基于三维无损观测的光纤热扩散系数测量新方法及高斯近似模型研究

针对传统热扩散系数(TDC)测量方法破坏光纤、难以描述内部光热演变的难题，研究人员创新性提出三维(3D)无损TDC观测方法，通过建立高斯近似数学模型揭示了热扩散时间与掺杂离子分布(DIP)的时空关系。实验验证表明，该方法可精准测定两种光纤的TDC并观测3D-DIP变化，为光纤器件制造稳定性提升提供了新范式。

　　

在光纤通信、传感和激光器等领域，热扩散效应直接影响器件性能。当光纤中的掺杂离子（如锗、硼等）在高温下发生迁移时，其浓度分布(DIP)变化会改变折射率分布(RIP)，进而调制光信号。尽管基于此效应已开发出热膨胀芯技术、模式场适配器等器件，但传统热扩散系数(TDC)测量需破坏性切割光纤截面，采用电子探针微分析等设备逐点扫描，不仅操作复杂，更无法观测轴向扩散过程。这种局限性严重制约了对光纤内部光热演化规律的认知，也阻碍了器件制造的精准控制。

为解决这一难题，长江光纤光缆联合实验室的研究团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表研究，提出三维无损TDC观测机制。通过氢氧焰加热装置制备不同热处理时长的光纤样本，结合折射率分布测量系统获取3D-RIP数据，推导出锗离子的相对DIP变化。创新性建立高斯近似数学模型，将TDC与DIP的时空关系简化为n²
(r,t)=n_cl
²
+K×[n_co
²
-n_cl
²
]×C(r,t)的数学表达，其中K为比例系数。实验选用SMF-28和YOFC trench型光纤验证，通过温度场标定确保氢氧焰中心温度达1600°C±15°C。

操作准备
研究证实光纤芯区锗离子DIP与RIP呈正相关，通过测量加热区域轴向温度分布，建立热扩散时间与扩散长度的定量关系模型。

热扩散光纤样本制备
采用直径10mm氢氧焰喷枪加热，热电偶测温显示轴向温度梯度符合高斯分布，核心加热区长度约6mm，为后续建模提供实验参数。

验证
选用YOFC trench型光纤进行验证，其初始RIP呈凹陷结构。经不同时长热处理后，3D-RIP观测显示锗离子扩散轨迹与模型预测高度吻合，证实该模型适用于复杂折射率剖面光纤。

结论
该研究突破传统方法的破坏性局限，首次实现TDC与DIP的时空关联建模。实验数据显示，模型计算误差小于5%，不仅能精确描述径向扩散，还可捕捉轴向演化特征。这对理解光纤掺杂离子迁移机制、优化激光器热管理具有重要价值，为光纤器件制造工艺标准化奠定基础。

数据可用性
研究数据可通过合理请求向作者获取，其中国家重点研发计划(2024YFF0726401)和国家自然科学基金(62235003)资助了本工作。由Chao Wang领衔的团队声明无利益冲突，所有作者均对方法论构建和数据分析作出贡献。