,华卫红,陈金宝
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/6